强短波电磁环境下建调频、电视发射台可行性分析.doc

强短波电磁环境下
建调频、电视发射台可行性分析
我台原发射台位于市区西部，发射塔高142米，由于市区海拔较低，在市区北边有道原，原比市区高一百多米，这样使我台的广播电视信号不能有效地覆盖我市辖区北边县。为了提高我市广播电视在辖区内的覆盖率，我台决定迁移发射台。经过多方论证，综合多方面因素，我台决定租用594台的旧铁塔，并把该铁塔进行了改造，作为我台的调频广播和电视发射塔。
在该铁塔所在区域是短波信号的发射区，有很强的短波信号，那么短波广播和调频广播、电视发射是否会互相干扰，这是我们必须要认真考虑的问题。为此，我们必须做好如下工作：
1．发射天线。调频发射天线及电视发射天线安装在同一地点后，各自发射机能否正常工作。
2．波发射天线对调频发射天线和电视发射天线远距离辐射场的干扰情况。
3．调频发射天线。电视发射天线对波天线远距离辐射场的干扰情况。
由于过去我台的调频发射天线和电视发射天线共塔发射，两者工作都很正常，所以调频发射天线和电视发射天线在此不考虑。
首先，介绍一下相关电磁波的传播特点：
短波广播所使用的频段要分布在6~26MHz。在这个频段里，地波不能形成有效的服务区，其天波则不能完全穿透电离层（大约离地面300公里）所反射，从而在离发射台很远处形成服务区。由于这种特性，短波段最适宜用于远距离（几百公里至几千公里）进行广播。电离层受季节昼夜时间的变化关系很大，也与太阳黑子活动的周期有密切关系，电离层的这种变化使得短波传播不稳定。
调频广播使用的频段是87~104MHz。在这个频段里，沿地面传播的地面波衰减很快，不能形成服务区；向空中发射的电波传播是靠另外途径进行的，在视距内离发射天线较近的接收点，其接收到的场强等于两条射线的合成，一是直接从发射天线传播过来的直射波，一是经地面发射后到达接收的反射波，两者的相互干涉就决定了在不同距离上的接收场强。在离发射天线较远处，直到视线距离附近，以及视距以外，电波的传播遵从“绕射定律”。地球表面改变了电波传播的边界条件，产生球面绕射现象，在视距附近形成相当的接收场强。在视线以外的较远距离，绕射场强急剧减弱，由空气对流层的不均匀性引起的散射现象而形成的电波传播方式居主导地位，使调频广播的传播可以达到视距以外的很远距离。不过散射形成的传播是不稳定的，衰落比较严重，般不能当做服务去看待，但却造成对其他同频发射台的干扰。
电视广播使用的频段分为两段，其中一段位于48.5~233MHz，称为米波频段（VHF），另一段位于470~958MHz，称为分米波频段（UHF）。在这两个频段中，又可各分为两个频段：48.5~92MHz为第Ⅰ频段；167~223MHz为第Ⅲ频段；407~566MHz为第Ⅳ频段；606~958MHz为第Ⅴ频段。电视广播频段的传播特性与调频广播频段相类似。
通过我们实地目测和了解，我把实际选址环境情况简单介绍一下：
1． 短波发射天线
工作频率：3.2~26.5MHz（分频段覆盖）
发射机功率：500KW
无线形式：4×4元对称振子天线，振子间距0.5λ，距地面0.5λ。
方向图：最大指向仰角9度（与所选铁塔的方位相反）
架设：每一个天线幕墙用两个直立的铁塔拉起。
2． 调频广播发射天线
工作频率：99.9MHz，100.7MHz
发射机功率：5KW
极化方式：水平极化
天线增益：8.2dB
天线形式：带有反射网的4层4面双偶极子天线
驻波比：1.1
架设铁塔：高度115米，地面铁塔尺寸12m×12m塔顶尺寸2m×2m
架设方式：距塔顶10米左右

3． 电视发射天线
工作频率：726~734MHz
发射机功率：10KW
极化方式：水平极化
