中波台站发射调频的天线设计

邹文婷

摘要：通过调频天线抗干扰性能设计，对发射天线进行方向性设计、多层多面的增益和波束下倾，可以增加大功率调频发射的覆盖效果。

關键词：频发射天线 优化设计 方向性 多层多面 波束下倾

根据省台指导和具体要求，中波台站需新增调频发射，因此，吉安八四一台新建设了调频发射的自立铁搭，增加50KW大功率调频发射天线。在该项目之前，我们成立了项目工艺小组，主要研究探讨了调频发射天线增加主城区覆盖效果的问题——调频发射天线优化设计。

发射天线方向性设计

理论上，单偶极子天线方向性函数

式

为水平方向性函数；Fv（Δ）=1为垂直方向性函数；l为振子总和长度；λ为波长；θ为方位角；Δ为俯仰角。

不同臂长l的偶极子天线水平方向性图如图1所示。

广播电视工程上振子臂长l的选择，要以获得较高的增益同时又满足水平全向性为原则，一般宜选l=（0.6～0.7）λ。实际使用的振子长度应当为谐振长度，一般振子实际长度l0=0.95l。

偶极子天线垂直方向性函数Fv（Δ）=1，这就是说偶极子天线垂直方向性图是关于振子轴线的旋转体。

多层多面与天线的增益

为了提高发射天线增益，实际都使用四面六层、四面八层的偶极板天线。每层由四块偶极板正装而成的天线阵俯视图如图2所示。

该天线阵在远区任一点P的水平场强EP（θ），根据矢量叠加原理：

式中Ai为第i副天线辐射场的相对振幅值；H（θ-εi）为单偶极板天线的水平方向性函数；εi为第i副天线主辐射方向与x轴正方向夹角；φH i为第i副天线以坐标轴原点为参考，由于波程差引起的空间相位角φH i=kRcos（θ-εi），R为原点到偶极子的距离；φK i为第i副天线输入端电流相位角，可以同层中任一副天线入口电流为参考，超前为正，滞后为负。

在计算图2所示的四面正装偶极板天线阵水平方向性函数时，考虑到反射板的作用以及几何对称性，实际上只需要计算偶极板A1，A2在第一象限的方向图即可，其余象限的方向图由此可以推出。

电流等幅同相馈电正装情况下，忽略f1（θ）的相位函数，式（4）可以简化成如下公式：

相对场强Ep（θ）的模（这里也是水平方向性函数之模）：

为了增强垂直方向图的方向性系数，提高增益，扩大覆盖面，如前所述，实际使用的四面八层偶极板天线，大大提高了天线增益。

波束下倾以提高主场强覆盖区

为了扩大广播电视覆盖面，通常借提高发射机功率、架设较高的发射天线的方法来实现，但是正如前所述，等幅同相馈电的多层偶极板天线是一个球形面，因此如果不作主波束下倾，在设计范围内的远区场主波束就不能与地面相切，辐射的能量相当一部分就会落在空中造成损失，这就是主波束下倾成伞状的原因。主波束下倾的角度算式：

式中θH为下倾角；HT为天线中心离地面高度。一般大功率台取θH≤3°，高山台则应大一些。

为了提高远区场接收场强，提高增益，在发射功率相同的情况下，工程上通常采用增加天线层数的方法来解决。然而天线层数越多，虽然方向性系数提高，但垂直方向性图主瓣就越窄，副瓣也随之增加，零点增多。由此而来在发射台周围形成的零辐射带越多。因而零点填充也是设计多层发射天线必须考虑的问题之一。

关于波束下倾和零点填充的方法很多，但效果比较理想又便于安装调试的方法通常是等幅不等相馈电法和机械下倾法。

等幅不等相馈电法，给偶极板天线的各层馈以等幅不等相电流，可以调整垂直方向性图主辐射方向。但是，正如前所述，要使主波束下倾，总体来说就必须使β<0，也就是说应当使较上层天线电流相位超前，下层滞后。可见，主波束下倾的幅度比较显著。另外，用这种等幅等相位差的方法尽管能够填充等幅等相馈电的第一、第二零点，但是它会产生新的零点。因此工程上常常采用不等相位差的方法来实现波束下倾和零点填充。

机械波束下倾，这种方法在广播电视工程上用得比较多。即在偶极板装配过程中，使用机械方法，将上一、二层偶极板向下倾斜，使得倾斜板的主辐射方向与水平方向形成一个负的夹角δ。

四层双偶极板调频天线，等幅同相馈电，设计中心频率f=100 MHz（λ=3 m），振子间距d=λ/2，层高2d=λ，最高一层偶极板作δ=15°机械下倾，略去层间间隔。

实例说明，机械下倾可以实现波束下倾，但是不能形成比较大的下倾角，同时也会引起主辐射方向增益下降，而零点填充的幅度比较大。

2016年初，吉安八四一台按要求的50KW大调频发射天线安装完毕，通过参数测试和实际覆盖场强测试，满足国标甲级要求，在80公里有效覆盖圈内收听清晰，取得了非常良好的覆盖效果。

（作者单位：吉安八四一台）