广播电视无线发射台站调频天线改造设计与实践

2023-03-07王实现

电视技术 2023年1期

王实现

（宁波广播电视集团，浙江宁波 315036）

0 引言

茅洋山发射台（以下简称台站）位于宁波市东北方向茅洋山顶，海拔300 m左右，是宁波广电集团下属的骨干发射台之一，承担着宁波调频广播音乐频道98.6 MHz、地面数字电视等发射任务。该调频发射台的天线于2013年建设完成，现从安全播出与覆盖优化角度出发，需对发射天线进行改造。基于此，本文详细介绍调频天线改造的设计与实践。

1 天线更新改造的必要性

1.1 发射天线存在安全隐患

台站技术人员对天线进行专项例行检查时，发现原天线存在多处导体中心玻璃钢防水罩开裂、天线接口防水胶带老化、四面天线均不在同一水平面上且偏置尺寸相差较大、天线发射板强度差晃动大等问题。基于该发射天线材料质量、施工安装工艺上存在较明显的问题，台风时极可能引起停播故障，安全播出隐患严重，已经到了必须更新的程度。

1.2 覆盖场形有优化空间

经测试原有天线场强覆盖情况，宁波主城区总体已达到调频覆盖场强值要求，但存在覆盖场强部分能量偏向于舟山方向海面区域，一定程度上造成宁波市区场强电平弱化，镇海北仑方向能量分布相对分散；造成城区南部场强偏小，部分车载收音机无法自动锁台等问题；且天线场形分布不规则，场形波瓣存在较明显波谷。因此，需通过更新调频天线并对场形优化调整，提高人口密集区的覆盖效果。

基于以上原因，需对发射天线进行更新改造，以提升覆盖的范围和质量。

2 天线改造的目标和需求

对于本次天线更新改造，主要的目标需求如下：

（1）在保证原有宁波主城区为主要覆盖区外，应适当加强慈溪、余姚两市地区场强，并涵盖奉化区大部、镇海、北仑区全部，象山港大桥大部；

（2）调整原天线覆盖布局，减少舟山北仑方向场强，新天线布局向主城区倾斜兼顾慈溪余姚覆盖，沿用原天线垂直极化方式，优先考虑车载接收；

（3）重新设计天线偏置方向，使水平场形波瓣峰谷比降低，减少原天线场形波瓣凹陷的问题；

（4）因原有宁波主城区方向8层天线垂直覆盖波瓣角狭小，针对性地对此进行电气下倾与零点填充，使宁波主场区场强得到改善；

（5）因需要考虑慈溪余姚的覆盖，宁波北部海面依旧存在部分能量的情况不能避免，但应尽量减小在北部海面的能量损耗。

3 天线方案的设计

根据天线更新改造的需求，西侧宁波主城区要求覆盖理想，距离约15～20 km；西北侧慈溪至杭州湾希望能兼顾覆盖到，最远距离约80 km；西南侧覆盖至奉化区，距离约45 km；东侧需要覆盖约20 km；北侧海面无覆盖需求。由于发射铁塔方向为偏转19°，因此天线面板在布局时可以不用通过安装构件加以偏向，可以通过天线层数的定向布局，增加所需要加强天馈系统方向性增益朝向的天线层数（即增大天线口径）[1]，即可实现覆盖区域的需求变化。

3.1 天线方案的选择

为了解决上述覆盖区域需求，技术人员调研多家天线生产厂家，并对多个天线方案进行评估对比。根据需求，论证的天线布局方案有8864（即对应西南、西北、东北、东南方向分别有8层、8层、6层、4层天线，下同），8646，8628，8862，6622及8844。最后选定6622，8844两种布局进行详细计算。

如果2个8层方向的下倾角度不同，会使得两面夹角的场型合成有问题，可能使得宁波主城区的覆盖不理想。8层的方向性增益大，但是垂直面波瓣较窄，方向性更强，如果下倾角度设计得大，那么必然会对慈溪至杭州湾远区覆盖不好；如果下倾角度调小，那么近场的辐射能量可能就较少。因此，最先考虑6622布局，6层天线的垂直面场形胖一些，增益也下降不多，更能同时“照顾”近远区。设计的6622天线场形如图1所示。

图1 FM98.6 MHz 6622天线方向图

根据改造目标需求，尽量减小在发射塔北侧的海面的覆盖，因此做了北侧6层天线的偏转设计计算，场型如图2所示。

图2 FM98.6 MHz 6622天线方向图单面旋转15度场型

对比偏转水平场型图和6622正常布局水平场型图，技术人员发现覆盖情况变差，因此不再考虑机械偏转单面的形式。之后，计算8844布局场型如图3所示。

图3 FM98.6 MHz 8844天线方向图

覆盖预测计算基于ITU-R P.1546建议书，选用50%时间、50%地点位置曲线。

简单使用天线相对高度h1=150的曲线，固定1 kW有效辐射功率，进行计算。

2662方案的场强估算如下：

（1）2层方向20 km最大场强估算，约62 dB+1.5 dB-1 dB（馈线损耗）=62.5 dB；

（2）6层方向40 km最大场强估算，约48 dB+10.7 dB-1 dB（馈线损耗）=57.7 dB；

（3）6层方向80 km最大场强估算，约30 dB+10.7 dB-1 dB（馈线损耗）=39.7 dB。

8844方案的场强估算如下：

（1）4层方向20 km最大场强估算，约62 dB+5.7 dB-1 dB（馈线损耗）=66.7 dB；

（2）8层方向40 km最大场强估算，约48 dB+11.7 dB-1 dB（馈线损耗）=58.7 dB；

（3）8层方向80 km最大场强估算，约30 dB+11.7 dB-1 dB（馈线损耗）=40.7 dB。

根据以上结果，对比8844布局方案和6622布局方案，可知：

为拓展公益诉讼案件线索来源，滕州市检察院从小处切口，在点上发力，在全省率先出台了公益诉讼案件线索举报奖励办法，对奖励条件、奖励金额、奖金发放程序以及对线索举报奖励工作的监督等内容作出明确规定。《办法》规定，社会公众可以通过来信来访、拨打电话、电子邮箱、滕州检察公益诉讼“掌上拍”小程序等多种方式举报公益诉讼案件线索，经查证属实并履行完诉前程序后，即可获得300元至1000元的现金奖励；线索特别重大的，经检察长批准，可获得1000元至5000元的奖励。目前，另有4起举报线索的奖励工作正在审批中。

