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行业视角
中波天线场型测试思路与方法
作者:国家广电总局无线局维护处 王延辉 北京埃比瑞斯科技有限责任公司 宁晓伟 日期:2010/12/30 12:02:22 人气: 标签:

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摘要:本文以无线局所属中波发射台为实例,详细阐述了中波天线场型的测试方法、注意事项和测试数据分析处理等方面的内容,系统地总结了中波天线场型测试的一般工作方法和流程,并有针对性地开发出计算机软件管理系统,便于实际应用。

关键词:中波发射天线?? 天线场型?? 测试方法?? 数据整理

1 前言

中波广播具有地面传播性能优良、收听效果好、不易受干扰等特点,一直以来都是近距离广播覆盖的主要手段之一。要提高中波广播的播出质量和效果,除了需要性能指标良好的发射机外,发射天线也是必不可少的重要环节之一,要保证中波发射天线一直处于良好的工作状态,需要定期对其进行场型测试和匹配网络的调整。但是,对于中波天线进行测试和调整过程中却存在着两方面的问题:一方面是由于空间电磁理论相对比较复杂,一线技术人员掌握起来存在一定困难,造成实际工作中常常出现测试方法和测试标准的不统一;另一方面是由于中波天线分布面广,天线种类繁多,因此测试成本比较高,测试时间也比较长,同时,测试数据处理量相当大,表示形式也不直观,影响了测试数据的有效应用。

本文以承担着北京地区以及全国部分地区中央人民广播电台节目覆盖任务的国家广电总局无线局所属的部分中波发射台为例,通过对中波天线场型的理论分析和实际收测,总结出了科学符合实际的测试方法,并进一步开发出计算机软件管理系统,更有利于对测试数据的储存和分析使用。

2 中波天线场型的测试理论

无线局使用的大功率中波天线,可分为单塔全方向天线和多塔定向天线,对其场型的测试可以分为近场场型测试和服务区场型测试两种,发射场型主要由天线程式等物理尺寸和空间位置所决定,而外部环境中大地的电气参数也对测试有较大影响。

大地的电气参数是由土壤类型及地形而定,该参数的变化对地面波的影响很大,为了方便计算和讨论,工程上在规划测试点时,可以直接选用一等值的电参数(比如:在郑州和北京的南部地区直接选用干土这一类型的电参量)。根据历史收测情况,选择最远测试点为400km,采用范.德.波尔公式: mV/m(式中:r为距离、W为衰减因子、P为功率、D为天线方向系数)来规划覆盖区的实测点。

2.1 发射场型的测试和场型图制作

制作场型图的数据来自规划指定测试点的实测数据,这些测试点通常为距发射天线等距圆上的各点。以发射天线正北为0°,测试点以平均角度为5°等距分布,根据测试环境,测试点也可以在5-15°之间不等距分布。

2.2 极坐标的制作

以平面上一点为0(以这一点上方为0°或360°),从0点向上划一单位直线,在单位直线上刻度等长的10个刻度,刻度的标值为0、0.1、0.2, 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7,0.8、0.9、1,以0点为圆心,带有标值的刻度为半径,顺时针旋转360°,可划出10个围绕0点的同心圆,顺时针旋转时,每隔10°划一直线这样就完成了极坐标图的制作。

2.3 测试数据归一化计算

以实测测试数据中场强最大值为1,计算出每个测试数据与最大数据的比值E/Emax),得到小于1的数(角度值不作归一化处理),将每个测试数据归一化计算后的数据作为一个点,按照不同的角度方向画入极坐标图对应的位置上,用直线连接这些点,完成发射场型图的制作。

2.4 大地电导率

由于大地电导率对计算结果影响较大,如何科学确定大地电导率也就成为计算的前提,而大地电导率的实际测量受到很多条件的限制,直接测量,在工程实际中是无法完成的。我们的做法是,在发射天线周围的一定距离内选择几个点,在这几个点测量其电场强度,根据测量的电场强度,再用范.德.波尔公式确定该地区的电导率。

2.5 理论计算模型

首先根据下列公式找出最小距离:

式中:Rmin为从几个测试点到天线最小距离(km);

λ为波长(m);

??? σ是土壤电导率的经验估算值。

在确定最大距离后,几个测试点位.可根据转换系数来决定,转换系数公式为:

?????

??? 式中:n为测试点数目;

??? m为转换系数;

??? Rmax为选择的最远测试距离。

当n选定后,由计算出的转换系数m,可求出每个测点的距离,

? 即:

在每个测试点测得电场强度分别E0、E1、E2、…,按Wn=EnRn/EOR0求得衰减数函W(Rn为n点的距离、R0为0点的距离),根据衰减函数W,可在W与数字距离ρ的关系曲线上查到ρ的数据,可根据下列公式计算出实测土壤电导率:

??? 式中:R为实际距离(km);λ为波长(m)。

3 测试方法

无线局中波发射台分布在全国十几个省市,要在全国这么大面积上进行覆盖和测试的调查,无疑将是一个巨大的工程,本着科学实用、节约的原则,我们进行了中波天线场型测试工作的规划,并利用现代计算机软件指导测试工作,辅助整理计算测试数据,并形成数据和管理平台。

