曲线式中波小天线与接地式自立中波天线的工作原理特点及天调阻抗匹配与多频共塔

韩禄嘉

【摘要】随着我国经济快速的发展，土地日益稀少，原先处于郊外的中波台站也逐渐被许多建筑和厂矿包围，中波天线场区逐步遭到蚕食，发射环境进一步恶化，地网破坏严重，中波覆盖越来越差。如何在现有的条件下，减少传统中波天线的占地面积，提高发射效果，实现一塔多频更好的为我国的经济建设服务。由于调幅广播（AM）和调频广播（FM）在无线电频率中所处的频段不同，其发射方式存在较大的差异，形成两套截然不同的发射系统，不能做到资源共享。随着广播技术水平的日益提高，通过计算机仿真技术，利用曲线式中波小天线和接地式自立塔中波天线进行改造，从而为中波调频兼容播出提供了可靠地技术支撑。

【关键词】曲线式中波小天线;接地式自立塔中波天线;三频共塔

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                    DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.08.01

1. 曲线式小天线

1.1 曲线式小天线采取的技术和理论

a、馈电采取单极的非平衡馈电，解决了中波小天线实现双频共塔的难题;网络采用阻塞、陷波、并谐匹配等复合技术。

b、利用非传统的天线调配网络，使天线的带宽得以展宽，带外衰减大大提高，有效防止了本台或临近其它频率之间的相互串扰，也可省去传统的陷波网络;同时使天线端与发射机之间形成物理隔离，并形成多次防雷接地，大大提高了发射机的防雷效果。

c、该型天线是在传统拉线式中波天线的基础上，根据缩短型中波小天线的理论研制而成。

1.2 曲线式中波小天线的特点

中波小天线采用了实用的自立式钢塔结构，可依据我国各地的地理及气候条件因地制宜设计中波塔的抗风抗震强度。塔身为自立式钢塔结构，无拉线，结构稳定、造型美观;具有以下特点：

a、根据频率选定塔身高度，天线的高度范围在1/8λ-1/12λ之间，无需铺设传统天线式的大型地网，占用土地面积小（50-100平方米）。

b、天线顶端振子形状可根据用户需要选用直锥形、曲线锥形和高斯曲线锥形等三种形式，可使天线同周围建筑物相互协调，个性而美观。此外，增加了天线技术指标的先进性和设备性能的稳定性，温度适应范围在-40℃+50℃。

1.3 曲线式中波小天线工作原理

缩短型曲线式中波小天线是在传统λ/4拉线塔的基础上演变而来，通过增加振子直径和曲线加顶使得天线高度缩短，加顶的方式提高了天线电流波幅点的位置高度从而有效降低天线高度，提高了增益。天线上部顶振子做成指数曲线或高斯曲线锥体，其等效电路仍是一种串联谐振电路（如图1），天线结构如图2所示：

天线由曲线锥形振子A和电感塔身L以及接地板B和馈电箱K组成。曲线锥体振子由金属导体制成，直径为10米。L设计为钢塔结构，接地板B采用10×10米金属板或网焊接而成。锥形振子由钢塔及玻璃钢支撑，并通过特制馈电箱单极馈电。

该天线为非平衡馈电，电流经由天线振子与其镜象形成对称曲线振子分布，在空间辐射能量。由于接地网集中做成较小的接地板，从而使天线占地面积缩小到约50-100米2，从而实现天线的小型化。

天线为垂直极化天线，主要辐射地波。

1.4 曲线式中波小天线辐射场形

天线是由振子与其镜像在空间形成辐射，可以通过计算机软件建立天线模型来分析天线的阻抗和辐射场形。以48米天线模型结构为例，计算的天线辐射场形的三维图形如图3：

在较良好地面情况下，典型的水平辐射场形和垂直辐射场形的方向性图如图4：

实际计算结果表明：天线的辐射场形图与传统拉线塔天线基本一致，天线增益相当。

通过计算，当地面导电率较低、地电阻较高时，天线的垂直场形主波束同样将上翘。较差土壤电阻率地区上翘倾角甚至可达二十余度，海水地面及盐碱湿地约有6?以上。此时天线地面增益将有所降低（如下图所示），因此采取措施控制垂直场形上翘，能有效提高天线辐射效果。

1.5 48米曲线式中波小天线参数

规格：48米

型号：LFT ZB-S/48

工作频率：603kHz

功率容量：10kw

驻波比：VSWR≤1.20（载频驻波比：VSWR≤1.05）

传输带宽：>9KHz

输入阻抗：50Ω

天线增益：>3dBi（与传统76米拉线天线相当）

方向性：全向

极化方式，垂直极化

抗风强度：12级

抗震烈度：8度

接口：IF70

主馈线：10kw节目采用地埋 HHTAY-50-42电缆

2. 接地式自立塔中波天线

2.1 接地式自立塔中波天线的特点

该天线设计为中波与调频广播及电视共用发射塔，即在中波发射天线塔上还可以安装其他调频广播及数字电视天线系统。天线通过计算机建模计算。

天线主体采用自立塔结构，塔体主材直接接地而无绝缘座子，因而结构十分穩定，比起其他天线增强了天线的抗风、裹冰能力。由于采取了天线直接接地，从而使得调频、电视天线安装在中波塔体上共同使用成为可能，也增加了天线的利用效能。

天线使用频段为531-1602kHz，功率1-200kw，其辐射效果和同等高度传统拉线式中波天线相近。F1FE5913-3AD1-4A50-9F86-65BD14EBA964

