高寒山区中波四塔定向天线偏向技术改造

刘炳君

(国家新闻出版广电总局七六三台)

 

摘要:某中波台服务东北亚高寒地区,近几年周边国际环境波动,需要对C区加强覆盖,如图2。而在高寒山区新建一套发送系统,需要一到二年时间,所以,研究如何利用现有发送设备,进行偏向多区域覆盖,达到一塔多用目的。本文浅析了该台偏向改造的可能性,具备施工的基础条件,属于特殊个性可研项目。

关键词:电磁波 中波天线 定向天线 偏向技术 移向网络 调配网络 太阳天顶角

 

中波天波D层在白天被吸收、E层夜间反射示意图 图中波天波D层在白天被吸收、E层夜间反射示意图

 

1.引言

在国内,四塔和八塔偏向技术已经很成熟,在云南、新疆等大型发射台都应用多年,一般一塔三个方向,对多个地区服务。根据现有技术条件,本台改造可以达到预期的目的,节省数千万资金,发射塔节约土地几十亩,具有实际工程价值。也具有战略价值。

如图2,该台A01发射机原来对176°方向B区发射,现在调配室增加一套移向网络设备,发射机频率、功率参数与天线不变,对176°东偏向20°—40°,就可以实现对C区覆盖。向西偏向15°–30°可以辐射100-150公里的地区3及周边,做到一塔三向,不增加发射机和天线,不改变频率。

依赖夜间电离层变化,如图一,夜间D层消失,天波反射一跳距离约为2000 公里以内,我台距C区域为1600—2200 公里范围,符合中波传输理论,适合偏向技术改造。

中波发射台发射塔与反射塔间距偏向C区理想覆盖效果图

1  中波发射台发射塔与反射塔间距        图2  偏向C区理想覆盖效果图

2.中波传输理论基础

通信中电磁波按波长分类,频率300kHz—3M kHz为中频电波,其中,526.5—1606.5kHz是国际电联规定的中波广播频段。中波在空间可以用地波或天波方式传播。地波传播时,波长较短,地面损耗大,绕射能力差,所以,传播有效距离短,一般为几百公里。但又因中频频谱在电离层临界频率以下,电离层也能反射中波频谱,即天波。据发射塔250公里之外,同时存在地波和天波,属于重叠干扰区域,振幅和相位不同,导致衰落,即为中波传输衰落区。

在空间电离层中,D层离地面约60~120公里,E层离地面约90~160公里,大气稠密,电子、中性粒子和离子碰撞频繁,电波在这衰减严重。所以白天D、E层吸收作用大,故白天不能有效反射。在图一可以看出,夜晚D层消失,E层电子浓度减少,吸收显著减小,天波传输能力增强,辐射距离远远超过地波。在E层,中频电磁波一次反射传输距离1600-2000公里。

3.中波发射天线定向原理

两个以上的相同天线,按一定规律排列构成天线阵,可组成定向天线。中波定向天线阵通常有二塔、四塔和八塔。反射塔属于无源塔,天线输入阻抗的变化比较小,工作稳定。如表一,发射塔与反射塔的距离及发(反)射塔与发(反)射塔的距离,与波长有关。

中波天线只在发射塔上加馈电,反射塔接入一可变阻抗L,改变阻抗数值,让其向前(服务方向)辐射最大,后向辐射最小。

理论上就是适当调整天线阵中各个单元天线位置,和其上电流振幅和相位的关系,得到各种形式的方向性图,满足辐射需要。让天线阵中的天线辐射场强在一定方向上叠加,从而使需要方向的辐射场增强。

3无线电波从发射塔向外辐射,到达反射体被反射回来,当反射波到达p处时候,有时间差2t,发射波与反射波存在路程差,传播距离相差2r,其中r=d/cosα,t=r/cs)所以t=d /c*cosα,电波与光速在自由空间速度相同c= 3×108m/s。

