中波广播发射天线的原理与维护关键点分析

王建军

【摘要】827台是全省最大功率中波骨干发射台，总装机容量是210Kw。播出中央新闻综合一套广播节目和甘肃新闻综合一套广播节目，两部发射天线按地理东西走向布置，意在组成弱定向天线阵，增强处在甘肃东西狭长地域分布河西走廊方向辐射场。铁塔高度151米，5层拉线地锚接地系统。甘肃台684kHz馈线采用笼形馈线，中央台1035kHz馈线采用国产SDY-50-80软馈线。

【关键词】中波广播;发射天线;原理与维护;关键点分析

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.13..014

1. 中波发射机构成

中波发射机采用全固态数字调幅发射机，简称DAM数字调制发射机，这种发射机的优点是高效率、高稳定度，其工作原理可以简捷的描述为：对音频信号进行抽样、量化、编码形成地址码，通过第二次编码形成功率合成器功率模块瞬间“导通”“关断”的12bit开关信号，功率合成器根据音频信号送来的这个比特流，瞬时关闭和开通功率模块，功率模块就像磊“积木”一样，实现功率增减，形成含有量化台阶的射频包络调幅信号。以50Kw发射机为例，ZF-50A DAM50KW发射机射频功率合成器采用128块功率模块，其中大台阶模块123个，二进制模块5个，最小量化台阶的电压是（1/32）E大台阶电压数，对音频的分辨率为：123×31+123+31=3967个量化台阶，即11.9bit，再加上72Khz抖动PDM补偿3-4bit即可达到12bit人耳对音频分辨率的要求，其它功率级别的发射机虽然功率模块数量不同，都能满足12bit人耳对音频分辨率的要求。发射机功率模块核心器件使用场效应管。

2. 中波发射天线原理

2.1 中波垂直天线辐射场型建立的理论

先从基本的电磁场理着手，再从传输线方程，平板电容开放后的电场分布开始分析中波发射天线的特性。

中波馈线和发射天线核心问题是高频电磁场的建立、电场强度和磁场强度，以及和产生它们的电荷、电流之间的相互关系。麦克斯韦方程式分析描述上述关系的最核心的理论。下面是麦克斯韦方程组。

中波天线和馈线是电磁场理论的边值问题，中波发射天线可以看做是终端张开900的二线传输线。用传输线理论分析实际的馈线和天线，可以对中波天馈线系统做一准确的分析。下面是二线传输线方程：

β是衰减常数，表示单位长度衰减量。

α是相移常熟，表示单位长度的相移。

由上述传输线方程，当传输线终端开路，此时为全反射，即ρ=+1，S=∞，K=0线上只有驻波，为了分析中波垂直天线的特性，我们只分析传输线上电压、电流和传输线长度的关系：

终端开路传输线的特征可以归纳为：

电压、电流幅值沿线上的分布呈周期性变化，周期为λ/2，电压分布为余弦规律，电力分布为正弦规律，这个规律对于分析垂直中波发射天线是非常重要的。中波发射以地波為主，水平面上场形是个圆，因为天线终端开路，是一个驻波天线，天线上电流分布符合正弦规律。

平板电容内部场强分布：

平板电容内部的电场强度与平板电容上+电荷正比。

中波天线是一个终端开路开放900的传输线，也是一个一边张开900的平板电容。从麦克斯韦方程得知，要增加天线的辐射场强，就要增加天线上的+电荷Q，平板电容的场强计算公式也支持这一结论;从终端开路传输线上电流分布特性得知，要让中波天线辐射的更远，就要提高电流波幅电在天线上的位置。

上述3理论，从天线上电荷的积累即增加发射机功率、增加天线高度、保护地网等多维方面说明了天馈线系统建立辐射场的原理。

2.2 中波发射天线的理想高度

理想湿地，铁塔周围无限空旷，空间电磁波辐射三维场强模型如下图：场强由舒来依金—范德波尔公式计算：

式中：E为场强，mV/m;d为被测位置与发射天线水平距离，km;p为发射机标称功率，kW;G相对于接地基本振子（点源天G=1）的天线增益（倍数）;A为地面衰减因子;X为数量距离;λ为长，m;ε为大地的介电常数（无量纲）;σ为大地的导电系数，1/（Ω*m）。由上述公式可见，要增加地面的辐射场，增加天线的高度和增大发射机功率是唯一可选的，因为对于一个已选址定型的发射台，ε和σ除了受气候干旱、地表湿度的变化影响外，公式中决定场强大小的其它量是确定的。天线的高度不是越高越好，天线太高，高仰角的副瓣增强，近区干扰增强，最理想的天线高度采用0.53λ天线。

