中波广播天线接地网智能在线监测系统开发应用
中波是指频率为300kHz~3MHz的无线电波。它是一种可以靠电离层反射的天波形式传播,也可靠沿地球表面的地波形式传播的电波。由于地面场强远比天波场强,白天电离层吸收作用大,天波不能有效地反射,主要靠地波传播,夜晚则主要靠地面和天波传播。中波广播所具有的以地面波绕射传播为主、电离层反射波传输为辅的特点,是区域广播的首选方式。随着数字调制方式全固态中波发射机的发展和普及,中波发射机各项电声指标和发射机的稳定性、可靠性以及整机效率得到提高,中波应用越来越广泛。
中波广播信号的电磁波传播途径主要有天线地网和天调网络两方面,而中波天线是直立在地面上的垂直单极子天线,以大地作为辐射电流的回路,天线能量部分损失在地面上,因此发射天线场地对地面建筑、地理环境有一定的要求。由于中波天线的地网占地面积大,场地平坦、地质结构(土质)以及地网的好坏都与机器发射效率有着密切的关系。如果地网不良或者受损会造成部分天线辐射能量损失在地面,导致发射机功率不足,有效覆盖范围缩小,反射功率过高,严重时会使在发射机自我保护,不能正常开机。此外还会造成主、副电场相位不一致,覆盖区域变化,服务方向不正确,天线的辐射阻抗和输入阻抗发生变化,因而阻抗不匹配,严重影响了天、馈线之间的匹配。再则如果发射天线接地端安全地网不合格,极易造成发射设备遭雷击。为此,为了提高天线的辐射功率,就必须尽量减小天线的损耗功率,中波天线地网的维护不可忽视。
中波广播电台的地网是电台天线的重要组成部分,中波广播电台发射天线分别为单塔全向天线、双塔弱定向天线、四塔定向天线和八塔强定向天线,无论架设那种天线都离不开地网,地网对降低天线驻波比、提升天线发射效率、扩大广播覆盖范围、保证广播信号强度、改善播出质量、降低天线损耗,同时地网电阻在标准情况下能够对天线及发射机防雷击起到保护作用,所以中波广播电台天线地网的制作及维护对发射覆盖起到重要的作用。
由于广播发射台大都建设时间较为久远,经数据调查显示,各地中波广播电台的地网由于自然腐蚀和农业机械的广泛使用,都有不同程度的损坏。由于地网大都埋于地下40~50cm,日常的巡查和测试无法测量出地网的损坏,且检测工作量巨大。因此能实时在线监测地网损坏程度和损坏位置的中波发射天线接地网智能在线监测系统具有一定的实用性和迫切性。
中波电磁波传播途径主要靠地波传播。由电磁场理论分析可知,影响中波发射天线发射效率因素,除了频率,传播距离外,地面的有限电导率是影响地面波的主要损耗因素。定量地说,地损功率是集肤深度(δ=1)平面上单位面积与土壤电阻Rmm与地电流密度平方的绝对值之积沿发射体为中心的圆周及径向的双重积分。
将式中Rm与|J2|展开得:
式中:σ为大地电导率,μ为导磁率,Iy为集肤深度层径向电流,从上式看出,电导率越大,其地损耗越小。又由于趋肤效应,对电波影响最大的是集肤深度层即地表层的电导率。
为解决地面有限介质的衰减问题,中波天线在其0.3-0.5入范围内均采用了铺铜线地网的方法,以有效提高地面波回路的电导率,减少发射地损耗,提高发射效率。铺地网后在地网范围内的地损耗功率为大地集肤深度平面上考虑大地导纳和地网导纳之后单位面积的损耗功率。
式中:y为大地导纳与地网导纳之和,N为地网辐射线根数,一般为120根。仅从式中1/N2就可明显看出地网线对地损耗功率的影响很大。因此,无论在天线的新建还是运行的日常维护中,中波天线地网的完整和维护质量对于地损耗的减少,发射效率的提高,都有着密不可分的关系。
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