天线形式：直立缝隙天线
天线增益：14dB
方向图：水平面全向，垂直面波束下倾1度
驻波比：1.1
架设铁塔：高度115米，地面铁塔尺寸12m×12m塔顶尺寸2m×2m
架设方式：直立塔顶
4． 天线布局
整个天线场地配置有多幅短波天线，但是短波天线的最大辐射方向基本上都偏离调频电视发射塔。有一个短波广播天线的最大辐射方向指向调频电视发射天线塔，其间距离1000米左右，电视天线和调频天线共塔，塔高115米，整个电磁场环境的简化图如下：
见资料P7
5． 假定条件
根据现场观测，由于缺少具体所采用天线的结构尺寸，因此天线的结构尺寸用中心工作频点的半波对称振子来代替。通过计算两个平行对称振子天线的输入阻抗，和互阻抗，用以定性研究短波发射天线，电视发射天线及调频发射天线之间的互相影响。
互阻抗的计算：由于天线单元彼此靠近，他们将以复杂的方式互相作用，这种相互作用称为互耦。由于互耦的影响将改变单元上的电流，通常电流的相位的变化最明显，幅度也可能不同。因而单元的方向图，阻抗将与它们在自由空间孤立存在的不同。
对于天线的自阻抗和互阻抗的计算有多种分析方法，如感应电动势法、矩量法、时域有限差分法等。当然现在也有一些电磁仿真的商用软件，这里我们根据具体的天线形式和实际应用环境，选用NEC电磁仿真软件来计算天线之间的互相影响。通过软件运算，在距离大于50米时，短波发射天线和调频广播发射天线，电视发射天线之间互相影响较小，可以忽略。
自阻抗的计算：在数值法中矩量法事求解天线问题的一种重要方法。NEC（Numerical Electromagnetics Code）正是利用矩量法技术编写的商业软件，用于计算天线的特性系数。
根据短波广播，调频广播及电视广播的频率设置，采用NEC电磁仿真软件计算单个半波对称振子天线独立存在时的阻抗曲线。分别计算出对应于10MHz半波对称振子天线的输入阻抗特性；对应于100MHz半波对称振子天线的输入阻抗特性；对应于700MHz半波对称振子天线的输入阻抗特性，以此作为基准特性。
1． 短波发射天线对电视发射天线的影响。
假定同时存在工作频率为10MHz的半波对称振子天线和工作频率为700MHz的半波对称振子天线时，用NEC电磁仿真软件计算了700MHz的半波对称振子天线输入阻抗曲线。在计算的过程中，两半波振子天线的相对位置是按实际架设的位置预估的。把此曲线和700MHz半波振子独立存在时的输入阻抗特性曲线相比较，可以看出10MHz的半波对称振子天线对工作频率为700MHz的半波对称振子天线的影响小，在数值量级上相差很小，可以忽略不计，并由此推断短波发射天线对电视发射天线的影响较小。

2． 短波发射天线对调频发射天线的影响
为了预估短波发射天线对调频发射天线的影响，假定同时存在工作频率为10MHz的半波对称振子天线和工作频率为100MHz的半波对称振子天线时，用NEC电磁仿真软件计算100MHz的半波对称振子天线输入阻抗曲线。在计算中，两个半波对称振子在水平面相距60米，垂直面相距90米。两个对称振子平行排列，基本上符合短波天线和电视发射天线的实际架设距离设置。把此曲线和100MHz半波振子天线独立存在时的输入阻抗曲线相比较，可以看到，10MHz 的半波对称振子天线比工作频率为100MHz的半波对称振子天线的影响小，在数量级上可以忽略不计，并由此推断短波发射天线对调频广播发射天线的影响较小。
3． 调频广播发射天线对短波发射天线的影响。
