中波轉播臺天線系統性能優化設計與實施

吳 杰，李天琦

（1.遼寧朝陽三二八轉播臺，遼寧 朝陽 122000；2.上海大學，上海 200444）

0 引言

傳播媒介離不開廣播電視，中波轉播臺是無線廣播網中波信號的重要傳輸平臺之一。中波轉播臺傳輸設備主要包括發射機、阻抗變換器及天饋線系統，天線系統的質量會直接影響播出信號的質量及其傳輸節目的覆蓋面[1]。工作環境處于室外的發射天線，因轉播臺場地原因，大多數不備有備用天線，如果出現故障會造成節目長時間停播。

為了確保天線系統能夠穩定運行，需要定期對天饋線系統進行維護以及指標測試[2]。針對發射機易發生的天線駐波比故障、天線零位數值過高、地網對地電阻過大、發射天線雷雨天氣放電現象等問題，對天線系統進行相應的改造與優化設計是行之有效的解決方法。本文闡述了天線性能優化設計方案，并結合具體案例分析了方案實施的結果。

1 衛星天線性能優化設計與實施

1.1 衛星天線接收信號原理

衛星天線即衛星接收天線，俗稱 “大鍋” ，是一個金屬拋物面，主要由天線、饋源、高頻頭、衛星接收機組成，如圖1 所示。衛星天線將衛星傳來的微弱信號反射到饋源和高頻頭，對信號進行放大、變頻、濾波處理，再經過饋線傳遞給衛星接收機，以獲取要播出節目的信號[3]。

圖1 衛星天線結構

1.2 衛星天線的優化設計與實施

1.2.1 衛星天線位置及天線類型選擇

為了更好地接收到衛星信號，衛星天線要安裝在視野開闊、無高大建筑物遮擋且遠離噪聲源的空曠地最高處。工作中使用的天線口徑理論上來說越大越好，因為天線的直徑越大，所接收的信號強度就越強。但考慮場地、運輸、安裝成本等因素，實操中要求在滿足接收通信衛星基本要求的前提下天線直徑規格應盡量小。在具體工作中，各臺站可根據實際情況選擇合適口徑的衛星天線。

一般情況下，通信衛星要求地面接收站的G/T 值不小于26 dB·K-1，故對于C 頻段（3.7 ～4.2 GHz）衛星接收天線需使用較大口徑的正饋天線，一般選擇直徑為1.8 ～6.0 m 的天線。Ku 波段（11.7 ～12.2 GHz）的頻率較高，衛星天線口徑可小于1 m。例如，使用0.35 m 天線就能接收中星9 號的電視節目。

1.2.2 合理選擇高頻頭

高頻頭是衛星天線的核心部件，將饋源傳輸來的信號進行解調、放大、變頻、濾除雜波后，經電纜線送入衛星接收機。衛星天線一般選用本振頻率穩定度高、本振相位噪聲小、動態增益大的高頻頭[4]。

隨著第五代移動通信技術（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）技術的發展應用，緊鄰5G 基站的轉播臺站C 波段衛星天線的信號易受到干擾。針對這一問題，可安裝使用抗5G 干擾的高頻頭，或在高頻頭前增加過濾5G 干擾裝置。

1.2.3 選擇合適的饋線長度

連接拋物面天線和室內衛星接收機的饋線越短越好，饋線過長會衰減信號。例如， “遼寧之聲” 的信號有段時間出現卡頓現象，經故障分析排查，原因正是連接天線和衛星接收機的饋線過長。將繞行的饋線改為近距離連接，即可正常接收衛星信號。選擇合適的饋線長度對接收衛星信號十分重要。

1.2.4 定期維護

在日常工作中，應通過檢測衛星接收機信號的強度，監聽伴音的音質、響度，定期或不定期微調天線，使其始終處于最佳的工作狀態。在雷雨雪天氣，特別是北方的冬季，要及時清理金屬拋物面和饋源上的雨雪，以免雨衰、雪衰造成接收信號衰減或中斷。為防止反射面長期風吹日曬雨淋造成掉漆、腐蝕，應定期對金屬拋物面涂漆[5]。

2 發射天線系統性能優化設計與實施

2.1 發射天線及其作用

發射天線是將導行波模式的射頻電流或電磁波變換成擴散波模式的空間電磁波的轉換器，中波轉播臺發射機的輸出功率依靠發射天線才能有效地輻射出去。發射天線具有兩個作用：一是把傳輸線上傳的高頻電磁能轉化為自由空間的電磁波；二是集中能量，減少其他方向的能量損耗。

對于中波轉播臺來說，發射機輸出的高頻信號能否高效地輻射出去，與天饋線系統的性能密切相關。如果天饋線系統的天線質量不達標，播出的聲音信號會出現強度弱、失真、噪音大、有串音等等問題。在雷雨雪等極端天氣下，如果天線性能不好，天線駐波比過大將引發發射機功率降低，甚至導致關機故障。因此，發射天線系統是中波轉播臺站安全播出的一個重要環節，除日常維護，對長期運行的天饋線系統進行性能優化設計也是轉播臺工作的重中之重。

