天线高度对中波发射效果的影响及适配改造实践_王一凡.pdf

广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期80无线覆盖 Wireless Coverage传输覆盖天线高度对中波发射效果的影响及 适配改造实践【摘 要】本文通过分析中波广播的实际发射效果，对天线输入阻抗与桅杆天线高度的关系进行了研究，提出了一种降低天线高度进而提高高频段发射网络阻抗匹配度，提升中波信号有效发射半径、改善信号接收强度的方法。【关键词】中波广播，天线高度，阻抗匹配【中图分类号】TN935.1 【文献标识码】B 【DOI编码】10.16171/ki.rtbe.20230001016【本文献信息】王一凡.天线高度对中波发射效果的影响及适配改造实践J.广播与电视技术，2023,Vol.50(1).The Influence of Antenna Height on Medium Wave Transmitting Effect and the Practice of AdaptationWang Yifan(Dezhou Medium Wave Relay Station,Shandong 253000,China)Abstract By analyzing the actual transmitting effect of medium wave broadcasting,this paper studies the relationship between input impedance and the height of the antenna.We propose a method to reduce the height of antenna,improve the impedance matching of the high frequency transmitting network,enhance the effective transmitting radius of medium wave signals,and improve the signal reception strength.Keywords Medium wave broadcasting,Height of antenna,Impedance matching王一凡(德州中波转播台，山东 253000)0 引言中波通信具有覆盖区域广、传播信号稳定等特点。在我国，中波通信不仅应用于无线电广播的发射，也广泛应用于中波无线电导航台站的无指向性信标（NDB）、海事无线电通讯等领域。随着国内经济高速发展，城市规模不断扩大，高层建筑物对无线电波的遮挡、高压输电线路以及手机网络产生的电气干扰都使电磁环境变得日益复杂，大大增加了无线电波稳定传输的难度，在实际使用中出现中波广播收听效果差、导航信号弱、通讯信号不稳定等问题。基于此现状，为最大限度地发挥天线性能、提高无线电发射效率和覆盖效果，我台从无线电发射的原理与实际发射效果出发，设计了针对中波发射天线的改造实践。1 对天线播出效果的探索山东省广播电视台（总台）德州中波转播台位于德州市市中心，有 4 副 76m 桅杆天线，在播频率 4 个：一套 1098kHz 频率、1557kHz 频率双频共塔发射网络、一套1008kHz 频率发射网络、一套 1485kHz 频率发射网络。在实际应用中发射天线一般高度为 0.25 0.5，我台所有频率均使用 76m 桅杆天线发射。为提高发射效率，切实改善节目播出效果，我台自 2019 年，来进行了多项技术升级、改造措施：地网敷设、匹配网络改造、地井改造、发射机功率 校正、加装音频处理器等。我们对发射信号在不同功率、不同频率情况下的有效覆盖范围进行了收测，图 1 是对桅杆天线改造前所测的信号质量情况表（信号强度：5 为最高，1 为最差，0 为无信号）。广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期81Wireless Coverage 无线覆盖传输覆盖天线阻抗随着工作频率、天线的高度变化而变化，但由于发射天线高度固定、发射频率跨度较大、匹配网络调节范围有限等原因，使天线在 1557kHz 频率上的输入阻抗和馈线的特性阻抗之间无法很好匹配，影响了节目传输质量，降低了信号的有效覆盖范围。根据发射天线效率 与天线高度 L0的公式（1），可以看出天线高度直接决定着发射天线的效率。因此合理的天线高度对优质、高效播出来说至关重要。222080()aminPILP=（1）其中：为发射天线效率；P为天线输入功率；Pin为辐射功率；Iam为输入点最大电流；L0为天线高度；为波长。2 桅杆天线输入阻抗特性2.1 实测桅杆天线频率阻抗特性曲线天线的输入阻抗为既有实部 R、又有虚部感抗或容抗 jx的复数阻抗，它主要受发射频率、天线高度影响。为了最大效率地提高发射效率和覆盖效果，我台组织技术人员进行了阻抗曲线实地绘制和特性分析。测试环境选择在 8 月，室外环境温度在 30左右，测量仪器使用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，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分析和判断，绘制出实测 76m 桅杆天线的频率阻抗特性曲线图如图 2 所示。由图 2 可以看出，1557kHz 频率处于 76m 桅杆天线阻抗谐振区，电阻电抗均非常大而且变化剧烈，导致匹配网络无法将天线输入阻抗与馈线的特性阻抗匹配，造成网络失配；同时根据品质因数 Q 的计算公式（2）得出天线工作于1557kHz 频率时的品质因数 Q 约为 0.54，工作于 1098kHz 频率时品质因数 Q 约为 1.97。低 Q 值使 1557kHz 频率谐振产生困难，高 Q 值使 1098kHz 频率发射效率低，影响两频率上的广播收听质量效果。XQR=（2）其中：X 为天线电抗；R 为天线阻抗。