中短波天线基本知识讲座

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1、毛旭辉一、天线的基本情况1. 天线的发展 最早是麦克斯韦尔根据前人的经验，如安培定律、基尔霍夫方程，提出了一个位移电流的概念，从而引出麦氏方程，推断存在电磁波。也就是变化的磁场产生变化的电场 ，变化的电场又产生变化的磁场，这样不断地 从中心向外传播。在 1887 年，赫兹通过实验证实这一推断。从而带来了一系列的实用研究，马可尼于 1901 年利用偶极子天线进行无线电传输。到现在马可尼公司还活跃 在世界无线电舞台上。天线从简单的偶极子天 线，发展到目前不同频段、不同形式的线天线、面天线，而用 于不同部门，如雷达天线、广播电视天线、微 波通讯天线等等， 只要把有用的信息有效地向空间辐射出去而不引起

2、自身出现问题的物体都可以认为是天线。2. 天线的作用由于天线的互易性，把天线可以当成一个四端网络， 输入输出，也可接受信号，通常天线就是将发射机 输出的射频信号变成电磁波辐射出去，同时也可以作为接收电磁波信号传到专用的接收机，使我们能够发射、 接收广播电视节目。3. 中短波广播频段的划分根据国际无线电联盟 ITU 在 92 年确定的 WAC92 短波频段是：3.2MHz 3.4MHz ， 3.9MHz 4.0MHz ， 5.005MHz 5.06MHz ， 5.90MHz 6.20MHz, 7.1MHz 7.35MHz, 9.4MHz 9.9MHz ，11.6MHz 12.1MHz ，13.5

3、7MHz 13.87MHz, 15.1MHz 15.8MHz ，17.48MHz 17.9MHz ， 18.90MHz 19.02MHz ， 21.45MHz 21.85MHz ， 25.67MHz 26.10MHz 这些为专用的广播频段，但我们常用一些带外频率，这样的播 出效果也非常好，尽管接收场强比较低，但效 果非常好。但国际都有这方面的限制，不是可以 随便使用的。中波是 526.5KHz 1606.5KHz 。由于 9 KHz 邻频间隔，实际上中波从531KHz 1602KHz 共 120 个频率，因此中波频率资源非常紧张，特别是大功率广播覆盖上经常是选择一个频率要做许多工作，因为 在大

4、功率中波的覆盖范围内，都只能有一个广 播声，如果说地方想使用，这频率就会互相干扰，而大功率覆盖范围广，所以选择一个频率是非常难的。4. 天线的主要参数 方 向图通常的方向图是水平 360。垂直0 -90 , 距离在5 10入的场强值图。见图1图 1 天线方向图方向 图实际都是理论计算得出的， 但要得实际上方向 图是比较 困难， 需要用直升飞机载场强仪在不同的测试 点，不同的高度的测试点测出后画出一个立体的方向图。在实际中我们只考虑仰角为1 -2距离在5 10入的场型，它不是一个真的场型，但是它能够判断天线的主向是否正确。 方向系数、效率、增益方向系数 D 是无方向天线在最大产生的场强和实际天线

5、同样功率在最大方向产生的场强之比。效率n是天线辐射功率和输入功率之比。增益 = n .d，相对于半波对称振子天线的增益 = n .D/1.64 天线阻抗所有的天线调配就是天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗一致， 使能量都能通过 天线辐射出去，驻波比对中波 应小于1.1，对短波应小于1.54，而行波系数k与驻波系数p的乘积为1。 极化极化只是一个理论概念在实际使用中对我们来说意义不是 很大，一般来说短波 水平阵子天线都认为是水平极 化，而中波垂直阵子天线一般认为是垂直极化，极化是 E 场的指向为标准，水平指向就水平极化，垂直指向 就垂直极化，而在一定周期内与传播方向垂直面内其端点轨迹是一个圆。就是圆

6、极化。5. 信号的传输 这里的传输是无线电波的传输， 广播信号是怎样传到覆盖服务区的， 主要有两 种：一个是地波传输，以大地 或海洋为介质传输，一种是以电离层为反射面反射到远的服务区。 地波传播地波传播主要指中波， 传输的范围在 200 300 公里，不同介质也就是不同的地域情况传播的距离是不一样的。利用地导系数、介电常数来计算传输的距离和场强，这里我给出一些经典的数据，频率1KHz，功率1Kw，无方向，北方干土 10km 72 dB 南方湿土 10km 87dB20km 58dB20km 78dB100km 27dB100km 51dB可以根据覆盖范围来设计频率、功率、天线。 天波传播天波传

