锥面顶负荷自立塔式中波发射天线工作原理及应用研究.pdf

PAGE051现有中波发射天线应用时虽占地小，但信号不够强，在应用中的收测强度比立塔式中波发射天线性能差。因此，本次提议采用锥面顶负荷自立塔式中波发射天线，并对其工作原理和应用进行分析，以增强其应用效果。首先分析中波发射天线具有天线加顶原理、电磁场交叉原理和天线加载技术的工作原理。然后设计中波天线的预调网络时，根据不同的阻抗进行串联及并联的设计，选用T 型网络进行匹配。之后对天线本身、天调网络以及电源三个部分进行防雷技术的设计。最后确认天线中天线高度，地网及地阻和调配网络三个部分的参数设计。实验将锥面顶负荷天线与铁塔天线进行收测强度的对比，得出在2 0 0 m内锥面顶负荷天线的收测强度好于铁塔天线，2 0 0 m外与略强于铁塔天线收测值结果，可以体现出锥面顶负荷自立塔式中波发射天线在实际应用中的收测强度优于铁塔天线。Although the existing medium wave transmission antenna occupies a small area in application,the signal is not strong enough,and the receiving strength in application is worse than that of tower type medium wave transmission antenna.Therefore,this proposal adopts a conical top load self-supporting tower type medium wave transmission antenna,and analyzes its working principle and application to enhance its application effect.Firstly,analyze the working principles of the medium wave transmission antenna,including antenna topping principle,electromagnetic field crossing principle,and antenna loading technology.Then,when designing the pre tuning network of the medium wave antenna,series and parallel designs are carried out based on different impedances,and a T-shaped network is selected for matching.Afterwards,lightning protection technology will be designed for the antenna itself,the antenna network,and the power supply.Finally,confirm the parameter design of the antenna height,ground network,ground resistance,and deployment network in the antenna.The experiment compared the receiving strength of the conical top load antenna and the tower antenna,and found that the receiving strength of the conical top load antenna is better than the tower antenna within 200m,and slightly stronger than the tower antenna outside 200m.The results show that the receiving strength of the conical top load self-supporting tower type medium wave transmission skyline is better than the tower antenna in practical applications.