DEMA中波短天线性能介绍

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一、 概述

传统天线(classical antennas)是根据赫兹(Hertz)定理的半波长共振理论来设计的。 当应用在中波广播频段时,根据频率其高度一般在60~150m左右。为保证辐射效果、提高辐射效率,还必须以天线桅杆或塔体为中心铺设直径约0.5λ的辐射状地网。这都带来一系列的问题:如有限土地资源的浪费、巨大建设费用的投入、日常维护费用的增加、对大中型城市市区的低耗均匀覆盖、强电磁波的空间和环境污染、高架塔体的雷击概率及塔体自身安全等。

因此有人一直在研究中波天线的小型化问题。但由于没有突破单激励谐振辐射的基础理论和调配方法,多没有得到理想的结果。这主要表现在调配带宽窄、覆盖范围小、辐射效率差和承载功率低等四个方面。根本原因是短小天线的自身辐射电阻Rr太低,而不必要的电抗分量太大所致。有研究资料表明:当天线高度低于0.02λ时,SWR=2的频带宽度将小于1%,根本不能满足全固态中波广播发射机FO±9KHz,对所接负载SWR≤1.3的要求。

适当改变天线主辐射体的形状(加粗成筒,加载成帽,称E筒),并在主辐射体与地线板(称GP板)之间插入一个大小适中、位置恰当的副辐射体(如圆盘,称D盘),并同时对两辐射体实施等功率、非谐振的双激励相移馈电,高度低于0.01λ的天线就能在中波广播的任意频点上与全固态中波广播发射机实现良好的匹配,并有效地工作运行。我们给这种天线定名为:DEMA双激励中波短天线(Double Excitation Medium Wave Short Antenna)。



  DEMA有非常明显的特点:

1. 体积小、占地少。

工作在中波广播中心频段的DEMA,其GP板面积为36m2,为传统天线地网所需17672m2占地的2‰。

2. 高度低、安全好

此时E筒的高度为3m,约0.01λ,是传统天线高度的4%。在这种高度下,天线被雷击及倒塌的可能性大为减少。

3. 频带宽、工作稳

实际调配的数据表明,如此低矮短小的中波广播发射天线在1000KHz±11KHz的频带范围内其SWR小于1.2,这对于保证系统的稳定工作是大有好处的。

4. 感应弱、抑制强

尽管DEMA的工作频带很宽,但在同一天线发射场内它对其它天线,或其它天线对DEMA及不同DEMA相互之间的感应都非常小, 这主要是由主辐射体的电长度短,近场区空间电磁场的体积小、高度低,须D盘、E筒同时实施等功率、非谐振、双激励相移馈电才能进行有效工作及特定的调配网络同时具带通滤波器功能,对带外能量有很强的抑制特性所决定的。这就给在一个相对较小的区域范围内架设多副DEMA并同时工作发射或在传统的天线发射场内逐步增设DEMA提供了可能。

5. 消耗小、覆盖匀

由于上述的特点,DEMA还可有效对解决大中型城市市区的低消耗均匀覆盖及强电磁波的空间和环境污染问题。传统天线受高度及铺设地网需要大面积土地的限制只能在远离城市中心的郊外设置,其辐射的电磁波能量也就只能从某一个方向进入城市市区,为完成对城市最远点边缘的覆盖必须加大发射机的发射功率,这将造成巨额运行费用的长期投入,同时还会形成不必要的强电磁波的空间和环境污染问题。DEMA可在城市中心的任意楼层顶部架设,并用较小功率的发射机对其馈电即可达到较好的均匀覆盖效果,对特大型城市及城市形状分布特别的城市还可采用多点小功率同步广播方式来实现理想覆盖。如果实施中波广播中小功率发射的无人值守,运行费用将进一步降低。

二、 工作原理

该天线结构由 主辐射筒E、副辐射盘D、接地板GP 三部分组成。



  当单独对E筒实施谐振馈电时,E筒与GP板之间在产生垂直的曲面电场EE的同时还将产生水平的环状磁场HE。此时的HE滞后于EE 90°,这是典型电基本振子近区感应场的相位特性。随着电磁能量向周围的扩散,由于传输路径的不同及电场强度复矢量和磁场强度矢量相关分量作用的变化,EE和HE的相位会逐步趋近,直至在某一距离附近达到同相,并合成玻印廷矢量(Poyntingvector)形成辐射(部分电磁能量脱离功率源向无限远处的空间行进),这一区域被称之为交互作用区(interaction zone)。

实际上感应的电磁场随着距离的增加其能量衰减是非常之快的,能够到达交互作用区合成玻印廷矢量形成辐射的能量是非常之少的,特别是对于低矮短小的天线。同时磁场的路径衰减速度比电场更快。这就是此类天线辐射效率低,调配带宽窄的根本原因。



  如果对D盘、E筒同时实施等功率、非谐振和双激励相移馈电时,由于磁场HE与HD的叠加合成使交互作用区的距离向天线体靠近,从而实现相对高能量状态下的玻印廷矢量合成(合成电场EC与合成磁场HC同相),并形成辐射。此时由于D盘和E筒的共同辐射,使两个辐射电阻RD和RE同时加大,在保证工作带宽的同时实现有效辐射,从而使高度低于0.01λDEMA的宽带有效辐射成为现实。



  另外,加载于E筒之上的锥形帽还具有压缩垂直方向的主瓣以提高地波辐射性能的作用。

其垂直场型与传统λ/4振子天线的对比如下:



  水平场型同传统λ/4振子天线,为无方向性的同心圆。

由于D盘与E筒共同作用形成的辐射使交互作用区向天线体靠拢,该天线与传统λ/4振子天线的场强分布特性对比如下图所示:



  从理论上讲DEMA属于非谐振天线的范畴,同时还具有盘、筒电压较低的特点,而且其工作带宽与天线尺寸的大小、高低无关,但大功率的宽带移相器毕竟难以制作,因此在中波频段低端的工作带宽会比其高端有所降低,辐射效率也会低一些。所以要想在中波频段低端取得较好的工作效果,DEMA的尺寸还是大一些为好,当然这对于提高允许馈电功率的容量也是有好处的。

三、 主要指标

1、 接口阻抗 50Ω或75Ω(工作频点)

2、 接口形式 IF45 (≤5Kw/3m、≤10Kw/6m)
IF70 (≤50Kw/9m)

3、 阻抗匹配 f = f o,S≤1.1;
Δf ≥ 18KHz,S≤1.3;
Δf ≥ 20KHz,S≤2.0

4、 极化形式 垂直

5、 天线增益 0--3dB

6、 天线效率 ≥80%

7、 安装位置 平地及楼顶均可

8、 天线间距 发射功率 传统天线 DEMA
1Kw 15m 8m
5Kw 24m 12m
10Kw 30m 15m
30Kw 40m 20m
50Kw 50m 25m

9、 抗风强度 可承受11级

10、使用年限 ≥30年

四、 安装形式

平地安装

平地安装的连接方式如下图所示:



  具体的安装形式如下:



  接地板对地的高度为2~3m,当工作频率较低或输入功率较大时,这个高度高一些为宜。

楼顶安装

楼顶安装的连接方式如下图所示:



  具体的安装形式如下: