中波广播发射天线

输入阻抗
400 Rin
200 X in
100 80 40
20
10
1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
H/
图5-5 铁塔天线的平均输入阻抗
地面是中波接地天线的回路(图 5-6)，当电流通过地面时就会产生损失。为了提高天线的效率，尽量 减小这项损失，应在地面下铺设地网。由有关公式可以证明，损失功率随着离开天线底端的距离的增大而 减小，地损失主要集中在天线底附近。因此地网一般长度约为半个波长，而大于半波长以外的范围地电流 虽有相当大的数值，但它已不属感应场范围，而属于电波传播的损失，与天线的效率无关。
本章还介绍了菱形天线，以及为了解决中波天线一频一塔占地大、成本高的问题而采用的中波多频共 塔匹配网络。
中波垂直接地天线
一、 电流分布和方向性图 中波广播大部采用单根垂直接地天线，如图 5-l 所示。这种天线的方向性图在水平面上是个圆。适合
于广播的要求。因为天线的终端开路，所以它是驻波天线。天线上的电流分布可以认为是正弦规律的，天 线的末端为电流的节点。图 5-2 为天线高度等于 λ / 4 和 λ / 2 的垂直天线的电流驻波和电压驻波分布图。
等值电阻， RW 是铜损失的等值电阻，所有这些电阻(包括 Rr 在内)都是以天线底电流为参考点。
2
中波天线的ηa 一般为 70%-80%。 由式可见，提高效率的积极办法应当是加大天线的辐射电阻。垂直接地天线最常采用半波长的天线高 度，此时辐射电阻约为 100 Ω ，即为全波振子辐射电阻 RA = 199Ω 的一半。 二、 输入阻抗 天线曲输入阻抗 Zin 相当于有损耗的开路传输线曲输入阻抗，图 5-5 为铁塔天线输入阻抗的实测值。 三、 垂直天线的地网 在中波天线中为了提高天线的效率，减少天线的损失更显得重要。天线的损失有铜损失、绝缘损失和 地损失三种，天线的铜损失和绝缘损失一般可以忽略不计，主要是地损失影响最大。
电流节点不是零。由于断面均匀的铁塔天线的电流分布与正弦曲线相差不大，因此场量的方向性图也与导
线天线的大致相同。断面均匀的铁塔天线，它的输入阻抗可以按等值传输线法进行计算，其平均特性阻抗
可由下式求得：
Zc
=
60(ln( 2H r
)
− 1)
上式中，H 为天线高度，r 为天线的半径，对于铁塔天线，只要它的断面是均匀的，可引用“等值半
但又要避免高仰角的副辩，实际经验证明，以采用 H = 0.53λ 为宜。
二、天线发射
天线不可能是理想导体，有电流通过就有损耗，天线下 面的绝缘物也存在漏电流。而且，垂直接地天线的电流
相对场强
1.4 H=λ
4 1.2
1.0
H=λ 2
0.8
0.6
H = 0.625λ 0.4
0.2
图5-3 垂直天线在垂直面上的方向性图
必须经过地回路才能同电源接地，因此就有地损耗，以
天线的底电流 IA 为参考，地损失为 P，地损失的等值电
阻为 Rg
，则
Rg
=
P/
IA
,天线的效率由下式决定:ηa
=
RA RA + R1
H /λ 0.2 0.4 0.6 0.8 1
图5-4 垂直天线的电场强度
其中：R1 = Rg + Rc + Ri + RW ，Rc 是串联在天线回路的调谐线圈的等值损失电阻，Ri 是绝缘损失的
96.7%
加顶加载垂直天线
无顶天线架设及维修有很大困难，长期以来很多人研究用矮天线来取代高天线，但都没有获得满意的
结果，不过许多补救措施早已采用，如加顶加载天线，即在垂直天线的顶上增加平顶的水平部分，或在垂
直天线的顶上，加适当的电抗负载等。不管采用哪种方法，都是为了提高天线的有效高度，改变电流在天
线上的分布，把电流驻波腹部往上移，以便增强辐射效果。其次，也希望天线垂直部分的底部能处于电流
