中波广播发射天线浅析
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作者: 程国嵩
【摘要】中波广播发射天线系统作为中波广播发射系统的重要组成部分，其工作性能决定了广播发射的覆盖效果、播出质量及稳定性，所以关于天线的研究探讨非常必要，本文详细分析了拉线塔式中波广播发射天线系统的物理结构和工作原理，并结合实际使用情况对中波广播发射天线的维护提出了建议。
【关键词】天线的结构;阻抗匹配;维护建议
电磁波在传输时，电场方向按一定的规律旋转，称为电磁波极化，极化的形式包括平面极化（垂直极化和水平极化）和圆极化。中波电磁波沿地面方向传播，极化方式主要是垂直极化，因此中波发射天线必须能够产生垂直极化电波。中波广播发射天线为单极振子垂直极化天线，以大地作为回流的回路。常见的形式为底部馈电的拉线塔式天线，由桅杆、带基础的绝缘底座、拉线、地网等构成，为了增加覆盖效果有时会对天线加顶。目前也有采用自立塔式天线，这种天线的优势是灵活且占地面积小。本文主要讨论的是针对常见的拉线塔式天线。
一、天线的结构
1.铁塔
发射台在选择铁塔时要依据发射功率等技术参数来确定铁塔尺寸。中波频率范围是531KHz～1602KHz，波长为187m至564m之间。根据天线高度与相关参数特性曲线可知，理论上的天线最佳高度值为0.625λ，根据实践经验天线的最佳高度是0.53λ，依据现实场地和投资等条件限制，铁塔高度在0.2～0.5λ之间选择，但最好不要选在谐振区的0.4λ，在谐振区内天线系统的阻抗不稳定，而且难以调试。我国发射台最常采用的定型天线为76m标准天线，它的立柱导体直径为20mm，边宽为0.5m。
2.地网
中波发射天线架设在地面上，天线的空间辐射电磁波作用于在大地表面时，大地表面会产生地电流，而大地不是理想的导体，导致天线的辐射能量会损失一部分在地面，从而降低了天线的有限覆盖范围，影响电场覆盖的方向，导致天线的辐射电阻和输入电阻不稳定，这就是天线底部敷设地网的原（下转第477页）（上接第450页）的辐射效率，只能减小天线辐射的损耗功率。 天线的损耗功率包括天线导体的自身损耗、底部塔基的绝缘座导致的高频损耗和大地回流的地损耗，天线的自身损耗和高频损耗相对较小，地损耗较大。回路中的地电流以轮辐状聚汇到天线塔基底部，天线高度和塔基经向距离r（以塔基底部为圆心）决定了地电流的分布，天线高度h与发射波长λ的比值较大时地电流较小，地损耗也较小，天线辐射电阻较大，辐射效率较高。经验表明当经向距离r为0.5λ时，地电流趋于稳定，因此设置0.5λ的地网的辐射半径是比较理想的，通常情况下地网半径r设置在工作波长的0.3λ～0.5λ之间。
铺设地网。在浇筑天线铁塔的基础前，埋入地下一根3～5米的接地铜棒，使用一块薄铜皮将铁塔基础屏蔽，在铜皮上焊上两圈汇流条。以塔基为圆心，地网采用的材料为120根直径φ3的铜线或钢包铜线，长度为0.3λ～0.5λ工作波长，每隔3°一根焊接在汇流条上。为了提高天线的辐射效率，理论上铜线敷设在地表面上，地损耗最小，但考虑到地网长期使用时的破损情况，通常在塔基附近埋深20cm，沿铜线逐渐加深，至网线末端埋深至70cm。如果地网铜线过短，最好在地网线的终端埋一根接地棒，焊在铜线末端。
3.拉线
拉线的平面结构由铁塔的横截面的形式确定，如果铁塔的横截面呈矩形，就采用四边形拉线方式，如果铁塔的横截面呈三角形，则采用三角形拉线方式。不论采取哪种拉线形式，拉线的倾角不能超过60°，角度太大，拉线的张力就会过大，铁塔的轴向力增加，铁塔的摆动幅度会增加。倾斜角也不能太小，倾斜角度过小会增加占地的使用面积。根据天线发射场地的实际情况，在同一个平面上的拉线可以相互平行，也可以不平行而使用同一个地锚。