为了预估调频广播发射天线对短波发射天线的影响，假定同时存在工作频率为10MHz的半波对称振子天线和工作频率为100MHz的半波对称振子天线时，用NEC电磁仿真软件计算10MHz半波对称振子天线输入阻抗的曲线，在计算时两个对称振子平行排列，基本上按照短波发射天线和调频发射天线实际架设的距离设置。把此曲线和10MHz半波对称振子天线独立存在时的输入阻抗特性曲线相比较，在数量级上相差很小，可以忽略不计。由此推断调频广播发射天线对短波发射天线的影响较小。
4． 电视发射天线对对短波发射天线的影响。
为了预估电视发射天线对短波发射天线的影响。假定同时存在工作频率为10MHz的半波对称振子天线和工作频率为700MHz的半波对称振子天线时，在计算时，两个半波对称振子在水平面相距60米，垂直面相距100米，两个对称振子平行排列，基本上按照短波发射天线和电视发射天线实际架设的距离设置。把此曲线和10MHz半波振子天线独立存在时的输入阻抗特性曲线相比较，在数量级上相差很小，可以忽略不计。由此推断电视发射天线对短波发射天线的影响很小。
前面讨论了短波发射天线和调频发射天线及电视发射天线相互影响都很小，各自发射机均能正常工作。现在来讨论短波发射天线和调频发射天线及电视发射天线远距离辐射场的互相干扰情况，为了分析短波发射天线和调频发射天线及电视发射天线远距离辐射场的干扰情况，我们采用NEC商业软件分别计算短波发射天线，调频发射天线，电视发射天线独立存在时共辐射场覆盖特性，并分别计算短波发射天线和调频发射天线两者存在时互相影响情况；短波发射天线和电视发射天线两个存在时相互影响情况。
通过以上计算，我得出如下结论：
1．在短波发射天线存在的情况下，调频广播发射天线的方向图和其独立存在时的方向图基本上没有改变。也就是说，短波发射天线对调频广播发射天线方向图影响较小，可以忽略不计。
2．在调频广播发射无线存在的情况下，短波发射天线的方向图和其独立存在时的分布图基本上没有变化。也就是说，调频广播发射天线对短波发射天线方向图的影响较小，可以忽略不计。
3．在短波发射天线存在的情况下，电视发射天线的方向图和其存在时的方向图基本上没有变化。也就是说，短波发射天线对电视发射天线的方向图影响较小，可以忽略不计。
4．在电视发射天线存在的情况下，短波发射天线的方向图和其独立存在的方向图基本上没有变化。也就是说，电视发射天线对短波发射天线的影响较小，可以忽略不计。
通过以上分析计算，可以得到如下结论；
1．短波发射天线与电视发射天线相互作用的影响不会引起各自馈线电压驻波比的明显变化。因此，电视发射天线与短波广播发射天线按照图示的结构架设后，其馈线上的工作状态基本维持不变。
2．短波广播发射天线与调频广播发射天线相互作用的影响不会引起各自馈线电压驻波比的明显变化。因此，调频广播发射天线与短波广播发射天线按照图示的结构架设后，其馈线上的工作状态基本维持不变。
3．短波广播发射天线与电视发射天线相互作用的影响对于两种天线的远区辐射覆盖特性影响小。因此，电视发射天线与短波广播发射天线按照图示的结构架设后，对电视发射天线来讲，其远区辐射场的变化小，电视信号的覆盖区域范围及收看效果与电视发射系统独立存在时基本相同。同样，对短波广播发射天线来讲，其远区辐射场的变化小，短波广播信号的覆盖区域范围及收听效果与短波发射系统独立存在时基本相同。
4．短波广播发射天线与调频广播发射天线相互作用的影响对于两种天线的远区辐射覆盖特性影响较小。因此，调频广播发射天线与短波广播发射天线按照图示的结构架设后，对调频广播发射天线来讲，其远区辐射场的变化小，调频广播信号的覆盖区域范围及收听效果与调频发射系统独立存在时基本相同。同样，对短波广播发射天线来讲，其远区辐射场的变化小，短波广播信号的覆盖区域范围及收听效果与短波广播发射系统独立存在时基本相同。
通过三年的运行，电视发射系统，调频广播发射系统，短波广播发射系统均运行良好。