H = 0.625λ 。单纯从这一点来说，天线高度为 H = 0.625λ 最好。如果发射仰角愈小，则对电离层的入射角 愈大，结果跨开距离愈远；反之，如果发射仰角愈大，跨开距离愈近。对于 H = 0.625λ 的发射天线，具有 高仰角的副瓣，因此在较近距离处就有天波，从而形成干扰地波的衰落区。为此， H = 0.625λ 的天天线实 际上很少采用。而 H = λ / 2 左右的天线，地被服务区介于 H = 0.625λ 和 H = 0.25λ 之间，既有较强的地波， 而高仰角的辐射要比 H = 0.625λ 和 H = 0.25λ 的天线都小，虽然有低仰角的天波，由于它的跨开距离较大， 一般可以推出地被服务区以外，从而避免了天波干扰地波所形成的衰落区。为了尽可能大的增大辐射场强，
米)导线长不超过 30 米，对于导电不良的地面[ σ = 0.001 西／米]导线不超过 70 米。
除了在地 F 埋设地网的方法以外，也可以在地面上铺设地网，称为平衡网。
表 5-1 加设地网前后比较（λ= 300 米，σ= 0.01 西/米）
无顶天线高度
λ/20（15）米
λ/4（75）米
λ/2（150）米
为了减少地电流引起的损失，一般是在地面以下采用向外辐射线构成的地网，如图 5-7 所示。地网埋 没的深度一般在 0.2 到 0.5 米之间，如在耕地下面可埋设较深以免锄伤。导线的根数可以从 15 根到 150 根，但一般不超过 120 根。导线直径约为 3 毫米，长度有半波长就够了，但必须伸出天线项在地面上的投 影范围以外。有时在导线末端加打地桩，并以周界限将各地桩连结起来。
底或腹点电阻（欧）
1
36.6
99.5
地的损失电阻和效率
R1
η
R1
Η
R1
η
（1）10cm 直径接地杆 14.5
6.5%
25.2
63.3%
6.4
94.0%
（2）n=15,长 25 米
0.96
51%
8.7
63.3%
6.4
94.1%
（3）n=120,长 150 米 0.072
93.3%
2.13
80.7%
6.5
图 5-12 为各种高度天线加项负载的电流驻波图，从图看出加顶负载促使电流驻波波腹往上移。其中 量为天线的实际高度，b 为加顶负载延长的等效高度。加载天线的输入阻抗，应以实测数据为准。
6
b
b
b
H
H
H
~
~
~
(H + b) > λ 2
(H + b) < λ 2
(H + b) < λ 4
抗衰落天线(铁塔天线)
木杆天线的优点是价格较低，对电场方向件图的影响小，木杆内不致感应电流引起损失，缺点是不能
经久耐用。采用两个铁塔支持的导线天线，易在铁塔体内感应电流，一方面影响方向性图，另一方面增加
损失。由前节的分析可知，无顶天线的高度最好为 H = 0.53λ左右，这样高的天线具有抗衰落的作用。将
导线天线做成这样高是不可能的，因一方面架设困难，另一方面若风力很大而摆摆不走将影响方向性，风
中广播发射天线
褚国桢 搜集整理
中波主要靠地波传播，由于地波传播应用垂直极化波，因此中波发射天线都是采用垂直天线。为了增 大辐射，可在天线末端加顶，加顶的作用是提高电流分布的腹点，从而增大辐射。同时，在天线末端加顶， 还可以加大天线对地的电容，电流分布均匀，缩短天线高度，提高辐射电阻，避免发生过压现象等，为了 提高效率，减小地损，中波发射天线一船需要铺设地网。
雷侵蚀，还可能断落。而用铁塔本身作为辐射体的好处是，-方面可以做得很高，另一方面不像Γ型或 T
型大线需要用两个铁塔作支持物，因而较经济，铁塔也不会引起感应电流，而且结构牢固。铁塔天线常用
自立式或均匀截面拉线式，如图 5-13 所示。
断面均匀的铁塔有比较接近正弦的电流分布，与细长导线天线的电流分布相差不大，只是在天线底端，
驻波的波谷附近，这样的天线输入阻抗高。地损就能相对的减弱。
一、 加顶天线
有平顶式和折合式两种，而平顶式又有Г型和 T 型两种，T 型水平顶可以用单根导线，也可以用许多
根导线并联。折合平顶垂直天线区有很多种，其目的是为了抵消水平部分的高仰角辐射，而且不妨碍电流
驻波往上移。
4
图 5-8 是三种天线示意图。图 5-9 为 r 型天线的电流分布，图 5-10 为 T 避天线的电流分布，由于电 流驻波波谷在开路的终端，故三种天线都能把驻波波腹往上移，从而增强了天线垂直部分的发射效果。电 流驻波波腹往上移，相当于增加了天线的有效高度，加大了辐射面积。
3
地电流
电源
深度 0.2~05米
图5-6 接地天线的电流回路
图5-7 地网
表 5-1(见下页)为不同高度天线在加设地网前后的损失电阻与效率比较。由表可知：
