广播电视台调频发射系统创新探索.doc

1、1广播电视台调频发射系统创新探索摘要：随着城市的发展，电磁环境变的日益恶劣，原调频发射系统已不能满足事业发展的需求，为了确保城市市民正常接收石家庄广播电视台广播调频节目，传播正能量，我们对调频机房进行了改造。通过改造不仅解决了原有天线设计不足的缺陷，很多程度上改善了电台调频信号的有效覆盖效果，而且彻底解决了制约事业发展的瓶颈问题。 Abstract： With the development of the city， the electromagnetic environment becomes worse and worse， the original FM transmission sys

2、tem can not meet the needs of the development. In order to ensure that the city residents can normally receive the FM programs and spread positive energy， Shijiazhuang Radio and Television Station transform the FM rooms. Through the transformation， the shortcomings of the original antenna design are

3、 solved， the effective coverage of the radio FM signal is greatly improved and the bottlenecks of the development are completely solved. 关键词：多工；场强；天馈系统；视距传播；衰减 Key words： multiplex；field strength；antenna system；line of sight propagation；attenuation 中图分类号：TN761.2 文献标识码：A 文章编号：1006-24311（2016）34-0099-

4、04 0 引言 石家庄广播调频机房位于石家庄广播电视塔大厅的三层，于 2000 年5 月建成投入使用。分为发射机房和监控值班室两部分。调频发射机房现有面积为 71m2，调频监控值班室面积为 20m2。机房内现发射调频广播频率 5 套，主备发射机共 6 部。另外还有空调系统、配电及 UPS 系统等设施。空间极度紧张，对设备安全和维修造成极大的困难。 原天馈线系统使用了五工双馈、六层四面垂直极化双偶极子天线，设计功率容量是 40kW。多工器的输出经一个 2 功分器后再经 2 根 3-1/8馈线送往天线。原天馈形式只能在全部停机后才能对天馈系统进行检修（现在广播基本上 24 小时播出） ，埋下了天馈

5、检修不能及时进行的隐患。经历 10 多年使用后，天馈系统存在老化、锈蚀严重的情况。另天线阵排列不尽合理，天馈系统发射设计容量不足等问题严重制约着广播事业的发展。为了彻底解决制约事业发展的瓶颈问题和满足优质安全播出要求，决定对调频机房进行全面的改造。 1 调频机房环境和发射系统改造方案 众所周知，调频发射机房改造涉及到天馈线系统、机房供配电系统、多工器系统、发射机等方面。为了确保调频发射优质安全播出，我们严格按照总局 62 号令“无线发射转播台实施细则”二级发射台的要求设计和实施，下面笔者将石家庄广播电视台天馈系统、天线和多工系统等几方面逐一进行介绍。 1.1 天馈发射系统设计思路 3调频广播信

6、号的通讯距离及收听效果取决于以下很多因素，如发射功率、接收灵敏度、抗干扰性能、天线架设高度、天线增益、馈线损耗、电磁环境、地形特征、天气状况、是否采用中继等，所以传播距离是由以上综合因素决定的，而不仅仅是由功率决定。 调频电磁波的传播方式是视距传播。传播距离的公式为：d（接收半径）=4.12（+） 其中 H1 为天线高度，H2 为接收高度。 有效辐射功率=发射机的标称功率（dB）+天线增益-馈线损耗：Pe=10lgP+G-L 公式中：P-发射机的标称功率；G-天线增益；L-馈线损耗。 石家庄广播电视发射塔位于石家庄市区二环内东南方向，地面海拔高度约 80 米，市区西北、西、西南为山区或丘陵地区

7、，其余为平原。平原地区海拔高度没有明显的起伏变化，少见影响接收的山体及丘陵。调频天线位于广播电视塔调频天线段，天线高度 230 米，在接收天线高度4 米的情况下，调频发射信号可以有效覆盖范围为鹿泉、赞皇、高邑、宁晋、辛集、新乐的半圆形区域，可接收的半径为 60-70 公里，市区西部（包括西北和西南的部分地区）为山区，无法进行直接的有效覆盖。 根据中华人民共和国广播电影电视行业标准 （GY/T 196-2003 调频广播覆盖网技术规定） ，当有效辐射功率为 1kW 时，接收天线高度 10米情况下，在覆盖边缘的标准理想场强为 40dB。考虑到实际接收中多为贴近地面的车载收音机和移动接收的手持收音机