顶负荷天线 自立塔式天线 中波发射天线 锥面天线top load antenna;Self standing tower antenna;Medium wave transmission antenna;Conical antennaDoi:10.3969/j.issn.1673-5137.2024.01.006摘 要 Abstract关键词 Key Words0.引言常见的中波天线传输方法是通过天线向周围发射电磁波信号，然后由接收器接收并解码这些信号。一般来说，中波天线的传输距离存在一定的限制，这取决于天线的设计和功率等因素。因此，塔式天线的使用受限，其主要用于低频的中波发射天线，而且天线通常安装在塔底，这种天线的传输频率不同于常规的天线使用，常规天线是通过架高电线，完成对信号的传送。为了防止底部信号被阻隔，需要增加辐射的频率，并且对于障碍物要进行上部的负载处理，与锥面中波发射天线相比较，在运作原理上有些许不同1。1.分析中波天线工作原理1.1 天线加顶原理一般情况中，为减少加顶环节中出现的不必要损耗，即热损耗问题，采用天线取代的操作，使得原有的电线的热量消耗在被取代了以后，完成降低热损耗的目的。这种方法在降低热损耗的同时也能够保证天线顶部仍有电流通过，而且能够完成天线增高的目标。天线的增高不仅能够更好地传输信号，而且能够在一定程度上避开障碍物。所谓加顶是一种天线处理方法，其通过在天线顶部加装特定的构件，改变天线的电容和电抗性负载。本文选用天线锥面顶负荷自立塔式中波发射天线工作原理及应用研究 李岳松（山西省广播电视局中波台管理中心 山西 太原 030001）无线通信Wireless CommunicationsPAGE052加顶的具体流程如下：首先，为了进行加顶处理，在锥面中波天线的顶部穿过一个“U”型环。通过这个环，电线垂落到地面上，从而将顶部载荷的天线引至地面，完成了加顶处理。加顶后，天线顶部与地面之间形成了一定的电容。这不仅增加了导地的电流分布，还增加了导体的分布电容，使天线顶部成为一个具有电容性的负载。天线加顶后，其结构如图1所示。图1：天线加顶结构图1.2 天线电磁场交叉原理锥面顶负荷自立塔式中波发射天线，所使用的工作原理中，除了一般的常用项天线加顶处理，还有电磁场的交叉产生的天线的中波发射波频，图2为中波天线在电磁场中的模型。本文将基于上述研究基础对这一原理进行详细阐述。图2：天线在电磁场中的模型中波发射天线属于单导线，当有电流从中通过时，导线上的电流不停变化，且随着时间的增加而产生的了电磁场，电磁场作为场强，进行向外的辐射，而对于电磁式方程的计算，则需用到洛伦兹原理，计算如下：（1）式中，代表磁通量；代表电位移矢量；c代表电磁场磁感应强度；t代表时间；代表电荷密度；代表电荷运行角速度。根据洛伦兹条件，设方程的解为：（2）式中，均代表电荷运行角度；v代表电荷运行线速度。由公式（2）得出，运用该公式时，对于电磁场的电场强度的计算，不仅需要得知天线上电流的分布流向，且需要知道电流所处于的电磁场的走势。在电流与电磁场的实际运用中，并不能事先知道电流的分布，因为电流的运动，受到电磁场的影响，而电磁场的变化，是由电流的经过激发的，二者处于相互制约的状态，所以可将这个问题归类于边值问题，并对其边值问题进行求解2。所以对上述问题的解决，首先设天线为理想状态下的圆柱形，且截面半径为a，那么长为d，若圆柱形导体的半径远小于所辐射的电磁波的波长，即a，除此之外，既然作为理想状态的圆柱体，那么就可以视为规整的圆柱，则可认为电磁场呈轴对称分布排列，因此，假设取天线沿z轴延长，则 将只有z这一方向的磁场分量，设 频率为，即存在。下面先建立在天线表面上 的方程，由得，为了从上式中消去，将上式对t求偏导数，并注意洛仑兹条件得：（3）因上述中设天线为理想圆柱体，则在天线表面上，的切线分量不存在，即为零的状态，得出Ex=0，所以处于理想导体的天线其表面上有：（4）其中，Az为天线表面失势。基于电磁场和电流的互相影响，对其的计算成为边值问题，而本文对这个问题的论述，处于两种考虑，首先，对天线辐射问题的积分推导，使天线成为理想状态下的圆柱形导体，即a0的近似状况的设定，即可取值a=0，得出天线电流的正弦分布。而z向上的核K(z-z)，代表了天线表面处的电流对固定P矢势 的贡献。作为先值条件的a0，半径 与z的同向分量时，K(z-z)为算式中数值最小状态，而电流对固定P矢势 的贡献最大。另外，设天线的两端处为I(z)，若I(z)=0，在a0的情况下，形成中波天线的电磁场的交叉分布。1.3 天线加载技术天线的加载技术的应用，首先都是提高天线的有效高度和减少消耗，在高度的因素变量中改变电流在天线上的分布和位置，增强了电流的辐射效果和输出信号。其次对于天线底部的设置，能够保持输入阻抗处于较高的状态，那么就能够相对减弱天线的地损。