4.绝缘器件
绝缘底座安装在铁塔基础上，为保证足够的绝缘度，可以在绝缘底座上套上防水罩，防止溅水。铁塔拉线不能直接接在地锚上，每根拉线由绝缘子连接两根钢绳组合构成。
5.加顶负载
如果天线高度不足，可通过在天线顶部加载负荷的办法来增加天线的辐射功率。天线加顶装置简单方便，但是只能用在固定频率上。天线加顶的目的是将原来开路的天线顶部变成电抗性负载的天线顶。依据传输线理论，电抗性质的终端负载不在电流驻波谷的位置上，随天线电流驻波分布情况变化。天线的加顶负荷必须是电抗负载，才可以避免损耗功率，既可以用单独的电容器或电感线圈，也可以用电容器和电感线圈组合。所谓平衡的天线顶负载也是对地而言，常用的电容型天线顶负载不是两个电极性相对的普通电容器负载，圆球形、圆柱形或圆盘形都可以，只要把它架设在天线顶端，通过自由空间能和大地够成电容器即可。
二、阻抗匹配
天线的输入阻抗相当于开路传输线损耗的输入阻抗，天线自身的结构形式、几何尺寸、载波频率、馈电形式、周围环境（地导参数）决定了天线的输入阻抗。中波发射天线的输入阻抗都是采用实测的方法求得，一般方法是矢量电压法、驻波电桥法、矢量网络分析法。匹配天线就是指使用网络分析仪测量天线系统的输入阻抗Rin+jXin，通过调整Γ形匹配网络或者T形匹配网络的电感或电容器，使输入馈线的特性阻抗（50Ω等）和天线的输入阻抗相拼配。采用串联谐振和并联谐振组合的方法抑制来自同一天线场区其他天线的射频反馈干扰，并联谐振于载波频率，串联谐振于干扰频率并接地。同一个天线为多个载波频率的负载时，采用串联回路中的并联谐振的方法，并联谐振于干扰频率（阻塞干扰频率），串联谐振于载波频率，利于载波传输。匹配天线的网络在设计时要考虑到雷击因素。中波发射台多建在空旷的位置上，四周没有较高的建筑物，所以比较容易遭遇雷击。雷电在放电时即会产生直流成分，也会产生交流成分，一般设计匹配网络时，用无功功率很大的电容隔离直流成分，用电感接地的方法去掉高频成分。同时采用电感电容相结合的办法也提高了铁塔的输入阻抗，使匹配网络的设计变得容易。
三、维护
中波发射天线的日常维护包括周检、月检和季检，对地网、铁塔、拉线、绝缘座进行检查保养，定期对铁塔、拉线和地锚进行大修检查，注意拉线和铁塔有无裂痕，拉线是否松弛。在高寒地区和天气变化较大的时候，重点检查铁塔的垂直度，垂直误差和塔身弯曲程度不能超过1/750。仔细检查塔身结构，发现螺栓松动、焊缝开裂和腐蚀严重及时修补。塔身、螺栓和拉线钢绳腐蚀度达到自身直径的1/5时必须更换，发现地锚锚杆锈蚀的必须除锈并刷防锈材料。雨天过后检查绝缘座的防水情况。中波天线经常发生的故障有打火和连接拉线钢绳的绝缘子断裂。铁塔上的打火一般都发生在馈电点的位置上，导致故障的原因是拉线松弛，铁塔在大风中摇摆导致馈电点开焊。局部高电位会导致拉线打火，在打火部位绷上一块铜皮可以有效降低电位，防止打火。发生断裂的绝缘子拉线要及时调整，减轻拉线上的张力。
四、结束语
天线的稳定工作状态决定了发射台的播出质量，随着广播技术的不断发展，以及越来越恶劣的电磁环境，对天线的稳定工作要求也会越来越高，这就要求电台维护人员要掌握丰富的天线知识和维护经验，希望本文可以为同行提供一定的帮助。
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