2.2 發射天線的基本參數

2.2.1 天線的極化方式

發射天線是輻射電磁波的器件，天線極化就是指天線輻射電磁波時形成的電場強度方向，其線極化可分為水平極化和垂直極化。當電場矢量平行于地面時為水平極化，此時電波稱為水平極化波；電場矢量垂直于地面時為垂直極化，電波稱為垂直極化波[6]。水平極化波貼近地表面傳播，由于大地對波有吸收作用，會使電場信號迅速衰減。而垂直極化波不易產生極化電流，信號衰減慢，可以保證信號傳輸質量。在無線廣播通信中，一般采用垂直極化的方式。

2.2.2 天線的方向性和天線增益

發射天線會向空間中輻射電磁波，但不同的方向上天線輻射電磁波的能量不相同，即天線具有方向性。天線的方向性是指天線輻射的能量集中在期望方向上的程度，可以用方向圖表示，如圖2 所示。

圖2 直角坐標系天線方向圖

天線增益是用于定量描述天線把輸入功率輻射出去的程度的指標，是天線的重要參數之一。在輸入功率相同的情況下，實際天線和理想天線在空間同一點處的功率密度之比即為天線增益。天線增益與天線方向圖密切相關，方向圖主瓣越窄能量輻射越集中，副瓣越小，能量分散越少，增益越高。

2.2.3 天線輸入阻抗與天線駐波比

天線和饋線的連接處稱為天線的輸入端或饋電點。對天線來說，天線輸入端的電壓與電流的比值則稱為天線的輸入阻抗，表達式為

式中：Rin為實部，稱為輸入電阻；Xin為虛部，稱為輸入電抗；U和I分別為天線輸入端的電壓與電流。

天線的輸入阻抗與天線本身的結構形式、尺寸、工作頻率、饋電點位置及工作環境等因素有關。當天線的輸入阻抗和饋線的特性阻抗不匹配，即天線輸入阻抗等于饋線特性阻抗時，會在饋線上產生反射波，稱為駐波比（Standing Wave Ratio，SWR）。SWR 就是饋線上的電流（或電壓）最大值與電流（或電壓）最小值之比。

SWR 是天線及發射機是否能夠穩定工作的電氣指標，對于發射系統而言，SWR 越小，反射功率越小，能量傳輸效率相對越高。一般情況下，移動通信天線的SWR≤1.5，單頻工作的中波天線SWR≤1.1。

3 中波發射天線優化設計的關鍵因素

發射天線類型的選取由天線工作頻率決定。在天線的優化設計中，天線的方向性、天線增益、輸入阻抗、SWR 及帶寬都是決定天線性能的關鍵因素，在具體實施過程中要考慮天線高度、天線結構、地網和饋線系統的鋪設，調配網絡的匹配等問題。

中波天線是中頻波段的傳輸設備。中波廣播的 頻 率 為526.5 ～1 606.5 kHz，波 長 為567.0 ～187.3 m。中波工作的頻率低，波長比較長，不易受到建筑物的影響，根據這個頻段的電波傳播特性，中波能以表面波（地波）和天波的形式傳播，中波轉播臺采用垂直極化天線。以前常用T 形發射天線和倒L 形發射天線，發射效率低、效果差，現在逐漸被自立塔天線或桅桿式單塔天線取代。

4 天線優化設計方案的具體實施案例

遼寧朝陽三二八轉播臺為中波轉播臺站，轉播的兩套工作頻率在600 ～900 kHz 的節目采用雙頻共塔的方式發射，工作頻率之比為1.25，滿足雙頻共塔的兩個發射頻率之比不小于1.25 的要求。在日常維護檢測中發現發射天線存在以下問題：第一，天線地網對地電阻過大，近10 Ω；第二，發射機面板顯示屏電壓駐波比經常亮紅燈；第三，天線零位過高，最高紀錄達12.9；第四，遇到打雷天氣，發射塔的放電現象比較嚴重。基于以上問題對發射天線實施優化改造，具體從以下5 個方面實施。

第一，采用76 m 拉線桅桿式單塔天線。塔身由若干截面為正三角的塔節組成，帶三方向拉繩，底部絕緣。桅桿鋼材采用Q355C 鋼，絕緣子均采用能承受雷電激發的靜電場影響的高頻瓷，拉線塔基礎為獨立基礎，地錨為板式錨。

第二，地網應與塔底的地井良好連接。地網線每3°一根，深埋0.3 m，均勻鋪設到鐵塔周圍的接地銅帶上，錫焊牢固。地網線、鐵塔地線及調配室接地線均采用電氣連接，以確保其接地良好。

第三，在塔座底部的絕緣子上并聯避雷器作為防雷措施。石磨放電球的間距調節到2 cm，如圖3所示。

圖3 基礎屏蔽與放電球裝置

第四，鐵塔天線的拉繩用高頻絕緣子隔開，分段連接，減少感應電流的二次輻射對鐵塔的影響。

第五，桅桿優化設計改造之后，對天線的調配網絡進行測試，使輸入阻抗與饋線的特性阻抗相匹配。天線調配網絡參數的變化大多由電感元件線圈帶動引線電感產生，配合網絡測試儀微調電感線圈，使天線輸入阻抗與饋線的負載阻抗匹配，最終確定參數。

5 結語

隨著科技的不斷進步和對節目質量要求的不斷提高，天線系統優化設計及實施已成為必然趨勢。遼寧朝陽三二八轉播臺的天線系統經過優化設計和改造后，性能得到極大改善。實踐表明，該方法具有一定的有效性，可以為中波轉播臺天線系統的設計改造提供參考。