广播电视发射天线技术及其应用研究

刘嘉

（烟台广播电视台，山东烟台 264000）

0.引言

伴随着国民经济的快速发展以及科学技术的飞速进步，广播电视发射天线在各方面不断地完善和更新，进一步推动了广播电视技术的提升。然而天线的实际运用和维护中，还是会受到地形、天气、电磁干扰等不同因素的干扰，从而影响广播电视的播出效果。烟台广播电视台电视发射台是一座调频与电视发射台，本文从调频与电视发射入手，从台站的实际出发，重点分析调频与电视发射技术发射天线原理及其应用。

1.广播电视天线发射的概述

1.1 广播电视天线发射的原理

广播电视发射原理可以简单的归纳为：在发射机部分，广播电视信号经发射机激励器调制成高频电流能量，再经过功放的再放大，最后经馈线送至相应的发射天线。发射天线将上高频已调电流（或导波能量）转换成空间自由传播的电磁波能量，并将电磁波辐射到规划接受方向。相反，在接收端，接受设备通过接收天线，将无线电波的能量转换为高频电流，然后进行信号解码与播放[1]。

广播电视发射天线的功能其实就是将各类发射机输出的高频电能转换成向空间辐射的电磁波能量，并按技术规范对服务区提供符合场强标准的有效覆盖。在发射台发射塔和天线都是基础性的关键设备。发射塔的作用是提高天线的高度，在基建或改扩建时发射塔和天线规划的合理与否，采用设备质量的好坏，安装工艺是否专业，设备运行维护是否及时完善，都直接影响广播电视安全优质播出。

1.2 调频与电视广播的有关技术政策

我国的调频与电视广播是由中央、省（自治区，直辖市）、市（地、州、盟）和县（旗）电视台开办的电视和调频广播节目组成四级混合覆盖网，以保证全国95%以上的人口能够看好电视、听好广播。

在国家无线电管理委员会划分给调频与电视广播使用的频段内，电视米波频段48.5MHz～223MHz内设置了12个频道，也称为VHF频段。电视分米波段470MHz～960MHz内设置了56个频道，也称为UHF频段。并规定了各电视频道图象载频和伴音载频的频率。在VHF频段内，包含了调频广播的频段，在UHF频段中包含了与其他行业合用的部分。

我国的彩色电视每个电视频道的必要带宽为8MHz；其中图象带宽为6MHz；伴音载频与图象载频相距6.5MHz。彩色电视的发射，图象采用调幅方式，伴音采用调频方式。图象信号与伴音信号的载波功率比为10：1。我国的调频广播频段为87MHz～108MHz，每个频道的必要带宽为200kHz，频道间隔为100kHz的整数倍，共210个频道，采用频率复用制[2]。

1.3 调频与电视广播的视距传播

地面电视与调频广播频段的频率范围在48.5MHz～960MHz，在无线电波的频谱中属于超短波范围。超短波传播的特点：（1）因其频率高、波长短，地波的衰减很大，电波穿入电离层又不能反射回地面，因此地波和天波都不能利用，而主要靠距地面10km以内的、由直射波和地面反射波组成的空间波传播。（2）具有几何光学的性质，视线所及的地方，电波才能达到，在视距范围内可以稳定接收，因此也称为视距波传播。（3）因电波离地面较近，受地球曲率的影响，传播距离不远一般只有几十公里，为了扩大服务范围天线需要架高。但是，天线的高度主要根据服务区的大小来确定，增加天线的离地高度，远区的场强增加，天线附近的区域场强要减小。服务区通常以视线距离为限，视线距离与接收和发射天线的关系：

设发射天线架高为h1、接收天线架高为h2，由于地球曲率的影响，当2根天线A、B间的距离r＜rv时，2根天线互相“看得见”；当r＞rv时，2根天线互相“看不见”，距离rv为收、发天线高度分别为h2和h1时的视线极限距离，简称视距。a为地球半径，可推出关系式:

将地球半径a=6.371×106m代入上式，即有

式中，单位为m。

视距传播时，电波是地球表面传播受到各种因素的影响，电波产生折射与衰减，并不能达到公式的理想状态。当考虑大气等现实因素的影响，经过实际测算，视距公式应修正为：

2.调频与电视广播常用天线

2.1 数字电视发射天线

现阶段我国模拟电视基本全部关停，电视发射以数字地面电视为主，电视发射天线以数字电视发射天线进行介绍。其中数字电视发射天线常用的主要有UHF四偶极子天线、UHF一体型垂直极化发射天线和UHF缝隙天线。

2.1.1 UHF四偶极子天线

天线采用蝶幅式金属振子将4个振子整合在一个反射板上，并采用大功率同轴馈电方式供电，以满足数字地面电视发射峰值功率大的特点。馈电内导体及振子采用先进的技术工艺，反射板采不锈钢材料，馈电保护外罩采用玻璃纤维树脂，天线具有一致性强度、馈电损耗小、密封性能好、频带宽等特点。馈电系统天线单板增益要大于12dBd，驻波比小于1.10。此天线既可用于UHF频段，也可用于数字电视广播，如图1所示。

图1 四偶极子天线

2.1.2 UHF缝隙天线

缝隙天线是由谐振腔体和防护外罩组成，矩形谐振腔的宽边开有若干个缝隙，缝隙的多少决定天线的增益。在轴线方向上2层缝隙之间的距离约一个波长，每个缝隙的长度也将近一个波长，理论计算时按照一个波长计算。每个缝隙的馈电是靠电感或电容耦合的，通过调整每个缝隙的谐振幅度的均衡从而获得天线的最大增益。缝隙天线的馈电系统容于天线腔体的内部，因此天线的馈电接头少，馈电紧凑，小型化，馈电损耗低，加上馈电系统全部密封在天线罩内，因此，天线具有紧凑，密封性强，稳定性高等特点，如图2所示。

