中波天线的建设

张曙光

（黑龙江省新闻出版广电局803台，黑龙江 哈尔滨 150300）

0 引 言

中波广播发射天线系统作为中波广播发射系统的重要组成部分，其工作性能决定了广播发射的覆盖效果、播出质量及稳定性。中波的传播方式主要靠地面波进行传播。考虑到地面波的传播属于垂直极化波，所以发射中波的天线基本采用垂直方向天线。同时，为了提高传输效率，减小大地的吸收损耗，铺设地网是中波天线的一个重要环节。

1 主体天线

中波使用的发射天线符合能量转换装置的基本原理，能够将发射机输出的高频电流信号的能量转变成传输电磁波的全部能量，并把电磁波沿空间的任意方向辐射出去，且可以实现定向发射[1]。

目前，符合标准的已建中波的发射台，它们的发射天线中含有对地绝缘的铁塔。相对于地面绝缘的铁塔天线，其天线高度是依据工作频率计算的。天线的物理尺寸符合0.53λ时，可以使天线的效率达到最好值。也就是说，0.53λ应为发射天线的最理想高度。然而，实际建设中，中波广播有低频和高频共同作用。高频段时，这个长度可以很好地应用；低频段时，考虑到场地限制和资金制约，基本采用1/4λ的长度来建设天线。

对于新建的中波发射台站，影响天线的两个原因是天线的物理尺寸和天线需要架设的位置[2]。现有的中波发射台可能需要架设几个天线，若使用单桅杆的非定向辐射天线，天线相互间的距离需要大于λ，以有效避免相互干扰。如果发射频率较多，可以采用双频共塔或者三频共塔的方式进行发射。

沿地面方向传播的无线电磁波（即地面波），水平极化的电磁波损耗要大于垂直极化的电磁波。考虑到这个因素，目前中波天线一般都采用垂直天线，以便能够获得垂直极化的电磁波。

现在已使用的中波发射天线主要有以下四类：

（1）桅杆天线即底部四周用拉线进行斜拉固定的天线，在天线底部有绝缘子和地面隔离。

（2）常见的细截面的垂直天线主要有倒L型和T型两种结构的天线。

（4）自立铁塔式天线。在铁塔底部由接地和绝缘两种形式，这两种形式采用并馈式。

这四类天线各有特点，以下将进行简要分析。

（1）桅杆类天线一般是由具有底部绝缘性能的拉绳对桅杆固定，而钢丝绳通常会对天线产生一定的电气影响。用若干个绝缘子将拉线钢丝绳分成数段，彼此隔开。这种带有绝缘性质的拉绳铁塔类天线最初使用于20世纪30年代。这类天线结构特殊，天线高度与工作波长的关系为观察天线的特性阻抗图，在频率低于810 kHz和功率达到100～200 kW时，可以改变塔的高度和塔的宽度，从而调整输入阻抗，获得合理的输入电压和输入电流，实现符合实际需要的发射。除了调整输入阻抗外，还需在以铁塔为中心的下方距离地面50 cm左右铺设环状地网，大约一周用60～120根不等，每根铜线的长度一般与工作波长的关系为0.3λ～0.5λ，以获得较高的辐射效率和良好的环状辐射图形。

这种拉线塔不仅可以实现大功率发射需要，还能够实现双频或三频共塔工作发射。但是，共塔使用频率愈多，整个网络的损耗就会愈大，发射机的实际发射效果就会愈差。对于大功率（100～2 000 kW）、高频率（1 008～1 602 kHz）发射，需改变塔高和调整塔宽，即适当减少塔高并增加塔的宽度，可以改变输入阻抗。当输入阻抗适当降低时，就可以使输入电压与输入电流达到一个合理值。输入电流和输入电压达到一定的合理值，就可以实现符合实际需要的发射。

如果有中小功率等级在低频段使用拉绳铁塔时，一般考虑成本因素，建设塔高满足H≤λ/4。但是，这类天线的输入阻抗的电阻会相应变小，容抗相应变大，天线的实际辐射效率降低，工作的频带宽度变窄。因此，可以采用相应的补救措施，将天线顶部的负荷增加一个天线的有效高度，以增加天线的辐射阻抗，提高天线的实际辐射效率。一般顶负荷的拉线分布角度是120°，长度要小于塔高的1/2。

（2）细截面的垂直类天线是由一根或多根铜导线通过缠绕绞合组成的一类天线。这类天线通常悬挂于两个绝缘的支撑物之间。支撑物一般采取木杆或者带有绝缘的钢性支架结构。在天线导体内形成的电流分布场，一般表现为正弦分布图。这类天线主要应用于小功率发射。

