傳輸線應用于中波雙錐天線的系統研發及拓展應用

邵 勇，姚 靜，邵炳翔

（1.河南省鄭州八零四中波轉播臺，河南 鄭州 450000；2.河南廣播電視臺104臺，河南 鄭州 450001）

1 傳輸線作為電抗器件

1.1 終端短路的傳輸線

終端阻抗ZL=0，終端電壓UL=0，終端電流IL為最大值，此時為全反射，反射系數P＝-1，駐波比S＝∞，行波系數K=0，線上只有駐波。短路線上的電壓和電流的駐波分布如圖1（a），短路線上的輸入阻抗與線長（頻率不變時）的關系如圖1（b）。

圖1 短路線上電壓電流駐波分布圖和輸入阻抗與線長關系圖

終端短路傳輸線的性質可歸納為：①離終端為λ/2的整數倍的各點，是電壓駐波的節點，電流駐波的腹點，輸入阻抗為零，相當于串聯譜振。②離終端為λ/4 的奇數倍的各點，是電壓駐波的腹點，電流駐波的節點，輸入阻抗為無窮大，相當于并聯諧振。③當頻率不變時，長度為λ/4＞x＞0 呈感性，而λ/2＞X＞λ/4呈容性。④在線長不變的諧振狀態下，串聯諧振時，低頻工作呈感性，高頻工作呈容性；并聯諧振時，低頻工作呈容性，高頻工作呈感性。

1.2 終端開路的傳輸線

終端阻抗ZL=∞、終端電流IL=0，終端電壓UL為最大值，此時為全反射，線上只有駐波，線上電壓和電流的駐波分布加圖2（a），線上輸入阻抗如圖2（b）。

圖2 線上電壓電流駐波分布和輸入阻抗圖

終端開路傳輸線的性質：①離終端λ/2 的整數倍的各點。是電流節點電壓腹點，輸入阻抗無窮大。相當于并聯諧振。②離終端λ/4 的奇數倍的各點，是電流腹點電壓節點，輸入組抗為零，相當于串聯諧振。③當頻率不變時，長度為λ/4＞x＞0 時為容抗，而λ/2＞X＞λ/4 時為感抗。④在線長不變的諧振狀態下，串聯諧振時，低頻工作呈感性，高頻工作呈容性；并聯諧振時，低頻工作呈容性高頻工作呈感性。

2 諧振雙錐中波小天線的結構原理

2.1 天線的結構

天線的結構示意圖如圖3。圖3（a）為串聯饋電方式，此時LC構成串聯回路。圖3（b）為并聯饋電方式，此時LC構成并聯回路。α為兩椎體的張角，L為小于λ/4的短路同軸電纜。

圖3 天線結構示意圖

2.2 工作原理

圖4（a）為并聯諧振的工作原理圖，圖4（b）為串聯諧振的工作原理圖。其中L為短路電纜的電感，C為雙錐振子的輻射電容，RΑ為雙錐體的輻射電阻，R為輻射電場的地損電阻，r 為傳輸線的電阻，Rg為信號源內阻。由圖4 可知，雙錐振子與短路電纜分別構成LC串聯諧振回路和LC并聯諧振回路，其諧振頻率fO=1/2π，合理選擇L、C使得f=f。工作頻率此時回路處于諧振工作狀態。

圖4 工作原理圖

2.3 串諧振回路的特點

①諧振時回路阻抗為最小值。②諧振時回路阻抗為純電阻。回路端電壓與回路電流同相。③諧振時，回路電流達最大值。④諧振時，回路中感抗與容抗相等。⑤諧振時，電感線圈端電壓的值與電容端電壓的值相等。并等于總電壓的Q倍。

由上述特點可知，由于諧振時回路阻抗為最小值，因r很小，所以Q極大，其工作原理圖4（b）等效為圖5，此時相當于外加電感抵消了雙錐振子的電容對輻射電阻的分壓作用，回路電壓全部加于輻射電阻。使得錐振子獲得最大的輻射功率。由于諧振時，回路電流達最大值，振子輻射出去的能量而由信號源迅速補充并維護LC串聯諧振構成底部加感天線。

