并馈式自立中波天线的原理及应用

张富强

(忻州中波转播台，山西 忻州 034000)

0 引言

忻州中波转播台原有一座拉线式天线，发射中国之声、山西新闻综合广播、山西农村广播三个频率信号。2018年8月台址搬迁，设计用原拉线式天线发射中国之声信号，频率为540 kHz，功率为1 kW；同时，自建一座并馈式自立中波天线，双频共塔发射山西新闻综合广播和山西农村广播信号，频率分别为1 269 kHz、1 008 kHz，功率均为10 kW。

新建发射场地南北宽180 m，东西长230 m。因两座天线铁塔距离不能太近，因此选择在东西方向立塔。西边建设拉线式天线铁塔，距西边界53 m；东边建设并馈式自立中波天线铁塔，距东边界53 m。两塔之间相距124 m，减小互相干扰。

1 并馈式自立中波天线的优点

并馈式自立中波天线近年来得到普遍运用。与传统的底部绝缘拉线天线相比，主要有以下优点：

1) 并馈式自立中波天线铁塔直接接地，雷电不会侵入发射机，不会损坏发射设备；

2) 取消了绝缘拉绳，大大节省了占地面积，由于没有拉线，发射台更美观，同时对周围环境影响较小；

3) 可以承受大功率、可以多频工作；

4) 可以在并馈式自立中波天线铁塔上安装微波天线，提高经济效益。

2 并馈式自立中波天线的结构

忻州中波转播台并馈式自立中波天线高100 m，铁塔底部为边长16 m的正方形结构，铁塔架体为钢管塔接式、金字塔结构，从上往下有三个维修平台。

天线平台三高度为40 m，平台与塔身电气接触良好，从平台三向四周引下12根铜包钢绞线，下端与地通过绝缘子连接，保证与地良好绝缘。铜绞线水平集中于塔中心的连接铜盘A点，通过连接铜管与调配网络连接，如图1所示。

图1 并馈式自立中波天线示意截图

地网与拉线式中波天线相同，以铁塔为中心，每隔3°成辐射状埋设120根铜质地网线，塔基接地与机房接地装置焊接。

3 并馈式自立中波天线的原理

并馈式自立中波天线是一种新的发射方式，其实质是高频能量通过一个并联电抗去激励天线，虽然天线直流接地，但天线对高频不接地。原理如图2所示，A点为调配室输出端，C点为自立塔中部馈电平台，D点为自立塔顶端，E点为自立塔底部地网位置。由调配室输出的高频电流i流至中部馈电平台C点时，分i1和i2两路，i1流向自立塔顶部D点，形成了高度为H的ACD辐射天线体，i2流向自立塔底部地网E，形成了高度为h的CE接地线，该接地线的输入阻抗为：Zin=R+jXL。

当中部馈电平台高度h=λ/4时，对于天线而言，正好处于天线驻点端，CE接地线输入阻抗Zin=∞，因此i2=0，高频调幅能量经ACD形成天线体向外辐射。

当中部馈电平台高度h≠λ/4时，CE接地线输入阻抗Zin为纯电抗，此时i2≠0,通过CE流入大地。对于高频调幅能量来说，此时的Zin无损耗，但是会影响天线的整体辐射效率。因此，中部馈电平台的高度h原则上应设计为载波频率的四分之一波长处[1]。

图2 并馈式自立中波天线原理图

4 并馈式自立中波天线的调配网络设计

并馈式自立中波天线的双频共塔调配网络由预调网络、阻塞网络、匹配网络三部分构成[2]，如图3所示。

图3 双频共塔调配网络框图

4.1 预调网络

以忻州中波转播台为例，并馈式中波自立天线铁塔架设完成后，实测1 008 kHz信号的天线输入阻抗ZA1=32+j129Ω，1 269 kHz信号的天线输入阻抗ZA2=381.5+j370.1Ω，两个频率天线输入阻抗相差太大。当共塔工作的两个频率的输入阻抗模值相等时，两个阻塞网络的视在功率最小。为了减小两个频率天线输入阻抗模值，需要在天线底部加预调网络。