为了能够减小天线地阻的损耗，加顶天线的理想状态为水平部分的等效标高为/4，而垂直部分的高度也是/4，所处于的/4的电流密度无线通信Wireless CommunicationsPAGE053驻波，其波腹点，可转移到电线垂直部分的顶点上，但相应的，天线电流的电驻波的峰值则达到了馈线的最低点。这个设计可以使得电流的波腹点能够有效加强垂直处的辐射，而峰值处则可以提高馈线的输入阻抗，两者的设置都能够有效减小阻抗。但是若垂直部分的高度无法达到/4，也应使馈线垂直于地处的长度到达/4，确保电线上电流驻波值尽可能的小，驻波值的减小有利于减少天线的地阻，能够有效减少能选损耗3。2.设计锥面顶负荷自立塔式中波发射天线应用流程2.1 设置中波天线的预调网络通过对中波天线工作原理的分析，对锥面顶负荷发射天线的设计，首先要设置中波天线的预调网络，但发射塔的不同，所以工作频率也不同，为了便于计算，设某种信号的阻抗为ZA1，另一种信号的输入阻抗为ZA2，当中波天线阻塞网络的实在功率最小时，需要减少两个频率天线输入阻抗模值，方法则是设置预调网络，其网络结构如下图3所示。图3：天线预调网络结构图如图3所示，串联的X01和并联的X02构成预调网络。天线阻抗ZA1在串联X01元件后，得到的阻抗为X011，作为串联的阻抗，X011要满足预调网络的基本要求，然后，将X011与X021并联，X021是由ZA1和X02元件并联所得的阻抗，X011与X021并联得到并化串阻抗；经过上述阻抗的不同的串联与并联，以及与ZA2串联的X01元件所得阻抗X012，在满足预调结构的同时，和X02元件所得阻抗X022并联，同时建立等式方程，解出X01元件和X02输入阻抗膜值相等时所需要的电容。但是在天线网络的实际应用中，两组或多组输入的阻抗相对值接近即可，无需进行过于精确的计算，因实际状况中仍有其他占据一定权重制的问题。因此X01元件的电容可忽略不计，而且电容的选取需大致相同，因此并联的X02元件选取电容应比实际运算值稍小一些。2.2 匹配中波发射天线中波天线的预调网络，是不同阻抗之间的先制配比，在预调网络设置完成后，将对其进行天线信号的匹配。匹配网络的作用为使天线与馈线完成阻抗的匹配，使得发射器能够发挥最大效率，将高频能量进行对星输送。常规的匹配网络有“”型、倒“”型、“T”型、型，这四种，本文选用的为“T”型网络，“T”型网络网络构造如图4。图4：T型匹配网络本设计选用T型匹配网络，首先，利用T型匹配网络通过选取不同的元件值来改变Q值，满足网络对Q值的要求。其次，根据天线的特性，以阻抗为50欧姆的同轴电缆作为馈线，使得T型匹配网络匹配特性阻抗W较小的情况进行设计。然后，利用T型匹配网络实现阻抗变换，通过不同阻抗更换的处理，完成对工作频率的中心的精确转换，而且有利于后期调整。最后根据不同的匹配结果，选择最优网络4。2.3 设置天线防雷技术在完成天线的一系列的设计流程后，就是对于天线的防雷技术的配置，天线的防雷技术，包括天线本身的防雷技术、天调网络的防雷技术以及电源的防雷技术。2.3.1 天线的防雷天线不仅是中波发射的一个重要装置，也是最易受到雷击的装置。为了设置发射天线的防雷装置，本文采用了在发射天线周围独立建立接地防雷杆的方法，这样的设施可以有效地引导雷电。同时，对于防雷杆进行了绝缘处理，以降低雷电对设备和结构的破坏风险。这样做的目的是提高防雷装置的效果，降低雷击对发射天线的可能影响。而对于接收天线的防雷技术的配置，除了减少雷击的配件损耗，最重要的是为了保证信号的接收的正常，本文采用单只避雷针独立接地的方式，使得雷电在最快程度上导地，保证接收天线的工作效率。2.3.2 天调网络的防雷本文首先为天调网络的天线输入端配置石墨球，用于放电，并在石墨球的接地线上进行磁环的牵引，当雷电输入天调网络的电线时，通过石墨球的放电，产生的电流通过磁环被接地线导地，使得天调网络体系仍旧能够正常运转。2.3.3 天线电源的防雷天线电源作为所有设备运行的核心之处，本身带电的同时也很容易被单程当成雷击的目标。因此，电源作为输出源也必须要做好防雷工作。本文采用在架设发射电源的线路时，对于电源的输入端进行金属电缆铺设，并且格外增设一个电源电涌保护器，确保在被雷电击中时，电压能够有效降低。这样也能够极大降低遭受雷击后致使电源崩溃的局面出现。无线通信Wireless CommunicationsPAGE0542.4 确认天线设计参数在上述的设计流程结束后，最后要根据实际应用确定天线的设计参数。天线设计参数分为天线高度，地网及地阻和调配网络三个部分。本文天线高度的参数设计的范围为526.5kHz到1606.5kHz，波长为0.53。