160kW调频天线设计构想

梁芳域 广东省广播电视技术中心 电视调频发射总台

一、引言

越秀山发射塔调频天线肩负着FM89.3 MHz、FM91.4MHz、FM97.4MHz、FM99.3 MHz、FM103.6MHz等多个国家级和省级调频广播节目在广州及周边地区的发射覆盖任务，发射功率大，影响范围广。

该天线安装于2001年，材质为不锈钢，结构为上下对称型，共四面八层32块天线面板，上四层天线极化方向是水平极化，下四层是垂直极化。经过十七年的日晒雨淋，天线构件老化，发射效果变差。而近年来调频广播节目的不断增多，发射总功率也不断逼近天线的极限。随着发射台对调频发射系统的不断升级，发射机和多工器更新改造相继完成，天线的更换工程也提上了日程。

更换新天线要解决的问题很多，我们在向天线厂家发布招标文件前，需要先梳理自己的用户需求，列出各项要求。比如技术指标是多少、采用什么样的结构、各构件尺寸是多少、使用什么材料和考虑外部环境的影响等等。

二、技术参数

根据《GY/T 196-2003 调频广播覆盖网技术规定》和《GY/T 5088-2013 电视和调频广播发射天线馈线系统技术指标及测量方法》，结合实际情况，确定新天线的技术参数。

(一)频率范围：调频广播全频段，87~108MHz。

(二)极化形式：按照发射台早期规划为水平极化。

(三)输入阻抗：天馈线系统输入阻抗标称值应为50Ω。

(四)功率容量：本台调频发射系统多工器的功率容量为150kW，连接天线的两条主馈管功率容量均为80kW，那么新天线功率容量应≥160kW，是目前为止国内单体功率容量最大的调频天线。

(五)天线增益：≥9dBd；天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力。在同等发射机功率条件下，天线增益加大，特定方向覆盖范围也加大，自然是越大越好。但这将增加支持物(塔桅)的长度，增加天馈线系统的复杂性，也增加服务边界同频邻频干扰场强，所以它是一个综合性的问题，要根据覆盖网的规划要求及各地具体服务要求、经济条件等确定。

(六)驻波比：根据标准，调频天馈线驻波比甲级≤1.15，乙级≤1.20。所以设定新天线单个的天线面板驻波比≤1.15，施工完成后天馈线系统全频段整体要求≤1.15。

(七)天线场型设计：

发射塔坐标：113°15′51″，23°08′36″

发射塔塔基海平面高度：50米

天线中心相对地面高度：140米

根据工程情况和发射塔周边环境，利用计算机仿真优化系统的场型。

1.水平面场型：

对于一个全向的天线来说，不圆度是指水平面方向图中，其最大值或最小值电平值与平均值的偏差，其中平均值是指水平面方向图中最大间隔不超过5°方位上电平(dB)值的算术平均值。此指标根据频率规划要求、服务范围及天线支持物结构截面尺寸在设计时确定，但应不劣于±3dB。因本天线安装位置塔桅边宽为3500mm，超过了最优宽度，会对场型圆度造成比较大的影响。鉴于此我们按标准要求不圆度＜±3dB即可。

2.垂直面场型：

天线增益大，中心高度超过100m，第一、第二零点方向照射的距离较远，因此对服务效果影响较大，需零点填充。一般零点填充量为5%到20%，本天线我们要求第一零点填充大于10%。

另外，需要根据高度情况设计合理的天线波束下倾角，达到减少向上半空间辐射的电磁波能量、提高电波能量的利用率的目的。一般情况下波束下倾角计算公式如下：

式中：Ɵ——波束下倾角(°)；

Ht——发射天线中心对应于服务区的相对高度(m)；

ƟH——水平线与最大视距线之间的夹角 (° )。

本发射台Ht=140m，代入公式可得Ɵ=0.6°。

3.覆盖场强要求：

发射功率10kW的信号覆盖场强要求如下(不考虑发射塔东北方向有山遮挡)：

距离发射塔中心10公里范围≥74dBμ V/m

距离发射塔中心20公里范围≥74dBμ V/m

距离发射塔中心30公里范围≥66dBμ V/m

距离发射塔中心40公里范围≥60dBμ V/m

距离发射塔中心50公里范围≥54dBμ V/m

以上场强数值是根据历年的接收数据和实际的收听效果确定，使距离发射塔中心50公里范围内能达到相对满意的收听质量。

(八)环境温度：-40℃ ~60℃。

(九)风荷截：29KN，天线位于台风多发区，参考往年最大风速160km/h。

三、天线结构

发射塔调频天线位置总高度为20m，塔桅横截面是正四方形，边宽为3500mm。旧天线分为上下对称两副，分别连接上下路主馈管，共有4面8层32块天线面板。此次工程需要更换的器件有天线开关板、功率分配器、分支馈管和天线振子面板，保留两路从机房至塔上的主馈管。

考虑塔体结构和高度等实际情况，新天线延续旧天线的结构。天线面板越多，增益越好，辐射范围越广，但近场效果变差。所以天线面板数量调整为四面六层共24块，类型为双偶极子天线，系统总功率容量要求≥160kW，则单个天线面板的功率容量必须大于7kW。

功率分配器作用是将单路馈管信号等分到多个天线振子发射，整个天线共需要两个1：2功分器和四个1：6功分器。分支馈管连接功分器和天线振子，数量为24条。天线开关板的作用是将多工器出来的载波聚合信号等分，通过两路馈管分别送到上下两副天线发射，并且可以通过板上的开关切换到单天线播出。

四、要点

(一)材质要求

由于常年处于露天环境，高温高湿，天线面板(天线振子外导体、天线反射板和天线反射板安装构件)必须采用较强防腐蚀的材质。

旧天线的发射板材料为不锈钢，防腐蚀性能强。但通过长期使用发现，该天线发射的调频信号互调失真比较明显，收听时有明显的杂音，声音不够明亮。通过查阅得知，不锈钢材质的天线面板普遍存在这个问题，而使用镀锌碳钢材料既可以避免该问题，又能达到防腐蚀的效果。所以此次更换天线，我们要求厂家提供的必须使用镀锌碳钢作为天线反射板材料。

图1 天线面板安装位置实拍图

(二)安装要求

为了减少向上辐射的能量，获得更好的覆盖效果，调频天线要有一定的波束下倾角。下倾角的实现有三种方式，包括：天线面板倾斜、分支电缆长度调整、天线面板位置调整。

从施工角度考虑，天线面板数量太多，板倾的话倾斜度太小，不容易统一实现。直接调整某些天线面板的安装位置是最容易施工的，至于调整哪些面板，通过计算机仿真来优化即可。

通过与天线厂家沟通，本次工程我们选择的施工方案是将中间两层的天线面板略靠外安装，其他四层天线面板位置则相对靠内。图1是调频天线面板安装位置的实拍图。

五、结束语

本发射台更换完调频新天线后，效果明显改善。通过接收数据比对得知，覆盖范围内的接收电平均有不同程度的提高。最明显的变化是，新天线对88MHz~108MHz全频段的增益表现非常均衡，而原先天线则会出现不同频率增益差异非常大的情况，导致某些频道的接收效果很差。除了客观数据比对，直接监听也明显感觉音质有所提升，互调失真减弱，杂音消失不见。整体上说，本次调频天线更换工程的设计实施过程是成功的，达到了预期的效果，也得到了业内的好评。本文主要侧重讲述工程前期的需求构想过程，希望给大家以借鉴。