套筒式锥面顶负荷中波小型发射天线工作原理及实践

套筒式锥面顶负荷中波小型发射天线
工作原理及实践
郭跃武
摘要：现在常用的中波发射天线一直到现在都延用1/4λ-1/2λ桅杆式天线。

在实际使用时，通过增加高度、增大埋设面积可以提升天线的发射效率。

一个76m高，边宽0.5m的桅杆天线，总重达20吨，占地达近30亩；一个120m高，边宽lm的桅杆天线，总重达40吨，占地达近50亩之多。

一个中波发射电台占地几百余亩，其中90％的土地面积被天线占用，每个电台平均2～3个频率，最少需要2副发射天线，一副天线占地45亩，二副占地就将达90亩之多。

这种大规模的占地，对于电台的搬迁及发展是非常不利的。

在这种情况下，研制和开发使用新型中波小型天线势在必行。

关键词：套筒式；锥面顶负荷；中波；发射天线
1工作原理分析及论证
1）该天线在设计时，运用锥面顶缓变的基本原理，可以在一定程度上降低终端反射和谐振频率所用天线的长度变，保证其实际发射效率不受影响。

通过运用天线的长细比原理，实现其阻抗变化率的降低，这样就可以增加天线的带宽。

2）该天线是利用传统的理论与当今世界上提出的一些新的天线理沦相结合，经过我公司技术人员的升华而独立研制开发的发射天线。

多该天线将传统理论提出的小天线，套筒天线、折叠振子天线、锥面天线及多重调谐天线相融合，利用现有世界上提出的新的天线理论作参考而成功研制的一种高效率、宽带宽的小天线。

4）套筒式锥面顶负荷中波小天线的创新点及原理：根据锥面缓变的原理可以知道，天线从发射体向锥面沿小于90°的方向过度，在这个过程中，可以降低终端的反射。

一般来说，体积比较大的椎体，能够对地产生比较大的电抗，这就在一定程度上提高了容抗，有利于降低天线的高度。

根据实际安装经验，一般来说
7米左右的锥体，能够达到的有效谐振高度为40米左右，此外，再加上垂直发射体的高度，通常情况下，天线的有效高度可以达到76米左右。

5）在天线的传输和使用过程中，一个比较重要的原理，就是长细比原理，按照这个原理，振子天线的输入阻抗会随着天线的长度而出现变化，在实际使用过程中，如果天线的特性阻抗越大，那么其输入阻抗就会随天线长度的变化而发生激烈变化，天线的阻抗带宽就越窄；反之，特性阻抗越小，天线的阻抗带宽就越宽。

振子天线的特性阻抗主要取决于长细比Ω，即Ω=21n（2L/a），其中L是天线振子臂的长度，a
是天线臂的半径。

Ω越大，天线的特性阻抗就越大。

从这方面来看，如果对工作带宽的要求较高，应当使用振子天线。

6）在本文的分析讨论中，主要是依据上述原理，从而使用套筒方式，在该种方式下，可以在较大程度上提高天线的输入阻抗，降低天线的阻抗变化幅度，这样就可以比较有效的提升天线的辐射效率和频率带宽。

并且振子的特性阻抗相对较低，在实际使用过程中，可以通过不对称的结构形式，可以有效发挥对电路的参差协调功能，这样更加有利于拓展阻抗带宽。

在设计过程中，一般的做法是在天线的辐射体外面加上与一个同轴的金属套筒，即构成常见的套筒天线，这就是一种比较简单的不对称馈电方式。

比较形象的就是，金属套筒基本上和粗振子相似，并且其有着比较特殊的馈电方式，这就使得具备这种结构的天线的阻抗特性要好于一般的普通振子天线。

通过实际的研究发现，一般套筒天线的相对带宽能够达到一个倍频程以上。

现阶段按照结构的不同进行划分，主要有套筒单极子天线和套筒偶极子天线两大类。

比价常见的套筒单极子天线的结构图。

从图1我们看出天线由以下几部分组成
1—锥形顶负荷；2—重直辐射体；3一操作平台；4—防雨帽；5—绝缘子；6一套筒体；7一出口绝缘板；8—高频地与地网连接铜皮；9一地井铜板；10—地网铜线；11—调配房；
图1-2锥形顶负荷底座
图1-3锥形顶负荷支柱
图1-4绝缘子
图1-5内导体
图1-6套筒式宽频带锥面顶负荷中波发射天线电原理图
图1-6中：R、C为天线的等效电路，L为天线的配谐线圈，X
1、X
2
为匹配网
络电抗元件，根据天线阻抗的不同，X
1、X
2
均可取电感或电容，L置于绝缘子内，
X 1、X
2
置于屏蔽的调配房间内。