串联的X01和并联的X02构成预调网络。串联的X01调整输入阻抗的实部，并联的X02调整输入阻抗的虚部。以忻州中波转播台的预调网络为例，1 008 kHz 的天线阻抗ZA1=32+j129Ω串联1 008 kHz对X01元件所得的阻抗 X011后，和1 008 kHz对X02元件所得的阻抗X021并联，得到并化串阻抗；与1 269 kHz的天线阻抗ZA2=381.5+j370.1Ω串联1 269 kHz对X01元件所得阻抗X012后，和1 269 kHz对X02元件所得阻抗X022并联，得到的并化串阻抗实部相等，虚部也相等，建立等式方程，解得X01元件为4μH，X02元件为530pf。即X01元件选用4μH的电感，X02元件选用530pf电容时，两个频率的输入阻抗模值相等。

在实际应用中，两输入阻抗接近即可，元件过多易造成不稳定，因此X01元件为4μH可以不考虑；选取电容时尽可能使用网络中使用的同型号电容，达到内压相同，同一电压下内部电流相同，因此并联的X02元件选取电容C0为500pf。

当并入电容C0为500pf时，经计算得，ZB1阻抗为89+j203Ω，ZB2阻抗为148-j296Ω。

4.2 阻塞网络

阻塞网络一般采用LC并联谐振电路，串接在本频的天调网络里，对他频进行阻塞。由于并联谐振电路在谐振频率附近的等效阻抗很大，把并联谐振电路串接在天调网络的串臂上，使谐振频率等于需要抑制的高频回馈频率，他频信号就被并联谐振的高阻抗阻止，不能通过匹配网络和馈线进入本频发射机。

阻塞网络阻抗品质因数Q的大小，一般设定为数十量级。选取阻塞网络品质因数Q为40；根据有关资料和实践证明，若阻塞阻抗Z0对其边带呈现的阻抗在5 kΩ以上时，就不会出现交叉调制和特性变坏等问题，因此Z0选取5kΩ；ω为需要阻塞频率540 kHz，代入公式，得：

(1)

确定阻塞网络L1的电感值为43.4μH，电容C1为2000pf，根据并联电路电抗的倒数等于每个支路电抗的倒数之和，可得并联电抗值为-j111Ω。由此得ZC1为89+j92Ω。

4.3 匹配网络

γ型网络结构简单，容易达到天线实部电阻Ra调配和抵消虚部电抗，是天线常用的匹配网络。当天线实部Ra

(2)

当天线实部Ra>Zc时，选用倒γ型，倒γ型网络公式为：

(3)

以1 008 kHz与发射机的匹配网络为例分析，在ZE1节点处得到的节点阻抗为89+j136Ω，因为天线实部为89Ω>50Ω，选用倒г型网络公式计算，其中Ra为89Ω，Xa为136Ω，Zc为50Ω，带入公式(3)得：

(4)

(5)

若选择X1为电感，X2为电容，X1取+111Ω，X2取-79Ω，组成倒γ型匹配网络，如图4所示。

图4 倒γ型匹配网络图

根据XL=ωL，XC=1/ωC，得电感L4为17.4μH，电容C4为2000pf。

4.4 其余匹配和阻塞网络电容、电感值确定

根据以上公式分别确定1 269 kHz、1 008 kHz匹配网络和阻塞网络的电容、电感值，计算结果见表1。最终实现双频共塔网络结构如图5所示。

表1 双频共塔设计各点的阻抗值

图5 双频共塔网络图

5 总结

网络安装完成后，用网络分析仪根据表1数值，从天线端逐步向前调整，使发射机和天调网络匹配。然后开启一部发射机，在另一部发射机上根据反射功率的大小调节阻塞网络，使反射功率最小。调整了阻塞网络后，需重新微调匹配网络。反复调试后，两机同时开启。试运行72 h，对双频共塔的两部发射机技术指标进行测试，全部技术指标均达到甲级机的标准。

忻州中波广播台并馈式自立中波天线运行几个月来，工作稳定，性能良好。