天线为四边形自立接地式中波铁塔结构（单线图附后）。顶部有3米避雷针，避雷针下面为桅杆，可安装垂直极化分米波数字电视天线，桅杆下边是2.5米边宽的正方形方塔，直线段可安装二偶极子反射板调频天线（塔身安装调频天线在重庆已有应用）。在直线段下方建有一小平台，平台下面是四边形梯形铁塔，铁塔与地基础直接连接，防雷效果较好，可抗12级风力（也可根据当地条件设计铁塔结构以达到更高抗风能力要求）。

中间平台是中波的馈电点，均布4-12根馈电线，匹配网络输出的功率信号经馈电线接到平台上实现馈电。

中波发射塔地网半径50-80米，应保证与高频地良好连接。

接地自立式中波天线的优点如下：

a、中波天线发射塔可同时实现中波、调频、电视同塔发射，而且中波频段内可实现双频或三频共塔发射，这样充分利用高塔的有效资源。b、中波塔可建在山岗上。由于山岗上地势较高，有助中波的辐射，同时更有利于调频和电视的覆盖。

天线采用了实用的自立式钢塔结构，可依据我国各地的地理及气候条件因地制宜设计中波塔的抗风抗震强度。塔身为自立式钢塔结构，无拉线，维护简单;

馈电采取非平衡馈电，网络采用阻塞、陷波、并谐匹配等复合技术，保证了天线技术指标的先进性和设备性能的稳定性，温度适应范围在-40℃+80℃。利用非传统天线的电磁耦合双并联谐振回路调配网络，使天线的带宽得以展宽，带外衰减大大提高，有效防止了本台或邻近其它台的频率之间的相互串扰。这种新技术使天线端与发射机之间形成物理隔离，可大大提高了发射机的防雷效果

2.2 接地式自立中波天线工作原理

接地自立式中波天线馈电改变了以往底部绝缘的串联馈电方式，采用了并联馈电，天線塔体直接与地连接，可增强发射设备防雷效果，提高天线抗震抗风荷载能力，并能够在本天线上安装调频、数字电视等其它频段的天线系统，增加天线的利用价值。天线由塔体、接地网和并联馈电线组成，其3D模拟辐射效果及馈电原理如图5.

上面图1中并联馈电点取合适的高度时，L2与C1谐振对f0呈现较高阻抗，此时天线有最大辐射效率，C0与L0、L1等谐振在工作频率上，R0为地损耗。

该天线的辐射塔体与其镜象形成对称振子，在空间辐射能量。

天线为垂直极化天线，主要辐射地波。

接地网的好坏和大地介质也会影响天线的效率。

2.3接地式自立中波天线辐射场形

天线可以看成是由振子与其镜像在空间形成辐射，通过HFFS和CST计算机软件建立天线模型来分析天线的阻抗和辐射场形。以下是100米铁塔材质天线模型计算出的一个实际条件下的三维场形图如图6：

在较良地面情况下的典型天线水平辐射和垂直辐射方向性图如图7：

当地土壤电阻率较低、接地电阻较高时，天线垂直场形的波束同样将上翘。因此，做好地网能有效提高天线辐射效果。

2.4 100米中波接地式自立天线参数

规格：100米

型号：LFT ZB-JDZL/100

工作频率：657kHz（25kw）+792kHz（50kw）+1332kHz（10kw）

功率容量：100kw

驻波比：VSWR≤1.20（载频驻波比：VSWR≤1.05）

传输带宽：单频使用>18KHz、多频共塔使用>9KHz

输入阻抗：50Ω

天线增益：>3dBi（与传统76米拉线塔相当）

方向性：全向

极化方式，垂直极化

抗风强度：12级

抗震烈度：8度

接口：IF110

主馈线：新增50kw节目采用地埋SDY-50-80电缆

3. 天线阻抗匹配及多频共塔

3.1 天线阻抗匹配

天线匹配采用电磁耦合双并联谐振回路网络，将具有更好的频率宽带特性和更大的带外抑制，以及更有效的防雷效果。本网络防雷可认为有5级设防。L1、L3、L4为微亨级的电感线圈将雷电流直接接地，C1以及耦合线圈M隔直，可有效避免雷电流直接进入发射机。由于双谐振网络带外抑制度较好，可有效抑制邻频干扰，因此一般情况下在网络中无需再加装抑制邻频的吸收陷波网络。本方案48米小天线采用电磁耦合双并联谐振回路网络;100米接地式自立天线采用三频共塔匹配网络，其阻塞网络采取复合并联谐振网络可减少插入损耗和避免损失频率带宽。

3.2 调幅（AM）及调频（FM）的特点理论

中波广播频率位于无线电频率的较低频段，其频率范围为（5312KHz-1602KHz），其传播方式为地面传播。天线系统由铁塔和地网组成，铁塔作为信号的辐射体，依照信号波长的不同而有不同的设计。调频频率工作在甚高频（VHF）的中低端，其频率范围是（87.5MHz-107.5MHz），主要以空间波传播，其服务范围受架设高度的影响。为扩大服务范围，一般调频天线要架设在高大建筑物的顶端或调频发射塔上。

3.3中波与调频兼容发射应该解决的问题

做好调频信号屏蔽减少相互干扰，信号串扰的隔离;并联馈线回路要求;串联馈线需提供交流接地与直流接地。

参考文献：

[1]钢结构设计规范（GBJ17-88）

[2]高耸结构设计规范（GBJ135-90）

[3]中短波天馈线运行维护规程（GY-T178-2001）

[4]中短波广播效果监测技术规程（GY-T176-2001）

[5]成都凌风天线公司中波天线生产暂行办法（LFG/2005-4）

[6]中波新型天线的技术分析F1FE5913-3AD1-4A50-9F86-65BD14EBA964