考虑到中波天线在实际状况中还存在缩短率的影响，所以在应用中需要进行适当地缩短，本文对于天线参数的设计，保持在0.150.4之间。对于地网及地阻的参数设计，因天线会有一定的损耗，所以对于正切损耗角参数的选定需要小于0.01，其次对于天线底部绝缘子的设置，需要满足定量的问题，最后是有关地损耗的问题，低损耗存在于每一个中波发射天线的设置中，且主要取决于中波天线的接地地阻的属性。不同的接地地阻所产生的损耗也不同。对于地阻损耗问题的解决，就需要用到地网。本文对地网的选用处于0.350.5之间。中波天线调配网络由集总元件组成，根据上方的T型匹配网络的选取，本文对于驻波比带宽的参数设计要求在1.25以下。以上就是对于锥面顶负荷自立塔式中波发射天线参数的概要设计5。3.中波发射天线应用实验3.1 实验说明锥面顶负荷中波发射天线的设计基本原理，是基于对常规的水平小反射天线的研制技术基础，通过对锥体顶部的缓变，使振子进行折叠，以及对于垂直小反射天线的参量等设计基础，加以合理设计后的组合。概念上不但包括顶部加载技术，也包括电磁场的交叉技术，最基础则是麦克斯韦方程和波印廷矢量。本文为了研究锥面顶负荷自立塔式中波发射天线的应用实验，模拟安装锥面顶负荷中波发射天线的某发射台，对同一频率、同一发射机分别使用锥面顶负荷中波天线与70m铁塔天线进行了场强覆盖的测试对比。发射台的发射功率为1kW，且7次测试时间与测试地点均处于不同状态下。3.2 实验准备本文的锥面顶负荷天线的发射机理如图5所示。图5：锥面顶负荷中波天线发射机理图而锥面顶负荷发射天线的磁场因符合波印廷定理，所以在投入应用实验之前，需对锥面顶负荷发射天线进行检测，检测时需满足以下条件：（1）电场和磁场必须同样存在，电场以m/V为单位，而磁场以安培圈/米为单位。（2）电场和磁场必须同相。（3）电场和磁场必须占有一样数量的空间单位。（4）电磁场分量必须要有一样的曲率。在检测中，本文的锥面顶负荷自立塔式中波发射天线需要满足以上四个条件，才可进行与铁塔天线的应用实验对比。3.3 实验结果锥面顶负荷中波天线与铁塔天线场强覆盖的测试对比结果如表1。表1：场强覆盖的收测对比值通过表1对场强覆盖的收测值进行对比后，得出结果如下：在200m内的场强覆盖中，锥面中波天线的场强远远高于铁塔天线。且按照规定标准，在0.13MHz,，即中波范围内，电磁辐射电场强度限值规定为：E40V/m或152dBuV/m；则虽然中波广播频率处于较高状态，但是只要不超过上述值，就符合标准。所以200m内的锥面顶负荷中波发射天线的强度便高于铁塔天线，且能够处于标准之内。而在200m外锥面顶负荷中波发射天线的强度接近铁塔天线所测的场强，按照50dBuV/mM70dBuV/m标准来说63dBuV/m处的信号强度，可以达到标准，所以本文的锥面顶天线的测试结果完全符合标准，且与铁塔天线值接近，所以本文所设计的锥面顶负荷中波发射天线在200m内的场强收测效果要好于铁塔天线，200m以外可达到与略强于铁搭天线所测值的效果。4.结束语本文对锥面顶负荷自立塔式中波发射天线工作原理及其应用进行了研究，最后对中波天线的收测效果进行了实验论证，取得了一定的研究成果，但本文在一些地方仍旧存在不足：实验结果中，在15km之内的锥面天线的收测效果较好，但是在15km之外的收测中出现杂音及串音等现象，这将在之后作进一步的研究调整。无线通信Wireless Communications编号距离(km)海拔(m)场强值/可听度地点603kHz70m铁塔天线场强值dBuV/m可听度锥面顶负荷中波天线场强值dBuV/m可听度10.162825110/4126.3/4测试点120.197827110/4+120/4测试点2317.160469/271/2测试点2413.683271/274/2+测试点456.293474/2+77/4+测试单566.4779679.9/3+81/3测试点679.0970877/380/3测试点7PAGE0551 王依巧.中波天线调配网络原理及改频设计J.电视技术，2023,47(01):114-116.2 张庶.中波广播发射天线的类型及维护方案研究J.电视技术，2022,46(09):136-138+155.3 续芳.中波广播发射天线的原理分析J.电子测试，2022,36(14):114-116+119.4 韩利明.中波发射天线地网对发射结果的影响探析J.电子测试，2022,36(10):134-135+126.5 闫本芳.中波广播发射天线技术与维护的研究J.广播与电视技术，2021,48(10):143-145.参考文献作者简介李岳松，1984年2月生，男，山西太原人，本科，高级工程师，主要从事广电工程方面的研究。无线通信Wireless Communications