中波发射天线输入特性阻抗分析与造频设计

《中波发射天线输入特性阻抗分析与造频设计》

卢光辉河南省信阳中波转播台

庄涛胡越河南省潢川中波转播台

【摘要】目前在国内中波发射台使用的发射天线类型较多，各种天线的输入频率阻抗特性各不相同，且各种天线之间的差别还比较大。本文重点介绍、分析和比较常用的几种中波发射天线的频率阻抗特性，并在此基础上结合本台现有工作频率现状，科学合理规划频率资源，最大限度地发挥天线优势，提高发射效率和覆盖效果。

【关键词】中波广播发射天线频阻特性频率规划

1. 前言

河南省信阳和潢川两中波转播台，目前在用的各自有3座发射天线，在6座发射天线中存在5种天线类型，分别是120米拉线塔（边宽1米）2座，76米拉线塔（边宽0.5米）1座，120米串馈式中波自立塔1座，120米并馈式中波自立塔1座，锥面顶负荷33米中波小天线1座。由于工作频率较多，每座天线均为双频或三频共塔工作，共塔频率及发射天线的统筹与安排直接影响各工作频率的发射效率，上述5种发射天线基本涵盖了省内中波转播台所使用的大部分天线类型，很具有代表性，所以对这几种发射天线的输入频率阻抗特性进行分析比较，研究其特性变化规律显得尤为重要，为发射台现有工作频率科学规划分配提供基础理论依据。

2. 发射天线输入频率阻抗特性曲线

在对5种天线实际测量的基础上，分别绘制出5种天线频率阻抗特性曲线图。测试环境选择在夏季雨后，室外环境温度在35℃左右，此时测得天线阻抗实部处于每年季节变化当中的最小位置节点，测量仪器使用南京普纳网络分析仪和中波专用电桥。

由于天线所处地理位置的地质状况、地网情况和周边环境不同，同时网络分析仪在测量中波高频段时，测量仪器自身存在测量误差，所以在不同区域测量同一类型中波发射天线的阻抗特性，也会存在一定的误差，但不影响对天线整个中波频率段阻抗变化规律及趋势的判断。

2.1 120米拉线塔频率阻抗特性曲线

图一：120米拉线塔频率阻抗曲线图2.2 76米拉线塔频率阻抗曲线

图二： 76米拉线塔频率阻抗曲线图

图三：120米串馈式中波自立塔频率阻抗曲线图2.4 锥面顶负荷33米中波小天线频率阻抗曲线

图四：33米中波小天线频率阻抗曲线图

图五：120米并馈式中波自立塔频率阻抗曲线图

3.天线频阻特性分析比较

众所周知，天线阻抗是工作频率的函数，不同天线类型有着不同的输入频率阻抗特性，其区别很大，如图一～图五所示。在同一天线不同频率时天线的阻抗变化也较大，即便是同一频点，载频与边频的天线阻抗也不同，所以对不同类型天线输入特性的分析研究，掌握其变化规律，科学选择工作频段，避免产生边带反射，降低天调网络匹配难度等具有重要意义。

3.1 中波天线的特性

中波天线的阻抗为复数阻抗，既有实部R，又有虚部感抗或容抗±jx，它随着工作频率的变化而变化，还随着天线的高度，边框的边长及地面的土壤地质和周边的感应场不同而不同。

中波天线在其垂直面内的方向性图是随着天线高度而变化的，高度不同，天线上的电流分布也不同。当天线高度为工作频率的λ/4，天线上最大电流位于天线的底部时，天线的实部电阻R较小，地波辐射也较弱。随着天线高度升高，最大电流位置上移，天线底部的

电流减少，天线阻抗实部电阻R增大，地波辐射加强。当天线高度为λ/2时，最大电流位于天线中部。如果天线高度继续增加，地波辐射虽然加强了，但出现了高仰角辐射的天波，而天、地波的共存使服务区范围反而减小。