图2 缝隙天线

2.1.3 UHF一体型垂直极化发射天线

一体型垂直极化发射天线是为适应现阶段数字电视发射的特点，将振子等发射元件整合在绝缘玻璃钢防水罩里的垂直极化的发射天线，它具有安装简单，占用空间小等特点，如图3所示。

图3 一体化垂直极化天线

2.2 调频广播发射天线

2.2.1 双偶极子调频广播发射天线

双偶极子天线由2对阵子组成，每对阵子约为波长的一半，即天线长度为半波波长。可以称为半波阵子天线。双偶极子天线的振子可水平极化，也可垂直极化。它的方向以馈电点为对称，半波振子的中心为馈电点，阻抗为纯电阻，约50Ω，如图4所示[4]。

图4 双偶极子调频发射天线

双偶极子天线有2个特点：一是天线结构简单合理，无任何多余元件，有较高的机械强度和稳定性，标准化天线，无需调试，安装简单。二是宽频带，驻波比小，天线的驻波比S≤1.10的范围覆盖了调频87.5MHz～108MHz所有带宽内，常用于多工器的多天线天馈线系统。天线组成天线阵时，通过相位补偿馈电，天线的驻波比还能做得更低，在实际运用中，4层4面和4层6面比较常用，其中，4层4面宽带二偶极子反射板天线系统在87.5MHz～108MHz频率范围内，反射损耗L≤-30dB（即驻波比S≤1.06），因此成为调频广播发射系统最常用的天线形式。

2.2.2 单偶极子调频广播发射天线

单偶极子发射天线顾名思义就是单个阵子组成。单偶极子天线的振子大部分为垂直位置，由于铁塔的反射，方向性较双偶极子天线更为明确，一般用于特定方向上的发射，4面的单偶极子发射天线也可以作为全方向发射，是双偶极子天线的补充，如图5所示。

图5 双偶极子调频发射天线

3.天线常见的问题及应对措施

广播电视发射天线技术的应用为为广播电视安全优质播出提供了重要保障，天线质量、安装以及运行维护的好坏，直接影响广播电视节目传输的强度和质量。所以，在日常工作中，广播电视发射天线运行和维护显得尤为重要。但是由于发射塔的高空作业影响，天馈线的维护存在一定的困难，而在实际的广播电视发射天线技术维护的过程中存在着一些普遍存在的问题和故障，检测广播电视发射天线维护的好坏，判断广播电视发射天线的是否有正常，都有一定的经验和积累。天馈线的好坏可以通过天线参数进行计算，然后根据结果进行相应的判断。下面我们就根据平常天线发射维护工作中常见的故障进行详细阐述和讲解，对广播电视天馈线维护和故障判断提供一些帮助。

3.1 进水故障

由于天馈线在室外，其最常见的故障就是进水。表现为雨雪天气后发射机工作不稳定，输出功率下降，有时会因为反射大而烧毁吸收负载。其中主功分器、分馈线、主馈管、发射天线等各接头都很容易进水。而进水的主要原因是接头、馈电点密封胶老化、密封不严或有地方龟裂。

应对进水故障措施：用充气机经常对主馈充气，观察气压情况。如果天线安装位置合适的情况下，在功分器分馈线连接处罩上铁皮桶或胶皮筒，防止雨水直接浇灌接头。除此，坚持每年上塔排查维护，及时对密封点补胶密封。

3.2 短路、开路故障

由于进水原因，天馈线短路也是常见的故障，而短路后发热烧坏也可能造成天馈线开路，当然也存在其他情况。如分馈线老化、馈线弯曲度过大、接头进异物等都有可能引起天馈的短路和开路现象。表现的现象一般是覆盖不良。如果在天线系统反射正常的情况下，发现有某个或某几个方向的覆盖差了很多，原因可能就在分馈电缆有短路的情况。应对短路、开路故障的方法是分支电缆不能随意捆扎，保证其弯曲半径。

3.3 打火故障

打火故障也是天馈线存在的故障，主要表现在电视画面上，模拟信号表现为满屏闪烁横细明帘子，数字信号主要反映为画面经常出现马赛克。2015年烟台电视发射台曾经出现过较大的打火故障，造成分馈器爆裂。打火故障一般有2种原因引起，一是分馈线、天线老化造成绝缘程度降低，导致击穿打火；二是接头处接触不良造成打火。击穿打火可用摇表摇出，接触不良则不能。在实际工作中以接触不良引起的打火故障较多。

应对打火故障的方法同样是确保接头的接触良好，分支电缆按照要求绑扎。但此故障一般不常见，需要注意区分天线、多工器或发射机的故障而引发的。

总之，天馈线故障直接影响广播电视的安全播出，加强对天馈系统的管理和维护是减少天馈线故障的有效手段。除此之外，增加巡机时间，在巡机过程观察发射机的发射功率，驻波比有无异常，及时发现现在的天馈线问题，将故障消除在萌芽里。

4.结语

天馈系统技术在广播电视发射中起到最后的关键性作用，是无线发射最后的出口，若这个出口处理不好，前期所有的努力都将付之东流。这就要求我们重视发射天线技术、在日常维护保养上下功夫。本文针对目前烟台广播电视台电视发射台天馈线的日常运用维护中出现的常见问题进行总结分析，提出了应对方法和措施，旨在为天馈线提供更好的运行和维护，降低天线的故障率，降低本台的事故率和停播率，完成“安全、优质、不间断”的播出任务。