7、播的形式见图 2 在地球的表面，由于多方面的影响，主要 是太阳的影响形成一个稳定的电离层，电 波通过电离层反射到达服务区。如图电离层分为D层约60公里高，E层约100公里高， F 层约 200 公里高 F 层约 300 公里图 2 天波传播图12高。大家一定会问为什么中波不能在白天进行天波 广播，而只能在晚上，而短波在白天晚上都可以。这主要是中波在D 层被吸收无法达到远的地方，而短波可以穿透 D 层而到 F 层、 F 层进行较远距离的传播，有时还通过 2 跳、 3 跳传输到上万公里。对于天12波远距离传输、天线辐射仰角低， 下层振子离地 高。如果近距离、 天线辐射仰 角高， 下层振子离地低。

8、通常 天线选择挂高是 1.0入、0.5入、0.25入。 衰落区所谓的衰落区是该区域的地波传播和天波信号一 样强，而 无法收到清晰的信号 ， 一般都是发生在中波广播， 在设计时就要考虑对服务区采用什么方式覆盖， 是否造成衰落区正好在服务区 ， 这一般在工程开始时就设计 好，以免建起来后再出现这样的问题，造成不必要的损失。二、中波天线中波天线由许多种形式，我们现对一些常见的形式进行介绍：1. 单塔天 线单塔天线从结构上对于不同功率的天线采用不同的形式，半米边宽正三角形截面，76 米高多用于 10 千瓦左右的发射功率，一米边宽正三角形截面、 用于 150 米高以下， 100-300 千瓦功率， 1.

9、5 米边宽正三角形截面（更 大高度或加笼子）用于功率 600 千瓦以上发射功率或 150 米高，拉线用的绝缘架也多，受的拉力也大，底座 绝缘子的瓷长长、塔底电压高。电气上 场型图单塔天线的水 平场型图是无方向的，垂直方向场型图见图 3图3不同高度的垂直阵子的垂直方向图从场型图看，水平面基本无方向，垂直方向当塔高为0.6入的0方向场强最大，但实际上由于覆盖、衰落区的考虑，不取最大场强值的高度，而取0.53入或0.5入，对于近距离天波覆盖而采用更低塔高，这样使场型的半功率角宽，有效覆盖的能量最多，地波传输是0.53入，天波传输近距离是 0.3入左右，远距离是0.5入左右。但一定注意天线的高度不要选

10、0.4入附近，天线的辐射效果是看辐射电阻的大小，而天线的调配是看天 线的输入阻抗 Z =R +jX ，它的 图示分别是图 4，图 5。in inin图4对称阵子辐射电阻RJr1/入的关系8831图5塔的输入阻抗实测曲线从辐射电阻的图上看，0.3入、0.4入、0.5入的变化不大，但输入阻抗在 0.4入都变化非常大，这样就会对天 线的调配带来非常大的困难， 本来输入阻抗设计可能是感性的，可实际测是容 性的， 调配元件就无法使用， 而要重新设计，设计元器件。因此天线的高度，天线边宽截面等都要根据实际情况来选择。2. 双塔天线场型因两塔的相位的变化而有较大的变化，见图 6， 但不管出现什么变化，但前后

11、的变化不是很大，基本上 不大于3： 1，采用对塔天线，实际上是提高天线的增益，使前向信号增强，后向信号减弱，前后塔相距入/4。3. 四塔天线天线的方向性更强，前后比可达到10 : 1以上，场型更加尖锐，半功率角在45。左右，前后塔相距入/4，左右塔相距入/2。天线的馈电方式见图7。4. 八塔天线场型更加尖锐，半功率角在30左右，前后比大于10 : 1馈电方式见图 8。5. T型天线、r型天线而辐射效果变化不大。这些天线用的不多， 582 台， 552 台还有这种天线。 这些天线可以看成垂直天线，加了一个水平的顶，这样就可以使天线变小6. 接地中波天线如有帮助，欢迎下载。 这是一种新型天线，国内

12、一些地方台已使用，这种天线的最好 处是天线除了可以中波覆盖还可以利用塔体接 地在塔上安装电视、调频天线或通讯天线。 关于它的馈电，我们可简单地认为它是一个接地的电感线圈，像 反射塔那样。馈电如图 9。图 9 接地中波天线的馈电方式7. 中波地网为了有效地将地面感应的电流返到塔底形成一个回路，因此要 修一个较好的地网。同时地网也是塔的防雷接 地的接地体，接地电阻值与辐射效率有关。由于趋肤效应，一般地网的埋深在300 500mm ,对于未征用的 耕地，考虑耕地的需要，地网的埋深可以达到700mm，地网埋设是按对称放射状分布，以塔中心为中心每隔3度布一根，长度约入/2，共120根，对二塔、四塔、八塔

13、交叉的地网线要焊接在一根较粗的铜线上。地网要 与机房通过馈线的接地线、调配室的高频接地连接起来，共同起作用。二塔地网见图10。地网有一个特点，当塔高为 入/2时，地网的长度增加对天线的增益影响不大。因此在征地困难时，地网可以 只铺设0.3入。8. 中波馈线中波馈线的选择主要是根据功率来选择不同的阻抗的馈线。100kw等级一般选择230Q （见图11 ）或150Q的馈线，像50kw采用80mm50 Q的电缆，200kw lOOOkw选择75Q （见图12 ）或50Q的馈线，更大功率则选如有帮助，欢迎下载 择37.5 Q。阻抗越低调配起来越不容易。10kw也有采用37mm的50Q电缆，馈线当高差小

14、于 0.5米时，就不要加调整节，按自然地势安装。馈线的高度一般取离地 4 米，这样比较安全，馈线下经过的人、车不会撞上 馈线。O图1123Q馈线杆结构图图12多线式笼形75Q馈线中间杆结构图9. 调配元件及调配调配元件的选择实际有两个方面的考虑， 一个是 容量，一 个是耐压， 不管是电 感线圈还是电容，达到这两个 要求就可以做到。另外用瓷饼电容还是真空电容， 从维护和调试方便来说是真 空电容好， 但造价较高。 调配 室一定要配备接地开关， 这是保护进调配室人员的安全， 另一个要有接地钩， 是为了电容器放电。 调配室的 屏蔽铜皮和接地都要连接好。天线的调试主要是两个方面：一个是场形、前后比。通过

15、调反射塔的线圈的短 路圈数， 得到不同的前后场强 值，最后选择合适的圈数， 使前后比最大。第二是阻抗匹配对于单塔和对塔天 线，只要将天线与馈线调配阻 抗一样，驻波比小于 1.1 即可。对于四塔、八塔天线需要反复几次调配， 这是塔 之间的互 阻抗变化而影响已调好的天线阻抗又发生了变化， 也就是说 1#、2#、3#、4#四个发射塔，如果 1#、2#调配好后，再调 3#、4#， 3#、4#调配好后， 1#、2#的输入阻抗 会变化， 需要再细调， 这样反复几次， 就可以调好分馈线， 再在主调室调好分馈线与主馈线之间的匹配， 再 在发射机输出端测一下驻波比。如不合适再微调一下主调试的元件。通过这样就可以

16、调配好天线。10. 双频共塔双频共塔在大功率广播采用不多，国外最大用于200kw，国内一般都低于50kw，多用于1 kw， 10 kw。如491台 50 kw X 2，916 台 10 kw X 2，582 台 10 kw X 2。如果采用双频共塔而达到了播出效果， 又节省了天线场地， 对低功率广播是非 常有益。 但在使用中要注意几 个问题： 两个频率差别不要太近，也不要太远，在 1.3 倍左右。 两个馈电之间的阻塞网络的Q值不要太高，也就不要太尖锐但隔离度要大于35dB，太高了不易做到，也没有实际作用。 调配时一定要注意，一定在中心频率 9Khz 范围内驻波比小于 1.1，这是由于目前全固态

17、中波发射机驻波 比在 1.2 左右就开始保护。会造成机器开不起来。11.拉线绝缘子对大功率天线在靠近塔的拉绳采用两个筒形绝缘子串联的2U桶形绝缘架，阻值应大于500M Q，拉绳上后面紧相连的是两个筒形绝缘子并联的1U桶形绝缘架，由于塔的不一样，使用的绝缘架的拉力不一样，由7.5吨,15 吨， 20 吨， 30 吨几种。国外的拉绳绝缘子也是大同小异。主要目的，即断开拉绳，又要保证有雷电的泄 放通道。三、短波天线短波天线在我局使用非常多，同相水平天线，角形天线、菱形 天线、隙缝天线、对数周期天线等等，经过几 年的技改和西新工程，基本上保留了同相水平天线和角形天线，下面主要讲讲同相水平天线和角形天线

18、。1. 同相水平 天线同相水平天线的结构见图 13同相水平天线的水平场形半功率宽度、仰角的一些典型数据：仰角HRm/4/0.5不超过10半功率宽度HR 4/424 HRm/2/0.5 不超过 17HR 2/2 50HRm/1/0.5 不超过 30HR 1/2 74同相水平天线分非调谐天线和调谐天线。非调谐天线是带反射网的天线，这种天线频带宽，在四个频带范围内不需要进行天线调配，前后比均大于51，驻波比小于1.54。频段范围 如6 11MHz , 7 13MHz , 9 17MHz , 11 21MHz。而调谐天线反射幕与发射幕 一样， 调天线时，要先调反射幕， 频带一般比较窄， 改变频率 都要

19、进 行天线调配， 维护非常不方便。目前采 用的都是非调谐的同相水平天线。2. 角形天线 角形天线的馈电示意见图 14。 角形天线主要是近距离无方向短波覆盖， 因此使用的频段就非常低，因此天线的频带非常窄。 35MHz ， 57MHz ， 79MHz ， 一般频段不超过 9 MHz 。天线的振子一般 带有折合振子，此类天线调配非常麻烦， 需要反复进行，但调好以后，在天线频 段范围 内都可以使用。3. 菱形天线菱形天线是一种行波天线，天线的驻波比比较接近于 1.1，但菱形天线不能用于大功率广播，多用于 50kw 等 级的天线或专用于接收天线。菱形天线有单菱形天线、双重菱形天线。4. 隙缝天线隙缝天

20、线实际上是一片状的折合振子天线，用于大功率天线广播。目前只有491 台和 951 台还有天线在使用。5. 对数周期天线在技改以前，有一些使用这种天线，但由于设计上存在的问题， 天线经常打火， 无法使用。 主要是不同的频 率起作用，耦合的振子就不一样造成的阻抗不一致，而使得匹配不好而大火。目前基本不上不使用这种天线世界上主要用于 100kw 的转动天线上，大功率无法使用。6. 馈线如有帮助，欢迎下载。 所有的短波馈线的设计要考虑一个安全、一个造价。馈线的安全性通常有一个要求在当地的气压气温情况下， 发射机功率加 100% 调幅的情况下，电位梯度与火花放电的电位梯度的一个比值，对于500kw 一般

21、应大于 2 ，对于 100kw ，1.6 就足够。目前我局使用的馈线形式如四线、六线，一般来说，笼形平衡馈线的对称性较好， 因此在大功率的馈线中，多采用笼形平衡馈线，现采用的有 12 线，浙江、 14 线，新疆、 16 线云南分别用于 不同地区。而 951 台 采 用 17.5 铜绞线有两 个问题，一是造价高，二是维护不太方便，馈线的外观也不是太漂 亮。大功率的馈线多采用笼形馈线。7.交换开关 交换开关主要有全交换，半交换，和部分交换。主要是为机器和天线能有效地结合，达到比较好的利用率。564台的全交换6 X 30, 594台是两个全交换的用E、F 母线联系起来。而其他台就是部分交换。根据实际

22、情况应采用部分交换比较适合于我局的情况，只有这 样，我们才能既有效利用天线， 又不需要较大的 投资。交换开关的使用要注意 几个问题， 一个是单个开关的 驻波比，要低于1.1，损耗要小于0.03dB，两路信号之间的串扰隔离 要大于35 dB，转动速度小于5秒。并能 承受相应的功率。特别要注意开关的串扰问题，不然就得不偿失。8.转动天线 转动天线的外形见图 15。最新引进的转动天线与同相水平天线没有什么区别。最主要的是将天线的分布参数 调配改成集中参数调配，调配是和发射机同时进行。转动天线背靠背有两副天线是HR4/4/0.5611MHz ，HR4/4/0.51326MHz ，天线的振子用钢架支柱固定在主塔角，塔筒通过齿轮带动转动到需要的方向，天线可HR4/2，HR2/4，HR2/2形式播音，均可用于 500kw。天线的驻波比 小于1.1，但为了保护调配系统，对天 线端驻波比必须小于 5，对发射机端必须小于 1.6。同时调配元件是电感、真空电容。还要考虑天线的防寒， 因此天线的最低温度在-35。以下，另外最大抗风200公里/小时，因为此时转动天线会自动转向顺风方向而保护天线，目前天线正在 2021 工地建设，建好了就是西新工程三期标志性建筑。图 15转动天线外形作者简介 毛旭辉，无线局技工处副处长