（3）现在小中波的发射天线国内多数采用锥面顶负荷类的小天线，天线底部中心一般设有高频接地井，并铺设一圈环形辐射状的短地网，长度一般不超过15 m。

（4）使用较早的自立塔一般悬挂倒L型和T型天线，后来随之演变出了底部接地1/4λ馈电和底部绝缘的并馈式使用自立塔。这种设计可以获得良好的辐射图形和较高的辐射效率，还可以适当减少拉绳需占用的空间和对拉线的维护工作量，也减少了因拉线绳故障带来的铁塔风险。但是，这种铁塔存在绝缘和高度矛盾，一般当塔高在130 m以下、频率低于810 kHz时，相应的特性阻抗偏低，输入电流过大，天线的损耗增加，因此不利于大功率发射需要。对于大于810 kHz的频点，可以通过调整塔高来改变发射大功率的需要。

2 铺设地网

中波发射天线的效率问题不仅与天线塔体本身有关，还有地损有关。中波发射天线整个系统由铁塔塔体和接地系统组成，即经常提到的地网。中波发射天线铺设的地网可以使天线系统内的电流形成一个良好的回路，即提供一个直接流向天线底部的回路。铺设一个中波天线的地网是一个至关重要的问题。当电流绕行一周通过大地绕回到天线底部时，发射能量产生的损耗要比电流在导体内和绝缘子产生的介电损耗大很多，即地损耗。地损耗大部分集中产生在天线塔基座的附近。设计、铺设一个合格的地网，就能够减少地损耗，提高中波天线的效率，实现覆盖面积的扩大。

首先讨论中波发射天线的效率问题，即在发射天线底部的半个波长范围内来讨论。当讨论的距离超过半个波长时，属于辐射外场，此时的地损耗已归属于电波传输损耗，不属于天线的效率问题。目前，已知影响中波发射天线效率的因素主要有三个方面：①导体内产生的损耗；②绝缘子产生的介质损耗；③地损耗。理论和实践证明，导体内产生的损耗相对较小，绝缘子内产生的介质损耗也很小。可见，影响天线效率的一个最主要因素是地损耗。

如果以天线所在位置为中心，在地面与天线距离为y1的场域中，可以计算这片大地的理论功率损耗为：

式中的电流密度J为地电流密度，有：

于是，有：

损耗电阻计算式为：

如果以天线底部位置为中心，依据《广播电视工程建设规范》中的相关规定，需铺设一沿半径方向均匀分布的贯穿径向的地网，则在整个地网半径范围内的总耗损计算为：

其中，N记为地网的根数，μ记为区域的导磁率，Iy记为一个径向的电流，Ib记为天线底部的电流，a为天线底部的接地棒的半径。由于存在地损耗的因素，发射天线效率的计算表达式为：

其中，Rb表示天线的底部或者电流波腹点处的辐射电阻值，RL表示大地地损耗的电阻。

从式（6）可以看到，ηb取决于的值的大小。比如，在实测得到天线塔底部位置阻抗的实部为24 Ω，其中地损耗电阻RL≈2.4Ω，则可计算天线的效率约为ηb=91%。总之，天线的辐射电阻Rb值变得愈大，地损耗电阻RL变得越小，那么天线的效率将会越高。

式中，相位常数β=ω/c =2π，欧拉常数E=0.577 21。

可以看出，如果天线的高度已经确定，Rb的值也就随之确定，所以有：

其中，N记为地网的根数，μ记为区域的导磁率，Iy记为一个径向的电流，Ib记为天线底部的电流，a为天线底部的接地棒的半径。

可以看出，当其他条件确定时，要减少R1,就要在接地系统上通过增加地网线的条数或者加长接地棒的有效半径来减小地损耗。

铺设地网时，地网导线条数与每条导线长度关系如表1所示。

表1 地网导线条数与每条导线长度关系

“地网导线的实际埋设深度，一般取大于或者等于30 cm，在土质较为松软的土地上，可以适当加深到50～60 cm，但原则上需在以桅杆中心位置向外0.1λ范围以内，应该铺设30 cm深。

在地网设计和施工中，应该注意：

（1）应以塔基所在位置为中心，铺设环状辐射地网；

（2）地网条数为标准的120条，均匀铺设，导线使用材料为硬质铜线，导线长度最好为半波长，且将所有铜导线的终端用粗铜导线连接到一起；

（3）在天线的底座处需要做铜带屏蔽层，地网导线起始端应与屏蔽铜带相连接；

（4）在天线基础的底部需要砸入一根较粗的接地铜棒，铜棒下端深度要距离地面超过5 m。