（1）水平面场形，2个方案形态相同，只是6622方案的2层方向的场形于归一场形中相比8844方案的4层方向场形要小；

（2）垂直面场形中，6622方案的2层天线无法做零点填充，覆盖存在零点位置；

（3）增益计算方面，8844方案中4层增益为5.7 dB，8层为11.7 dB；2662方案中2层增益为1.5 dB，6层为10.7 dB。从增益计算看，6622方案增益小于8844方案，尤其在东侧区域。

通过赋形预测软件对天线8844方案进行仿真计算和技术分析，可以判断8844方案是可以满足覆盖需求的，并且计算得出分支电缆不同相位可以精准控制辐射主向下倾角度，尽最大可能“照顾”到近远场区。

经研究，对比多种天线布局、安装方案与覆盖预测，最终根据覆盖地形和人口范围、塔体结构强度、实施难易度、双频共塔要求等多方面综合评估，形成改造方案，最终考虑选择新天线阵列形式为4884，即东南侧4层，西南侧8层、西北侧8层、东北侧4层。新天线布局如图4所示，结构如图5所示。

图4 新天线布局平面图

图5 新天线方案结构图

采用垂直极化调频双偶极子板天线替代原有天线。阵列赋形后，主瓣最大方向性约为11 dBd。

3.2 主向下倾与零点填充

当发射天线的主向与水平线为同一方向时，由于垂直面方向图的对称性，使得一半有效辐射功率因朝着水平线以上方向发射而得不到利用[2]。为此，在天线的赋形设计中，为使尽可能多的有效辐射功率分布于服务区，同时又不过多地降低发射天线的增益，可将发射天线的主向向下倾斜一个适当角度。主向下倾对有效辐射功率的利用率与天线增益大小有关[3]。主向下倾分为电气下倾和机械下倾两种方法。

根据天线专业技术专家的理论计算和天馈线工程经验，改变分支电缆长度（即相位），通过精准计算，可以使得电气下倾和零点填充同时进行[4]。使用此方法的优点如下。

（1）机械下倾是通过安装件实现，而在实际安装过程中，无法精准地对每片天线设定相同的下倾角度，如果正面天线同时下倾，上层天线安装边宽大于下层天线的边宽，会导致水平场型不统一。而使用电气下倾，计算准确，并能减少构件的使用，降低隐患。

（2）改变电流相位而进行的零点填充不改变电流幅度，能够使得天线输入功率达到最大。

参照ITU-R P.1546建议书中相关内容，水平线与最大视距线之间的夹角为，其中θH表示水平线与最大视距线之间的夹角，Ht表示发射天线中心相对于距发射天线3～15 km内平均地面高度的高度差。

波束下倾角θ一般为θH的1.5～2.0倍。本工程天线安装于相对标高315 m处，经过计算，水平线与最大视距线之间的夹角为0.57°，电波直射距离最大为54 km。

对于西南方向，服务区要求是21～31 km，为了使8层天线设计的覆盖区域位于直射波距离以内的区域，取θ= 1.5θH= 0.768 9 ≈ 0.8，主波束对应的距离是24.6 km，正好在主瓣有效覆盖范围21～31 km之内。

对于西北方向，服务区要求是15 km，为了使4层天线的服务范围是15 km，4层天线下倾角取θ=1.2°，主波束对应的距离是15.345 km。

本项目根据服务区的远近需要同时兼顾，为更好地服务重要覆盖区域，对主向天线进行计算，下倾角为0.8°～1°，并保证第一零点填充大于10%。

4 天线改造的实施与效果

4.1 天线改造的实施

本次改造项目主要内容包括旧天线拆除与新天线安装、天馈线系统加装充气设备等。项目施工期间，技术人员全程细致监管，严抓施工质量，完成了原调频天线24片双偶极板振子及配件拆除和新调频天线24片双偶极板振子及配件安装。在整个安装过程中，技术人员吸取经验教训，整套天线经过防水、防锈处理，整个天馈系统所有接口全部用密封胶封闭。为防止馈管接头进水，接头处除使用703胶密封外，待胶水基本干时再缠绕胶布，然后再用703胶补缝，最后外用热缩套管热缩。

4.2 新天线驻波比测试

驻波比是发射天线重要的性能指标，反映了天馈线的匹配情况。驻波比高的天馈系统，信号在馈线中损失很大[5]。改造后的天线驻波比应尽量接近1.0，越小越好。经测试，改造后新天线驻波比为1.01，测试结果如图6所示。

图6 天线驻波比测试

4.3 新天线覆盖场强测试

设备安装完成后，技术人员对新天线的场强覆盖情况进行了全面的系统的评估，通过德力DS2500T调频路测仪（覆盖路测）获得客观的路测数据，用车载收音机、德生PL600收音机进行主观收听评测，对FM98.6 MHz在多地的覆盖效果进行了路测和定点测试。为了将路测仪器测得数据和通过收音机主观收听评测结果进行清晰的比对，技术人员将场强信号进行了信号划分，结果如表1所示。