主方和偏向20°-40°前方山体地形    发射波与反射波的关系

                              图发射波与反射波的关系   图主方和偏向20°-40°前方山体地形

理想状态下,发射塔与反射塔距离d=λ/4,发射塔垂直达到发射塔距离(α=0°)四分之一波长,需要时间t,反射回来四分之一波长有需要时间t,即垂直反射体90°,反射回来180°,2t时间后,发射场强与原来的发射波达到同相位。叠加E=E0+E1。反射波E1= M E0,其中M≤1,叠加场强E=E0+E1= E0(1+M)。参数M与天线阵元的电流比m、电流相位差、距离d及方位角都有关,是变化的指数参量。这样,叠加场强E大于E0很多,理论上达到定向服务的目的。

4.四塔偏向技术改造

4.1 地理环境论证和地形条件

D台位于东北亚地区,地理环境经过详尽勘察,适合对C区服务。图二中O点,DA01发射机原来对176°方向B发射,现将其增加一套调移相网络设备,发射机频率、功率参数与天线不变,对176°偏向20°—40°,就可以对C进行覆盖。做到一塔多用,不增加发射机和天线,不改变频率。同时,如向西偏向15°-30°,可以覆盖地区3及渤周边海域,白天也可100-150公里国内播出。

我台距C区域估算在1600—2200 km范围内,符合中波传输理论。利用大地理优势和小地理环境,实施偏向技术改造后,理论上可以实现覆盖的目的。中波四塔天线的半功率角为35°,半场强角为40°。这样用四塔比八塔定向更适合C区,辐射角度宽。

在图四照片里,东偏向20—40°范围内,发射塔偏东前方2000米,辐射俯仰角小于3°,实际测量可以达到2°。利用发信点O(X°NY°E),收信点CW°NK°E,求出大弧线路径长L公里,弧线长度计算公式L=111.136dd为大弧度角。根据收发两点地理纬度计算,以度为单位。再计算出天空反射中点的经纬度,从天线工具书中,查表反射点的太阳天顶角。

4.2 主向调整

中波四塔定向天线,调配网络由电抗元件(LC)组成。按照设计要求,先调整发射主向,让天馈线匹配,天线效率和发射机效率都达到最佳。主要调试仪器有电桥和网络分析仪。测试调配网络,需要关掉其他发射机,保持干净的电磁环境。并做好测试计划书,按照步骤进行。

5中四塔定向天线发射塔有调配电容,反射塔只有电感线圈。测量调配室前,对网络电容进行打压耐压试验。先依据设计和计算,将可调电容和电感粗调到合适位置。再用电桥和网络分析仪调到合适位置,运用史密斯园图解法找到最佳匹配点。

如果其他发射机停机,仍有干扰,可以采用RB-PA中波反射电桥,该电桥有较强的抗干扰能力。

四塔正向调配室元器件(L、C)设计参数定向四塔天线调配网络

四塔正向调配室元器件(LC)设计参数    定向四塔天线调配网络

7中测试点选取,在两个发射塔连线的中点,垂直前方,5-6个波长,找到一个平坦的位置,用GPS定位。把场强仪器放在野外,充满电池。发射机低功率开出。根据测试数值,再停机进入调配室,细微调整网络电容和电感,使主向场强达到最大值。然后,再回头调整反射塔电感,最终也是达到场强最大。这样反复调整多次,最终达到发射机阻抗、馈线阻抗与天线网络阻抗匹配要求。