8、，这个场强数值远达不到理想效果。改善接收效果可以从几个方面入手： 4增加发射功率，根据前面的公式可知，当发射机功率提高一倍，可接收场强增加 3dB，发射功率增加 10 倍，场强增加 10dB。 提高天线增益，采用高增益、多层天线是个有效的方式，虽然一次性投资较大，但是可以对共用天线的所有频率受益。 减小馈线和传输系统损耗采用大功率、大口径、低损耗的馈线对于馈线较长的发射系统其意义重大，可大幅度减少传输损耗。另外减少发射机到天线系统的各种弯头、连接、硬馈导致的损耗，对整个发射系统进行详细的计算和设计，在一定程度上也可以增加有效辐射。 提高发射天线高度和接收天线高度，这个方式只适合于新建发射塔，对

9、于我台的改造意义不大。 鉴于上述影响发射系统等因素，结合我台实际情况，我们决定采用主、备天馈系统的方法，主用天馈系统和备用天馈系统总发射容量达到 140kW，除了能满足现有五套调频广播的需求外，充分考虑事业的发展，在增加发射机的数量、扩大发射功率等方面都留有一定的发展空间。具体见图 1。 从图 1 我们可以看到主用天馈发射系统由五部调频发射机、一部备用发射机、五个同轴开关、五工器、100kW 开关板、两根进口馈线、六层四面垂直极化天线组成。主用天馈发射系统容量设计为 100kW。在平时正常工作状态下，五部发射机通过各自的通道正常发射，备用发射机-1 与假负载链接。一旦一部发射机出现问题，备用发

10、射机-1 可调整至故障发射频率，通过同轴开关将备用发射机-1 的发射通道调整到相应的多工器输入端口，启动应急播出预案，实现 5+1 备份。 目前备用天馈系统由一部调频发射机、40kW 开关板、2 根国产馈线、54 层 4 面水平极化天线组成。一旦主用发射机第二部发射机出现故障，备用发射机-2 可调整至故障频率进行发射，实现 5+2 发射备份的功能。系统发射容量设计容量为 40KW。 随着石家庄广播电视台广播事业的发展，一旦需要增加发射频率，我们在五工器预留宽带接口，在主用天馈系统发射总容量 100kW 以内，通过增加发射机、同轴开关和多工器的数量可增加一至两套调频广播节目。备用天馈系统在总功率

11、容量 40kW 以内，可通过增加相应的新发射机、多工器、同轴开关等，最多可增加 2 套播出频率。在机房空间上预留实现以上扩容方案的发射机、多工器位置。 1.2 发射系统设计技术参数 天馈线部分电气性能要求天线频段：87-108MHz，天线均采用封闭式同轴馈电方式。馈电系统采用由 50/2：50 变阻器和能对单馈或双馈进行任意转换的面板上的 -Link 组成的开关板。 天线增益。 6 层 4 面垂直极化双偶极板天线系统：9.0dBd； 4 层 4 面水平极化双偶极板天线系统：7.5dBd； 驻波比：天线振子1.20，分支电缆1.10，功分器1.05； 系统指标1.10（不含主馈电缆） 。 天馈线

12、阻抗：50。 机械性能要求。 天线材料：单偶/双偶极板天线振子采用铝合金外管，黄铜内导体。反射板为热喷锌管，可承受安装工人踩踏。所有螺栓及振子保护罩抱箍6均为不锈钢。功分器材料：选用紫铜管，法兰为铜镀镍。天线尺寸：双偶极板天线应采用专门设计的天线。防水性能：要求将干燥空气充入整个馈电系统内，直至天线振子输入端口。环境温度：-40+60，最小承受风速：十二级。 主馈线部分。 馈管结构特性、机械特性、电气性能符合电子行业相关标准SJ51524/X-1999；安装后主馈线驻波比应满足：87108MHz：1.10。主馈不允许出现严重弯曲、扭绞、碰撞或其它机械损伤；单根主馈中间不得有接头。 2 天线的设

13、计方案 天线是调频发射的最后一环，天线的好坏直接影响到调频信号的有效覆盖范围，影响天线好坏的因素有天线层数、天线面、极化方式等因素。其中天线的层数越多（即天线的口径越大） ，垂直面场型的主向波瓣就越尖锐（能量越集中） ，增益就越高。一般情况下，层数增加一倍，增益增加 3dB；层过多之后的副作用：导致零点过多，近距离地点的接收不好保证，故一般以 48 层为宜。 天线中“面”的作用主要是保证天线水平面场型的圆度。一般情况下，要求天线的大小与铁塔的边宽相适应，对于四边形铁塔，调频双偶极板天线对应的铁塔面一般小于 3500mm，如果铁塔面过大，则要考虑采用每层 8 面或者 12 面天线系统，否则同一层

