中波錐面頂小天線及其應用研究

楚紅明

（作者單位：河南廣播電視臺104臺）

1 中波天線最佳高度的分析

中波傳統天線大部分采用垂直鐵塔天線，天線頂端開路，底端用絕緣瓷柱與地隔離，鐵塔底部以鐵塔為中心用銅線輻射狀向外鋪設0.3～0.5 λ長度的地網線，與鐵塔構成一個開放的電容器結構，可以無方向性的向外發射與地面垂直的電磁波，如下圖1所示。

圖1 傳統拉線塔

對于中波而言，由于其波長187 m＜λ＜566 m，所以天線的橫向尺寸無論如何都小于其發射波長。這樣就可以把天線當作細導體來看待。其上的電流分布計算可以近似為：

I=I0sink(h-z)

單塔天線的輻射場強是天線上各段電流的輻射場強的矢量和，主要由波腹附近的電流起作用，其他部分電流的影響較小。所以，增加天線的高度就可以將電流的波腹向上移，增強輻射效果，從而達到更遠距離傳播的要求。而經過研究表明，天線高度并不是越高越好，當天線高度超過0.625λ時，在近距離就會產生天波干擾，經過試驗，最合適的天線高度為0.53λ，所以，0.53λ高度的天線也稱作抗衰落天線。

圖2 電流分布圖

2 增加天線高度的方法

增加天線高度的方法有兩種。

2.1 增加天線的物理高度

對于中波天線低頻段來說，要想達到理想的0.53λ天線高度。需要架設200～300 m的天線高度，天線的架設及維修有很大困難。

2.2 增加天線的有效高度

天線的有效高度定義為：一個電流分布不均勻的天線高度如為h，用一個沿天線具有均勻電流分布的電基本振子天線等效，與h對應的有效高度就為h0。

其中，I0一般取輸入點的電流值或者最大電流值。

由定義可知，當天線的有效高度越高，天線的輻射能力越強。

等效高度與實際高度對比如圖3所示。

圖3 有效高度圖

由以上闡述可知，實際高度與有效高度產生差別的原因是實際天線上電流分布不均勻造成的，正是因為電流分布不均，導致天線的輻射效率降低。

為提高天線的效率，就要改善天線上的電流分布，使其分布均勻。改善天線上的電流分布，可以采用頂部加載的方法，即在天線頂端增加電抗負載或擴展狀枝干以增加天線的有效高度。有效高度增加了，電流駐波腹部也就隨之升高，天線發射也就得到了增強，節目也就可以傳輸得更遠。天線加載前后電流分布示意圖如圖4所示。

圖4 加載前后對比圖

可見，天線加載后，改變了天線的有效高度，等效于加高了實際天線高度。

3 76米雙錐式中波小天線原理分析

第一，利用錐面緩變原理，降低終端反射和諧振頻率，在塔高一定的條件下使天線的有效高度增加，也不影響天線的效率，如圖5所示。

天線頂端正置一開口向上的，椎體長度為7 m的錐面體，一方面由于電波的緩變效應，減小了天線上端的反射。另一方面，錐體與地之間產生了一定的容抗，這就使天線的諧振點下移，從而使同樣波長的發射所需要的最佳天線高度大大降低。經過測算，7 m的錐面體加上豎直塔體，其有效高度相當于原96 m直立塔塔高。

第二，利用天線的長細比原理，降低阻抗的變化率，提升天線帶寬。我們知道天線的特性阻抗越大，天線的帶寬就越寬，就越能更好地匹配不同的發射頻率；特性阻抗越小，天線的阻抗帶寬就越窄。根據天線的長細比原理，振子天線的特性阻抗主要取決于長細比α，即α=2ln（2h/r）。其中，h是天線振子臂的長度，r是天線臂的半徑。α越大，天線的特性阻抗就越大，因此，在同樣長度條件下，較粗的天線具有較寬的工作帶寬。

第三，利用套筒天線理論，調高輸入電阻和輻射電阻，降低阻抗變化率，從而提高小天線的帶寬。套筒內發射體的電流和套筒內壁電流反相，起到了傳輸線的作用，套筒外壁電流和內發射體的電流同方向，也構成了輻射體的一部分。這種結構不僅提高了天線的機械強度，而且由于振子加粗，明顯改善了天線的特性阻抗，有效拓展了天線的工作頻帶。

理論分析和實驗都證明：套筒式單極小天線的上輻射體長度為L，套筒長度為l；內輻射體的直徑d，套筒直徑為D。當l/L=2.25時，套筒天線方向圖在4：1頻帶范圍內變化最小，并可使天線的旁瓣電平最低，所以通常認為l/L=2.25是套筒單極子天線的最佳長度。實驗表明，如果加粗上輻射體的直徑，則可進一步降低高粗段旁瓣，一般認為D/d=2∽39是最佳值，天線的輸入阻抗為：Zc=60lnD/d。

圖5 錐面體小天線

4 錐面頂天線與傳統天線場強的對比測試以及主要技術性能指標。

10 kW錐面頂負荷天線和原拉線天線場強對比測試數據如表1所示。

表1 兩種天線場強測試數據的對比

由以上闡述和數據我們可以看出，新型錐面頂天線已經具備了代替傳統拉線天線的完備功能，而且還具有占地面積小、塔高不高、便于維護等很多優點，所以，錐面頂天線代替傳統天線已經是必然的發展趨勢。