3.1 选择测试对象

下面我们举例说明具体测试方法。首先,选择北京地区两个中波电台(分别命名为甲台、乙台)作为测试对象,两台具有相同的无方向性单塔天线,播出频率分别为639kHz和720kHz。通过对两个发射台的实际情况分析得出:

(1)北京地理特征:南部为平坦大地并接连大海,北面为山川,东面为丘陵地带,这是基本的测试条件,是我们在进行实际测试之前就必须充分掌握的。另外,北京交通发达,远距离实测时便于行车收测。

(2)无方向性天线是所有中波天线中场型最简单的,作为实例可以使分析和理论计算过程变得相对容易。

(3)所选用的中波频率处在相对较低的频段内,这个频段的频率具有传输性好、绕射能力强、覆盖面大等特点。

3.2 测试前的准备工作

(1)组织收测队伍

收测人员要完成对两副中波单塔天线的近场和远场服务区的连续收测,收测过程中还要在收测点与发射点之间联系协调。

(2)选择测试仪器

测试仪器我们选择了测试效果比较好的日本安利公司生产的428B型中短波场强仪,配合移动式环形天线。另外,还需要用GPS装置来记录测试点的位置。

(3)规划测试点

根据地形,首选地形不利于电磁波传输的山区延庆县和怀柔县为最远试测点,以发射点为圆心作半径为90km的圆,在圆周线上选取符合要求的点(主要考虑的是地形、交通、距离等各方面因素)作为场强的目标测试点。在实际测试中,可适当增加一些测试点,利于后期的归一化计算,以提高后期计算的准确度,即:在测试甲台数据时同时也测试乙台的数据,反之亦然。

3.3 实际收测

我们利用10天的时间完成了对甲台和乙台周围所选择测试点的测试,行程1800多km,测试范围方圆100km左右,得到数据如表1所示。

我们把覆盖区场强设定为60dB,我们还进行了60dB等值线的测试。根据计算和表1的测试结果,确定北京南方平原地区60dB场强点的距离定为250-350km之间,同时还在河北、山东、天津和内蒙古等几个省实测了多个方向的60dB点。

3.4 测试数据分析处理

可以利用计算机辅助对收测数据进行整理,图1、图2分别为根据处理后的数据所绘制的甲台发射点场形图和60dB等值线。

分析整理测试数据后,可以直观地在极坐标图上看出实际的覆盖区,结合理论设计值判断,可确定是否需要对发射点的天馈线系统进行调整。对于实例中的发射点而言,采用的是单塔天线,数据表明实际覆盖区基本与理论设计一致。如果发现测试覆盖区有偏差则说明需要对天馈线网络进行调整,对于多塔定向天线而言,这是需要格外关注的。

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在调整天馈线网络后,仍需进行验证性再收测。

4 计算机数据处理

为了能够持续便捷地充分利用测试数据,在测试完成后,我们又开发了辅助的计算机软件管理系统。该系统采用流行的瓦片式webGIS平台,其形式类似于Google Maps、百度地图等互联网流行的方式。

瓦片式webGIS采用地图预先生成技术,在服务端建立“金字塔”模式的地图瓦片缓存,缓存构建完成后,webGIS平台便可以脱离专业GIS平台运行。此外,瓦片式webGIS实现了完全基于浏览器的轻型客户端,不需要像传统的webGIS系统那样在客户端安装插件或者小应用程序,而且客户端显示的地图数据都是从地图瓦片缓存中以图片链接的方式获得,在响应速度上有明显优势,便于在无线局内网应用。另外,采用瓦片式webGIS的实现方式也可以节省服务器运行资源,有效地提高系统运行效率,对降低系统研发成本大有好处。

图3为中波场强数据库软件的系统图。从图3中可以看出,采用

模块化架构有利于功能调整和今后扩展,满足了软件使用的基本功能,其中有几个部分反映了本软件的特殊功能,在此略作解释。

(1)理论覆盖图功能:根据天线工作的参数,以国际电联推荐使用的计算方法在GIS平台上绘制出天线工作的理论覆盖图。

(2)实际覆盖图功能:根据实测方向图及八方向60dB实测结果计算出实际覆盖图,并在GIS平台上进行显示。

5 总结

在项目实施过程中,结合理论计算和实际测试数据,分析现有发射系统的发射效果,进而调整发射系统至最佳状态,克服了传统上只依靠理论计算,缺乏服务区数据的缺点,具有较高的科学性,实现了理论和实践相结合。项目涉及单位很广,涵盖了无线局所有的中波发射台,通过直接测试掌握了服务区的第一手数据,对于今后提高播出效果具有重要意义,同时也可以指导今后相关的工程改造。对于测试数据,我们创新地采取了软件化的处理方式,使用必要的数学工具,计算出归一化的数据并绘制成场型图,与理论计算出的场型图相比较,可以直观判断发射效果是否符合需要。

播出效果是安全播出工作至关重要的头等大事,直接反映了我们工作的成果,在设备更新改造后播出稳定性大大提高的前提下,加大对发射机近场和服务区发射效果的实际收测,可更有针对性地指导设备维护,体现了我们从源头开始提高播出效果的工作思路。

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?????????????????????????????????????稿件来源:广播电视信息2010第5期

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