14、天线面板之间距离过大，天线夹角方面的辐射场强不能有效叠加，造成天线夹角方向信号弱，即水平面场型的不圆度差（不圆度差就是距离铁塔相同距离不同方位的地点7接收场强和收听效果差距大） 。 一般情况下，单个天线单元的最大功率容量是固定的，天线的层和面越多，对应的天线单元数量就越多，系统的功率容量相对就越大。天线的增益与天线的层数有关系，一般层数越多增益越高，所以不能兼顾尺寸小和高增益。功率与天线单元数量有关，一般单个单元最大功率2.5kW 或者 5kW。单元大小与波长有关，调频广播段为 87.5108MHz，波长为 3.4 米2.8 米。每层天线间距为 3 米左右。用于调频广播的天线每个单元天线尺寸为

15、 2.5 米*1.7 米，各天线生产厂家生产的天线基本一致。调频天线形式一直以来都没有大的变化，传统的还是偶极板天线和单偶极子天线，极化方式有垂直极化、水平极化和圆极化几种形式。接收与发射天线的极化方式一致，并且相对关系一致，即接收与发射天线振子平行时，收发效率最高，即水平发水平收，垂直发垂直收时候效果最好。移动接收时，一般考虑垂直极化的理由是，如果移动终端的接收天线是垂直极化时，一般是垂直于地面放置，这样如果发射天线是垂直极化（即振子也垂直于地面） ，这样不论移动终端怎么移动都能满足收发天线振子均是垂直于地面的状态，即保证了收发天线的振子方向始终一致，利于保证接收效果。城市中接收点接到的信号

16、一般是直达波和反射波的叠加，由于垂直极化波的衰减比较慢的特性，会造成反射波比较大，大能力的反射波与直射波被接收天线接收后反而会影响接收效果。图 2、图 3 为实际测试结果。 针对石家庄广播电视台广播电视发射塔的实际情况，经过反复的调8研论证，我们采用了天线形式为六层四面双馈双偶极子天线，采用电下倾方式进行零点填充。六层天线分为上下半幅，使用开关板进行合成和分配，对今后的天馈系统检修提供了极大的方便。在天线容量及技术上达到了国内先进水平。图 2、图 3 为石家庄广播电视台天线改造后的测试数值。 经实际测试，天线各项指标均达到了设计要求。 3 多工器的设计方案 多工器系统是多调频广播使用一副天线发

17、射必备的设备，产品性能指标的好坏会直接影响辐射效率。多频率合成生成的互调寄生频率的滤除更是考验多工器性能的关键。此次调频机房改造中多工器系统采用了大功率全桥式五工器产品，预留宽带接口，对将来的扩频升级提供了条件。无论是产品的可靠性、各种技术指标及将来新增频率的扩展性，都达到了国内先进的水平。 技术参数。 频率范围：87108MHz； 窄带输入功率：20kW； 最大输出功率：150kW； 电压驻波比：1.1； 插入损耗：（0.05dB）0.15dB（min）0.35dB（MAX） ； 隔离度：45dB； 输入输出阻抗：50； 满功率工作升温：15； 输入接口：3 1/8，输出接口：6 1/8。

18、9设计原理如图 4 所示。 4 改造后的效果 此次改造后，在调频发射机发射功率不变的情况下，市区及周边覆盖区域内的场强有了明显的提升，场型得到了改善，场强覆盖均匀。六层天线的零点基本都在市区范围，对零点进行填充后，市区的覆盖效果明显好转。相对旧天线的场强平均提高 4-6dB。达到了预期目的。以石家庄广播电视台某频率 10kW 发射功率计算，根据前公式计算在视距 60 公里处（地势平坦方向）石家庄广播电视台发射的边界平均场强能够为46dB，与实测边界平均场强 48.8dB 基本相符。按国标 10 米高天线换算后，优于国家标准。 部分实际测试及改造前后对比数据见表 1，测试天线采用四米标准调频接收天线，具体收测数值与天气及周围建筑遮挡变化有相关性。 通过改造我们不仅解决了原有天线设计不足的缺陷，很多程度上改善了石家庄广播电视台调频信号的有效覆盖效果，而且彻底解决了制约石家庄广播电视台事业发展的瓶颈问题。 参考文献： 1史萍，倪世兰.广播电视技术概论M.中国广播电视出版社. 2河北省新闻出版广电局，广播电视安全播出管理规定S. 3李晓龙，裴海红，赵远，李玉彪.论构建完善的调频发射系统J.现代商贸工业，2015（14）.