圖5 串聯諧振時的等效電路圖

2.4 并聯諧振回路的特點

①諧振時，回路阻抗且為最大值。②諧振時，回路阻抗呈純電阻，回路端電壓與總電流同相。③諧振時，外加電壓一定，回路總電流為最小值，外加電流一定，回路端電壓為最大值。④諧振時，回路感抗與容抗相等。⑤諧振時，兩支路的電流大小近似相等，并等于總電流的Q倍，方向近似相反。

由上述特點可知，由于諧振時回路阻抗Z。＝Qρ為最大值，因r很小，所以Q極大。通過諧振回路的電流近似為零。其工作原理圖4（a）等效為圖6，此時相當于外加電感抵消了雙錐振子的電容對輻射電阻的分流作用，回路電流全部加于輻射電阻，使得雙錐振子獲得最大的輻射功率，由于諧振時回路電壓達最大值，諧振回路內能量減少集中為雙錐振子的空間輻射，其輻射出去的能量而由信號源及時補充并維持LC并聯諧振，構成中饋對地無關天線。

圖6 并聯諧振時的等效電路圖

3 諧振雙錐中波天線的基本參數

3.1 雙錐振子的幾何結構

由上下兩個金屬錐體構成下椎體接地，上椎體通過金屬導體支撐到一定高度，下方通過絕緣子與下椎體連接。

3.2 雙錐振子的電容C

上下錐體構成電容的兩個極板，極板面積越大C越大，極板距離越小C越大，α越大C越大，雙錐振子的幾何尺寸及結構固定后C固定。

3.3 輻射電阻RΑ

雙錐振子之間傳導電流IΑ作高頻交流變化時，有電磁波能量輻射，輻射功率NΑ＝IΑ2RΑ，把RΑ視作輻射電阻。增大錐距RΑ增大；α減小RΑ增大，增大極板面積RΑ增大。雙錐振子的幾何尺寸及結構固定后，RΑ固定。

3.4 地損電阻R

電流流經雙錐振子，以及傳導電流經椎體入地所產生的損耗，稱為地損電阻，由于雙錐振子的金屬導電性能良好，使得R較小，天線有較高輻射效率η＝RΑ/（RΑ+R）。

3.5 短路線的電感L

短路電纜的電感量作為可確定的設計參數，使得回路設計清晰化調配網絡簡單化，也為雙頻和多頻共塔提供了廣闊的設計空間。

3.6 LC諧振回路的諧振特性

由于LC諧振回路有較好的諧振特性，諧振曲線表現出較為確定和明顯的通頻帶，有效抑制對其他天線頻率的串擾和它頻率對自身的串擾。雙錐輻射體之間的感應場結構較之開放型桅桿天線，具有較強的抗串擾能力，同時避免了對其他天線頻率的串擾。

4 LC諧振雙錐中波天線的應用

4.1 LC諧振雙錐中波天線可操作性

LC諧振雙錐中波天線可操作性強，由于不受高度限制，雙錐的設計和制作簡單，中間絕緣措施簡單易行，結構穩定，短路電纜定型穩定，根據功率容量可采用50 mm、80 mm 等不同粗細的同軸電纜，甚至做成特殊形式的傳輸線。

4.2 中波天線設計上的靈活性

由于短路電纜的引入使得該天線結構不像其他形式的中波小天線壓縮天線的實際電氣長度，這就從根本上保證了該天線結構的電氣性能，規避諸多制約因素。相反較之傳統的拉線塔和自主塔，可根據需要變換其電氣長度，實現設計上的靈活性。

中波天線結構真正做到了節省土地，設計簡單，降低架設成本，適應復雜環境的研制目的要求，實現了真正意義上的中波小天線。

5 傳輸線作為電抗元件的拓展應用

目前無論何種形式的中波天線，都可以在其應用頻率上進行網絡分析，對其分布參數進行定性分析和定量測量。對其不同的電抗參數進行不同類型的諧振補償。利用集總參數元件或傳輸線電抗元件、波導元件等，對于76 m自立塔進行低頻頻率發射時的有效高度補償，具有普遍適用的意義。對于鞭狀天線的矮化及加粗，能徹底彌補有效高度不足，發揮建造方便節和約成本的優勢。