常见的套筒单极子电流原理图如图所示：
天线的发射原理如下：在天线周围很近的范围内电场与磁场就相互正交，由于天线属于电小天线（高度小于λ/4），认为时间上也是同频的，所以在很近的范围内形成了副场强，图中垂直发射体产生磁场，锥面顶产生电场。

在实际使用过程中，这种天线使用的馈电方法是同轴线馈电，具体说来，其辐射体为同轴线的内导体，同轴线的外导体外壁电流和内导体电流方向是相同的，这也就成为了辐射体的一部分，同时还可以兼作套筒。

典型的套筒式单极小天线，其主要结构参数有：上辐射体长度L，套筒长度1；内辐射体的直径d和套筒直径D理论分析和实验都表明，对天线电特性起决定作用的参数是套筒单极子的总长度L+1以及上
辐射体长度与套筒长度之比1/L。

如果套筒天线的1/L=2.25，且L+1=λmax/4时，D/d=3，则天线的输入阻抗Zc=601n3=60×1.0986≈66Ω。

由于在中长波频段内L+1不能做的太长，而且 1/L 有时太小，所以输入阻抗往往偏低，在实际的套筒天线方面，我们只有使1/L=2.25，加大D/d值，从而使输入阻抗不要太小。

套筒天线的1/L=1.26，且L+1=28米，D/d=1.57，则天线的输入阻抗Zc=601n1.57=60×0.451≈27Ω。

地井及地网的辐射：
一般减小地面损耗的方法是在天线底部的地面下敷设地网或在地面上架设平衡网。

地网由30根～120根辐射状导线组成，导线线径为2～4毫米，埋深为10～50厘米。

该天线在国内外可以说是首创，解决了各项技术难题，使中波天线小型化，具有重大的突破：
1）利用双锥天线原理，提高天线输入电阻和辐射电阻，降低阻抗变化率，拓宽小天线的带宽。

对于无限长的双锥天线，由于只有TEM波传输，而且没有反射，因而其输入阻抗即为双锥天线的特性阻抗，即
Zin=Zc=1201nctg（θ0/2）
上式适用于对称双锥天线。

置于理想导电面上的直立单圆锥天线的输入阻抗是对称双锥天线的一半即
Zin=Zc=601nctg（θ0/2）
2）利用锥面顶缓变原理及集总参数理论，使天线的体积缩小，仅为20m左右（1/8λ）；
多利用光子理论，小极子耦合理论，提高天线辐射电阻，增加天线的辐射效率；
4）利用电容加载原理，是在天线的顶端加一根或几根水平的或倾斜的金属导线、板、球、柱、星状辐射片等。