3. 天馈线系统管理要求

3.1 对天馈线系统的要求

天馈线系统发生故障会引发停播，其作用与发射机同样重要，也会直接影响发射台的停播率。安全、优质、可靠的天馈线系统是确保发射台优质安全播出和安全生产的必备条件之一。随着社会的进步和发展，基于全固态发射机使用的场效应管是电压激励型器件，不具耐高压和耐高温的性能，由此对天馈线系统运作要求愈加严格;雷电是雷雨季造成发射机器件损坏，停播的最大危害，天调网络的防雷设计意义重大，对于新型的DAM发射机防雷是尤为重要的。

我台从建立到现在已经有近三十多年历史，1035khz频率一直采用六线式馈线，经过长期的运行，馈线物理结构及电气特性变坏，天馈系统问题逐渐凸显。一，多线式馈线性能方面：主要是损耗和杂散辐射大，传输效率低。由于内馈体仅为2根细铜线，随着馈线的长度增加，电阻值也逐渐增大，带来的传输损耗也逐渐增加;多线式馈线，经过长期的运行以及周围环境的变化，馈线内导体与外导体距离及外导体与地面距离发生变化，这就带来了馈线各处参数的不一致性，导致馈线阻抗的变化，形成一定的驻波，因此带来的反射损耗也就增大;多线式馈线外导体只有4根铜包钢导线，对杂散辐射的抑制很有限。二是安全方面。由于建台年限过长和气候等特殊原因，馈线常年经受风雨侵蚀，造成馈线支架、导线老化、锈蚀，架空绝缘子脏污、碎裂，绝缘度下降;这些问题一方面对设备的指标产生影响，使播出质量下降。另一方面都对播出的安全性和完整性造成了极大的影响，导致播出事故增多。为避免以上影响，2019年，我台实施了中央台1035kHz馈线采用国产SDY-50-80软馈线进行改造，其中涉及馈线射频同轴电缆化、天调网络更换、同轴切换开关更换。

3.2 对天线调配网络的要求

全固态发射机对天线调配网络有严格的防雷适应性要求，天调网络必须具有新型防雷网络“三要素”要求的隔离电容C、μH级雷电接地泄放线圈和石墨放电球。827台两部铁塔新配置的天调网络如图1、2.

天调网络中添加它频阻塞和吸收网络的重要性：因为本台两部天线组成弱定向天线阵，两部天线互为无源反射，只有这样，接收端才能收到纯真的广播信号，如果在天调网络中，不加上述阻塞和吸收网络，由于本频在另外一幅天线上的感应信号与本频是不同相位的，这样本塔发射的信号会受到另塔感应信号的的干扰，影响收听的纯真度和声音的圆润度。石墨方电球的特性是，在放电球表面瞬间电弧击穿后能形成保护膜，且放电速度较传统的金属放电球放电速度快。大家知道，雷电90%的能量集中在10Khz左右，具有上述“三要素”的防雷天调网络足以泄放进入天调网络的雷电。根据《GB-50057-2010建筑物防雷设计规范》建议，铁塔的5层拉线接地体系已泄放了绝大部分雷电。

3.3 对地网的保护

理论上地网和天线长度是相等的，实际铺设的地网长度稍长于天线高度。这样才能形成稳定的空间辐射场，如电容电力线分布图所示，红色虚线代表的是地网正常时天线—地网板构成板电容形成的电力线，黑色实线是地网被破坏（缩短）后空间电力线分布。由图可见，地网被破坏缩短后，α1线向地面方向倾斜，辐射场向天线方向收缩。（α1（黑线）是地网正常时天線发射电磁波的仰角线向地面倾斜，α2是地网被破坏缩短后天线发射电磁波的仰角线）。

由以上分析，保护地网非常重要，随着《中华人民共和国广播电视法》的即将颁布，我们广播人将更有信心保护好地网。

4. 天馈线系统维护

雷雨天多巡查天线场区，查看地锚有无松动，拉锚螺丝有无松动，塔体的垂直度有无变化。

日常检修维护，一是高频馈缆定期充气，检查馈缆外皮与支撑架接触点是否有磨损。二是天调网络要经常保持干净，定期除尘。天调网络器件和支撑架上落尘，随着尘土的积累，附加潮湿的空气，网络器件的耐压降低，打火。

天馈线系统日常维护，切忌螺丝紧了又紧。当系统正常工作时，网络器件螺丝会随着工作温度的上升有轻度膨胀，停机检修时螺丝不能过度上紧，否则罗素在工作中会崩断，造成事故。

要经常保持天馈线系统阻抗和发射机出口阻抗匹配，用阻抗分析仪在发射机出口段调测天调网络阻抗是检修的常态工作。

参考文献：

[1]关继铭.中波广播发射天线的原理与维护[J].电脑知识与技术，2021，17（13）：44-45.

[2]栾永丽.论中波广播发射天线的原理及维护[J].数字通信世界，2020（09）：105-106.

[3]龚振和.中波广播发射天线原理及其维护[J].西部广播电视，2020（13）：222-223.