整机调整中,天馈线驻波比(SWR)小于1.1,四塔定向天线前后比大于4。主向调整就是两部发射塔调配元件参数一致,输入阻抗相同,主向才能不偏。

4.3偏向技术改造

4.3.1 偏向网络调整

四塔和八塔天线,利用对发射振子馈以等幅但是不同相位的电流,使水平除主向发射外,还可以调整左右偏向发射。偏向调整保留原有调配网络,需另外加装相移网络。

如果发射天线和反射天线,其上电流相等,相位差α,则此天线阵辐射场型的最大值不在两个发射塔连线的垂直水平线上,而是偏离这个垂直水平线一个角度,即偏向辐射。

   移向网络和匹配网络主向和偏向场强测量示意图

移向网络和匹配网络           图主向和偏向场强测量示意图

移相网络的作用是让天线的主向偏移一个角度。若相移网络的负载是纯电阻WW为馈线的特性阻抗),接移向网络后,其输入电阻仍为W,输入电流和输出电流幅度不变。但有一定相位差。所以,接入移向网络并不影响天线和馈线之间的阻抗匹配。移向网络通常使用T形网络,其两臂的元件值是相等的。中心调配室和左右发射塔各安装一套切换开关,根据左偏和右偏,直接连接移向网络。主向只使用调配网络,当偏向发射时,接入移向网络。移向网络是通过切换开关倒换的。例如右边发射振子上的电流相位较左边发射振子上的电流相位滞后一角度β,发射场型的主瓣往右偏移。同样,左边发射振子上的电流相位较右边发射振子上的电流相位滞后一角度β,发射场型的主瓣往左偏移。

偏移角度计算比较复杂,工程上还是以实际调试为主,寻找最大方向性场强图。四塔偏向技术改造,需增加三套移向网络和三套切换开关,由专业厂家生产,符合高频环境需要。如果一个T网络不能实现偏移目的,可以研究尝试用两个T网络串联。

初调符合要求后,再进行小功率,中功率,满功率,20%50%100%调幅开机测试,并满调幅24小时考验。

6包括相移网络和匹配网络,相移网络串入只起到移向作用,不参与匹配,要求:① 相移网络的特性阻抗为所求数值;②相移网络应达到所要求的相移位。

4.3.2 偏向场型测试

相移网络在发射塔上形成相位差,引起天线场型的偏移,需要用测量发射场型来验证。根据实际测量与理论计算,证实是否符合设计要求。

⑴测量场地应该是平坦,避免山体、建筑物、电力线及通讯线路。电力线对场强测量影响大,要避开有源辐射体。其他发射机一律关机,才可以测试。

⑵辐射场型测量要距离天线中心大于1-2个波长,一般在5-6个波长以外地方测量。

⑶图7,场地选好后,用经纬仪或GPS定出测量点,即以天线为圆心,参考图七,测量点到天线的距离D为半径R,在大地上做一个圆弧。在圆弧上,取与天线中心的连线,作为面的垂直线的一交叉点,设置此点为0°点,即天线的主向。然后开始从左向右沿着圆弧,圆心角每3-5°测量一点,尽可能左右多测量,或者测出360°辐射场型。

⑷天线主向发射要测量到大于半场强角的范围,偏向发射要测出副瓣的大小及主瓣的半场强角。

⑸测量地点确定后,将发射机加电,低功率开机,保持输出功率稳定。将测量的最大值为基准,在直角坐标上,以横坐标表示圆心,纵坐标表示场强相对值,所测的数值,逐点记录在坐标纸上,按顺序将各点连接起来,即是水平辐射场型。

⑹根据所绘场型,判断主向和偏向角度是否偏差,进而研究半场角度及副瓣大小情况。实际工程中,主向测试和偏向测试方法是一样的,都要符合设计要求。

5 工程技术改造的价值和战略意义

利用现有设备,结合地理优势,实现偏向技术工程改造,可以节约数千万资金。在东北亚高寒山区建立发射台周期长,从设计到竣工需要1-2年时间。需要增加电力设备、发射机、架设天馈线和机房土建,成本高,耗资巨大。同时,中波天线发射塔和地网占地面积大,为了节约耕地,做到一塔多用也是今后发射台值得研究的课题。

纵观国际形势,周边地区矛盾错综复杂,需要对冷静看待时局的变化,时刻不忘历史,有提早应对突发事件的预案。所以,偏向技术改造工程也具有一定战略意义。

对于发展中的大国,需要提高国际传播力,提升国际影响力,将中国文化传播世界,也具有长远的政治意义。

 

参考文献

[1] 张学田.《广播电视技术手册第6分册发射技术》.1.北京:国防出版社:2000.1627

[2] 孙庆有 李栋.《广播电视发送技术》.第一版.北京:中国广播电视出版社.1997.439

[3] 苏英智 丁冬宜.《中短波电波传播和天线》.无线电台管理局编制