这些顶端所加的线、板、片等称为天线的顶负载，其作用是增大天线顶端的对地分布电容，这一分布电容可等效为一段开路传输线加在天线的顶端，从而使天线的有效高度增加。

锥面顶端就是运用锥面做为电容加顶的。

2使用及维护
1）对天线要定期进行检查，发现松动的要及时拉近，根据使用时间来说，一般要两周进行一次检查维护。

对于不同季节，由于温度的不同，导致天线的热胀冷缩，可以适当调整期长度。

在冬季可以适当加大天线的长度，以对冲因冷缩导致的天线变短，夏季，则采取相反的措施。

必要及时对破坏的地网进行修补，需要重新铺设的就要进行重新铺设，把相关的焊接点焊接牢固。

地网如果遭到破坏，就会对天线的稳定性产生较大影响。

在一些比较薄弱的地网节点处，维修技术人员应当定期进行重点检查，发现存在问题的要及时焊接加固。

3）常见故障的排除
天线出现驻波比变大发射机加不上功率。

检查天线振子和地之间是否有连接（杂草等搭接）；如有连接要去除保持天线振子和地绝缘，检查电缆头是否松动；如松动用扳手旋紧。

在这个过程中，要注意严格按照相关技术标准进行，减少因为维修失误或者故障原因认识不清，而导致的故障范围扩大，减少不必要的损失，保障天线及其他设备的平稳运行。

4做好防雷工作，天线在使用过程中，尤其是夏季，可能遭到雷击，雷击对天线是一种破坏性较大的自然伤害。

因此可以通过安装避雷针的方式，尽可能减少天线遭到雷击的可能性。

根据实际经验，一些比较特殊地形地貌并且年平均雷暴日多的（大于15个雷暴日）的地方，应当安装接地电阻小于4欧的避雷针。

在架空馈线的上面安装避雷线时，若是比较长的馈线，则比较好的方法就是，隔杆在杆的顶部加装线路保护间隙，通过使用这种方法，降低馈线直接遭受雷击的概率。

3主要特点：
3.1该天线适用于各大、中、小型长波、中波及短波发射电台使用，该天线具有如下技术性能：
1）功率：100W～200kW。

2）必载波点时，VSWR≤1.1。

3）工作带宽，△f?≥20kHz，VSWR≤1.5。

4）天线输入阴抗：25Ω～60Ω（531kHz～1602kH）。

5）匹配阻抗：（50±1）±j0.5Ω（载波时）。

6）增益：≥3dB。

7）极化方式：垂直极化。

8）方向性：水平面内全向。

9)电磁波传播形式：地波传播为主、天波为辅。

3.2对比现有原桅杆天线，具有以下优点
1）采用套筒式结构，形式多种多样，美观、大方。

2）可不用地锚拉线，抗风能力可达12级。

3）立体化锥体结构，使锥体抗风能力更强。

4）不锈钢锥体结构，免维护。

5）天线体热镀锌，抗腐蚀，
6）天线体有爬梯，安装、维护方便。

7）天线输入阻抗在中波频率段普遍得到提升，天线带宽较宽。

3.3安装调试好后，套筒式中波天线技术参数
1）工作频率：531khz～1602khz
2）功率容量：35kW
3）载波点时：VSWR≤1.1
4）工作带宽：△f≥9kHz，VSWR≤1.25
5）天线输入阻抗：见下附表
6）匹配阻抗：50Ω、75Ω任选
7）锥面体：为不锈钢结构
8）支柱：为热镀锌钢结构
9）使用寿命：30年
10）天线高度：32.5米
3.4根据实际工作和理论分析套筒式锥面顶天线的优点及创新特点主要有以下几方面：
1）利用中波天线加顶或加载的理论，采用锥面顶缓变原理，天线从发射体向锥面沿小于90°方向过渡，相当于把原来开路的天线顶变成电抗性质负载的天线顶，从而减小终端的反射。

由于锥面顶面积比较大，形成了一个面，对地而言分布电容增大，降低了容抗，由传输线理沦可知：接地电抗性负载的终端不是电流驻波的谷，从而使驻波波腹向上移，并且天线的谐振点也可以实现一定程度的下降，这就可以有效降低天线的长度，且不影响天线的效率，还能使谐振频率下移，所以该天线的低端好于传统天线。

2）依据天线的长细比原理，可以有效降低阻抗的变化率，从而可以使得天线的带宽得到一定的提升。

这徉就可以更加充分的利用现有的天线，减少资源的浪费，提高实际经济效益。

一般的计算原理，在上面的分析过程中已经提到。

在实际设计使天线时，可以按照上述的计算标准，确定比较合适的天线带宽。

3）采用套筒天线的理论，提高天线的输入电阻和辐射电阻，降低低和辐射电阻小，特别是低端的阻抗不容易提高。

从套筒天线的结构上看：筒是套在振子外，且下端绝缘，当从天线下端向振子馈电时，套筒也感应出电流，构成了辐射体的一部分。

套筒外壁的电流和内振子发射体的电流方向同向，也构成了辐射体的一部分，相当于延长了振子的长度，再加上特殊的供电方式，改善了天线的阻抗特性，使它向阻抗大的方向变化。

再加上振子加粗，有效的展宽了天线的工作频带，也使得天调网络简单化。

从而减少了发射机的边频反射。

4采用并馈方式馈电，提高输入阻抗。

根据计算，将该天线的馈电点移到了天线阵子中段的某个部位，使天线阵子分成上半部分和下半部分，因而构成并馈方式馈电，输入阻抗有所增加。

这种模式，对于提高天线的使用效率，有着一定的作用。

通过以上四个方面的改进措施，套筒式锥面顶天线优于传统天线和小天线，从实际使用情况看，低端频率，尤其是603kHz比以往有明显改善。

参考文献
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