对于中波天线而言，并不单纯追求地波辐射最强，还要考虑高仰角辐射的天波引起衰落区的远近和害多利少的天波服务区问题。对推远衰落区最有利的高度是0.53λ而不是地波最强的高度0.64λ，因此0.53λ的天线高度又称为反衰落高度，也是天线工作的最佳高度。中波天线的高度一般在工作频率的0.2～0.5λ范围内，当高度低于0.2λ时，天线实部电阻R比较小，天线的辐射效率也因实部电阻变小而降低，因此中波天线最低高度H 应大于0.25λ才能有效地辐射电磁波。

3.2 边带发射的分析

天线阻抗是频率的函数，是随频率而变化的，因此载频匹配而边带存在反射的现象是必然的、普遍的，问题不在于这种反射是否存在，而在于它的大小。边带反射过大的根本症状是：载频处已调阻抗在驻波比为1：1的阻抗边界范围之内，而在上下边频处的已调阻抗值则明显偏离载频处的调配值，把载频上、下10kHz处驻波比大于1.3称为边带反射过大。

究其原因是因为天线在实际工作中需要的是天线底部的输入阻抗，而不是辐射阻抗，若输入实部电阻太低，发射效率不高，而且虚部阻抗大，天线的Q值高，造成天线工作时边带频率阻抗与载频的阻抗相差较大，使发射机在载波工作时正常，调辐工作时高音频技术指标差，严重时还会出现高音频调制时驻波比大，发射机降功率和关功放现象。理论分析和实践证明，当天线高度较低而工作频率在中波低频段时，△X/R值过大，天线阻抗随频率的变化很容易导致边带反射过大，我们把这个原因简称为低频段天线高度偏低。所以在布局本台工作波频率时要尽可能避免此类现象发生，选择合适的工作频率和发射天线，防止边带发射过大，使天线高效率的发射。若确实无法避开，则应采取天线加顶（增加天线等效高度，加大天线底部实部电阻），预调网络加补偿、调配网络采用低Q值的π型匹配等措施，但这些措施也只是针对单频共塔、中小功率发射等特殊情况且安装调试复杂，普遍意义不大。

3.3 天线工作频段的选择

工作频率配置合适的天线高效发射，应由天线输入频率阻抗特性决定，在中波段频率范围内，天线的阻抗随频率变化是很大的，同一种天线在中波不同频段内的变化区别也很大，且不同类型的天线其频阻特性的差异也很大，所以针对不同类型的天线，安排布局所

发射的工作频率时，首先要考虑天线的频阻特性，参照曲线图对比其工作点频率阻抗是否合适。选择天线的高度是λ/2左右，但也可在0.2λ和0.5λ之间，应根据服务范围，投资规模和场地大小进行适当的选择。一般不宜造在阻抗谐振区内，谐振区天线的输入阻抗变化很大，不仅Q值过高，天线的通频带过窄，而且天线的阻抗极不稳定，受环境因素的影响较大，容易产生边带反射过大。比如对于76米拉线塔来说，工作频率在531～603kHz 范围内，则天线自身的Q值很高（Q值达13.8～29），而且阻抗随频率的变化而发生较大的变化，如果没有采取特殊的措施，就会产生边带发射过大的现象，影响发射机的正常工作。所以针对不同类型的天线，选择工作频率段基本原则：一是避开天线阻抗实部电阻R较小的区域和虚部电抗X较大的区域；二是选择天线阻抗实部与虚部曲线变化较为平缓的区域；三是以本台中波低频段工作频率和发射功率较大的工作频率安排布局为主，其他工作频率为次；四是统筹考虑共塔频率的组合。

按照以上原则，我们将上述5种中波天线（根据其频阻曲线图）的最佳应用频率段分别造出并列表供选择工作频率参考，如表1所示：

表1 中波天线适用频段及特性比较

4.两台工作频率规划方案

河南省信阳和潢川两中波转播台担负着豫南及信阳地区的中波广播覆盖任务。其中信阳