图1 76m桅杆天线收听质量情况表图2 实测76m桅杆天线频率阻抗特性曲线图广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期82无线覆盖 Wireless Coverage传输覆盖综上所述，只有将天线工作于 1557kHz 频率上的输入阻抗降低，同时提高天线工作于 1557kHz 频率时的 Q 值，降低天线工作于 1098kHz 频率时的 Q 值，才能使发射网络高效、稳定播出，充分发挥发射网络的性能。2.2 桅杆天线高度与输入阻抗特性曲线的关系通过查阅资料，我们分别可得到 76m 桅杆天线频率阻抗特性曲线图、120m 桅杆天线频率阻抗特性曲线图与 138m桅杆天线频率阻抗特性曲线图。结合三种高度桅杆天线频率阻抗特性曲线图规律可知：在同一频率范围内，当桅杆天线高度增加时，阻抗谐振区向低频的方向移动；当桅杆天线高度降低时，阻抗谐振区向高频方向移动；且低频段区域阻抗变化曲率较小，均比较低。即当桅杆天线高度低于 76m 时，阻抗谐振区将向高于 1557kHz 频率方向移动，桅杆天线在1557kHz 频率上的电阻 R 将会有显著降低，电抗 jx 也会有所降低。由于我台 1557kHz 频率与 1098kHz 频率为双频共塔发射网络，所以对于改造后的桅杆天线高度应保证两种频率均高效、稳定播出。通过计算我们可以得到 1098kHz 频率波长 约为 273m，其 0.25 约为 68m；1557kHz 频率波长 约为192m，其 0.25 约为 48m。结合上文桅杆天线高度与频率阻抗特性曲线的关系，我们可以推测出：降低桅杆天线的高度将对 1098kHz 频率与 1557kHz 频率的播出均能起到非常积极的影响。3 桅杆天线高度改造实践3.1 天线高度改造在确定桅杆天线改造实验的理论基础后，我台做出了详细的改造方案并向山东省中波转播台管理中心领导进行了汇报。在获得山东省中波转播台管理中心的批准后，我台立即按照施工方案组织了专业铁塔施工队对 1557kHz 频率桅杆天线进行改造实验。我台 76m 桅杆天线是以 4m 为一个分段的分段天线，为积累实验数据以及测量改造效果，我台依照改造方案将桅杆天线进行分次拆卸：先拆掉一节降至 72m 并测量数据，再拆除一节降至目标高度 68m 并测量数据。在首次拆卸后将会影响测量、安全播出的拆卸设备暂时移除，通过网络分析仪测得 72m 桅杆天线频率阻抗特性曲线如图 3 所示。通过图 3 可见 72m 桅杆天线在高频段区的电阻 R 与电抗 jx 较 76m 桅杆天线有不同程度的降低，其中电阻 R 降低幅度尤其明显，其结果符合前文推论。但进一步分析会发现72m 桅杆天线的高频段还是处于阻抗谐振区，通过网络分析仪依然较难将匹配网络调整到最佳匹配状态；同时用公式（2）计算得出天线工作于 1557kHz 频率的 Q 值为 0.59，工作于1098kHz 频率的 Q 值为 1.81，播出效果有改善但并不明显。在经过一天的试播后，我台得出结论确认此高度桅杆天线可正常播出，但此天线高度依然并非高频段节目播出的最佳 高度。在首次拆卸积累了数据和经验后，第二次拆卸一节天线降至 68m，在拆除影响测量、安全播出的施工设备后，使用网络分析仪测得 68m 桅杆天线频率阻抗特性曲线如图 4 所示。通过图 4 可见 68m 桅杆天线的阻抗较 72m 桅杆天线的阻抗有了更加明显的降低，高频段的阻抗特性已完全脱离了阻抗谐振区，并且曲线斜率低，低频段、高频段的阻抗变化 平缓。通过公式（2）计算得出天线工作于 1557kHz 频率的 Q值为 1.21，工作于 1098kHz 频率的 Q 值为 1.66，均有明显改善。此天线高度使用网络分析仪可以很容易地将 1557kHz 频率的图3 实测72m桅杆天线频率阻抗特性曲线图广播与电视技术 2023年 第50卷 第1期83Wireless Coverage 无线覆盖传输覆盖际效果，综合考虑后决定将天线高度固定于68m。3.2 改造后实际播出效果在天线改造实验后我们对 68m 桅杆天线发射信号的有效覆盖范围进行了重新收测，图 5、图 6 即最终收测结果（信号强度：5 为最高，1 为最差，0 为无信号）。根据收测情况可以看出天线改造实验非常成功，改造后 1098kHz 频率的有效播出半径已超过 70km，1557kHz 频率的有效播出半径扩大到 45km 左右。广播收听质量不再出现断崖式下降的情况，而是随着距离的增加呈阶梯状缓慢降低，并且收听音质提升明显，受众范围显著扩大，天线优化改造实践得到了超出预期的成果。4 结束语综上所述，此次天线高度改造实践非常成功，有效提升了中波广播的有效覆盖半径，确保了中波广播发射设备运行的稳定性、可靠性、高效性。本文深入分析了发射天线对于发射效果的影响，以中波广播发射系统为例，并结合对实际播出效果的测量填补了国内 72m 及 68m 桅杆天线频率阻抗特性曲线图的空白，具有重要的实用价值。参考文献：1 袁军,卢光辉.中波发射天线输入特性阻抗分析与选频设计J.广播与电视技术,2019,46(7):103-108.2 褚国祯.中波天线输入阻抗计算机分析J.电波科学学报,2002,17(2):197-203.3 范潇匀.中波广播发射天线技术参数与维护的研究J.科技传播,2020,12(14):128-129.4 褚国祯,贾明章.常用中波天线的输入阻抗J.广播与电视技术,2004,31(5):89-90.5刘关清.浅析扩大中波广播覆盖范围的理论与方法J.电子报,2014(6).6 王琴剑,李廷军,张杨,等.高大地物对于中波导航台的无源干扰特性J.海军航空工程学院学报,2015,30(6):526-530.第一作者简介：王一凡（1991），男，2015 年毕业于山东大学电气工程学院，工学学士学位，2016 年起从事广播技术工作，初级工程师。图4 实测68m桅杆天线频率阻抗特性曲线图图5 1098kHz改造前后收听质量对比情况表图6 1557kHz改造前后收听质量对比情况表匹配网络调整到合适状态，理论上发射系统工作稳定性将会得到质的提升。此天线高度下 1098kHz