1、 λ / 2 高天线即使不高，可与半波天线相当。
3、地网长度与地面土壤性质有关，对于 λ = 300m ，若用 n = 15 比，对于导电良好的地面( σ = 0.01 西／
图 5-8 加顶天线
图 5-9 Γ型天线的电流分布
h'
b
h
图 5-10 T 型天线的电流分布 但是我们只希望天线的水平部分起导致电流驻波波腹往上移的作用，并不希望它成为辐射体。因为水 平部分主要是高仰角的辐射，被电离层折射下来将形成对地波的干扰区，从扩大地波服务区的观点来说， 水平部分的辐射是一种辐射损耗。由图 5-8 可见，Г型天线的辐射损耗最大，T 型天线则大有改进，因为 水平部分两半边电流方向是相反的，由两半边电流所构成的辐射损耗相位相反，基本上抵消了，因而就增 强了垂直部分的辐射，使地波加强。 折合式天线在减小辐射损耗方面效果更好，它可以把水平部分的辐射更加抵消。
H λ 2
λ
绝缘物
4
图5-1 单根垂直接地天线
图5-2
λ 及 λ 天线的驻波 42
天线的方向性图可利用对称振子天线的辐射公式进行计算即(3-56)式：
1
|
Eθ
|=
60 r
cos(al cosθ ) − cos al sinθ
当天线很短时天线的方向性图与接地短天线的相似，当天线高度逐渐加大时，辐射能量逐渐向地平面
图 5-8(d)为伞形加顶天线，规格为φ9.0 钢丝绳 3 根，l＝35 米，α=450，工作在 H／λ＝0.35。
λ 4
λ 4
图 5-11 理想的加顶天线 二、 加顶负载天线
对高度不足的垂直天线加顶负荷，虽然只能使用在某个频率上，但它装置简单，较为方便。为了避免 功率损耗，天线的顶负荷一定是电抗负载，可以单独用电容器或电感线圈，或电容和电感结合起来使用。 天线加顶负荷的目的，是把原来开路的天线顶，变成电抗性负载的天线顶，由传输线理论可知，按电抗性 负载的终端将不是电流驻波谷，从而位天线上的电流驻波分布情况发生改变，使电流驻波波腹往上移。不 平衡的天线顶负载应当是对地而言的，因此，实用的电容天线顶负载，并不是普通的相对两个电极形成的 电容器，它可以是一个圆球，一个圆柱，或一个圆盘等，把它设在天线上端，即自由空间到地构成电容器。
5
与半波垂直天线相比，理想的加顶天线，最好是水平部分的等效高度为λ/4，垂直部分的高度也为λ /4，这样电流驻波的波腹点，可以移到垂直部分的顶端去，而电流驻波波谷恰好在垂直部分的最下端即天 线的馈电点。如图 5-11 所示，前者可加强垂直部分的辐射，后者可以使馈电的输入阻抗提高，这是减少 损耗的有效措施。假如天线垂直部分的高度不足λ/4，则使单根馈线的长度和天线的垂直部分加起来应恰 为λ/4，这样这馈线上的电流驻波值很小。而馈线因电流小，同时接近地面，它的辐射影响是小的。这样 做的好处是，由馈线的始端看过去的输入阻抗高，有利于减少地扣。假如天线很矮，须在匹配网络和铺设 地网等方面想办法。
方向集中，当天线高度超过 λ / 2 时开始出现副瓣，图 5-3 是几种高度的垂直天线在垂直面上的辐射场型图。 为扩大服务范围，我们希望在地平面上(即仰角为 00 )的场强愈大愈好。图 5-4 为输入功率为 l 千瓦，
不同高度天线在水平方向 1 公里处产生的场强(毫伏／米)，由此图可以看出，地波的最大场强出现征
中波广播发射天线常采用导线天线和铁塔天线，不采用定向天线，有时由于地形或服务区的需要，则 采用定向天线。
在短波范围内，主要靠天波传播，短波通常采用架空的天线，架高天线可以避免经由地面波传播所招 致的损失。对于垂直天线离开地面 1λ，水平天线离开地面 0.2λ以上即可忽略地面波的作用。短波天线多为 水平架设，因水平天线的架设便利，馈电方便，干扰小，方向性比较稳定。此外，为增加频宽采用笼形天 线。
径”来计算。由实验得出，对于边长为 a 的正方形断面等值半径 r = 0.63a，对于边长为 a 的三角形断面
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等值半径 r＝0.50a。 若铁塔不能架得太高，可在铁塔上端加一小体积的电容顶，体积小不会引起辐射，如图 5-14 所示。