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牛亚飞，李振中
一种多塔中波天线的设计与仿真
牛亚飞，李振中
（中国人民解放军92678部队，天津 300220）
占地面积大、征地成本高、场地限制不好布设等问题一直严重制约中波天线的建设。为了减少中波天线占地面积，提高铁塔的利用率，对天线布局和天馈网络进行优化设计，研究双频共塔匹配网络、阻塞网络和共址多塔天线辐射特性，给出三塔六频率的解决方案。最后，通过仿真论证，给出对应的网络、天线几何结构和辐射性能参数。
中波天线；
双频共塔；
共址
随着我国城镇化的不断发展，现有的中波发射台所处位置慢慢变为市区，面临搬迁和调整的任务。中波发射台搬迁后，由于场地条件限制，征地费用高，限制了中波台的建设[1-3]。
因而通常需要多频共塔、多塔共址，减少中波台占地，提升铁塔利用效率。多频共塔、多塔共址面临着不同塔不同频率工作时的相互影响和干扰、不同频率发射时的信号阻塞等问题[4-7]。本文对中波天线布局和天馈网络进行优化设计，研究了三塔六频率的双频共塔、匹配网络和阻塞网络，减少了中波天线占地面积，提高了铁塔利用率。
1.1 天线模型选择
塔型采用四边形自立式铁塔。自立式铁塔优点如下[8-10]：
1）取消底座绝缘、绝缘拉绳，大大节省占地面积，总体投资降低；
2）铁塔是直流接地，有利于发射系统的防雷；
3）可以承受大功率，无需为大功率问题而采用大型底座绝缘子；
4）天线可多频工作；
5）铁塔可综合利用，可在其上安装FM和微波天线而不影响中波发射正常工作；
6）与拉线塔相比，发射台整体规划更简洁、美观，没有拉线，对周边环境影响较小。
自立式铁塔的仿真模型如图1所示，塔高200 m，四边形自立式铁塔，底座边长为22 m，顶部边长为4 m，锥台渐变结构。锥台边的四根柱直径0.4 m，“之”字型连接柱直径0.2 m，馈电平台高100.4 m，馈笼为12根直径35 mm的铜包钢芯绞线。地网半径205 m，“之”字型每级间隔15 m。工作频率为747 kHz。
图1 200 m自立塔模型
1.2 地网仿真分析
自立塔建设的真实地网埋在土壤表面下0.3 m处，土壤相对介电常数为6，导电率为0.01 S/m，真实地网模型如图2所示。通过仿真对比使用完美电导体（Perfect Electrical Conductor，PEC）地网和真实地网对天线性能的影响。PEC地网的模型如图2所示，将PEC埋在土壤表面下0.3 m处。
图2 模拟的真实地网模型
真实地网采用3 mm直径的硬铜线，总共 120根均布，相邻两根夹角3°，线长205 m，呈现辐射状，埋地深度0.3 m，在最外圈使用围线连接。
在744.5 kHz和747 kHz两个频率上，输入阻抗对比如表1所示。
表1 两种地网输入阻抗对比
从表1可以看出，使用真实地网后，实部增加约0.3 Ω，变化率小于2.12%；
虚部增加约0.7 Ω，变化率小于7.5%。虚部主要影响匹配网络，由于天线带宽较宽，网络匹配可以实现。实部影响天线辐射性能，地网损耗使得天线损耗增加，但损耗增加值小于2.12%，损耗增加较小，性能分析和仿真计算时，可以使用PEC地网替换真实地网，减少网格量，节约仿真时间，加快分析速度。
1.3 地网深度优化
不同地网深度对天线性能的影响也是需要探究的问题。采用真实地网模型，仅地网深度不同，其他参数一样，对比地网埋地深度0.3 m和0.6 m情况下，天线性能的差异。
地网埋深不同情况下，在744.5 kHz和747 kHz两个频率上，输入阻抗对比如表2所示。
表2 两种地网输入阻抗对比
从表2可以看出，地网埋深从0.3 m增加到 0.6 m时，实部增加约0.2 Ω，变化率小于1.41%；
虚部减少了约0.6 Ω，变化率小于7.2%。地网埋深后，天线损耗增加，但损耗增加值小于1.41%，损耗增加较小。
单塔天线方向图如图3所示，最大辐射方向不在水平面，波束有一定上翘，这是因为PEC地网为有限地。天线在水平面的全向辐射性能较好，水平面增益约为-0.12 dBi。
图3 单塔天线方向图
2.1 模型建立
通过仿真优化设计6个频率，3个铁塔共址建设的中波天线，每个铁塔支持双频工作。铁塔和频率参数如下：
1）第一个塔，高度为140 m，工作频率747 kHz、1 008 kHz；
底座边长为19 m，顶部边长为4 m，锥台渐变结构。锥台边的4根柱直径0.4 m，“之”字型连接柱直径0.2 m，馈电平台高度56 m，馈笼为12根直径35 mm的铜包钢芯绞线。地网半径 200 m，“之”字型每级间隔15 m。
2）第二个塔，高度为120 m，工作频率846 kHz、1 098 kHz；
底座边长为18 m，顶部边长为4 m，锥台渐变结构。锥台边的4根柱直径0.4 m，“之”字型连接柱直径0.2 m，馈电平台高度48 m，馈笼为12根直径35 mm的铜包钢芯绞线。地网半径 155 m，“之”字型每级间隔15 m。
3）第三个塔，高度为100 m，工作频率900 kHz、1 557 kHz；
底座边长为17 m，顶部边长为4 m，锥台渐变结构。锥台边的4根柱直径0.4 m，“之”字型连接柱直径0.2 m，馈电平台高度38 m，馈笼为12根直径35 mm的铜包钢芯绞线。地网半径 125 m，“之”字型每级间隔15 m。
组成的三塔模型有两种：一字型和三角型，分别如图4（a）和（b）所示。
图4 三塔一字型阵列和三角型阵列模型
两种天线组阵仿真的阻抗特性如表3所示。从两种阵列的输入阻抗可以分析，频率越高时，两个阵列对应的输入阻抗差别越小，这是因为同样物理距离情况下，频率越高对应的电尺寸越大，互耦越小。
表3 天线阻抗对比表
2.2 方向图
一字型和三角型阵列模型747 kHz的3D方向图如图5所示。
图5 一字型阵和三角型阵747 kHz三维方向图
一字型阵列水平面方向图如图6所示。
图6 一字型阵列水平方向图
三角型阵列水平面方向图如图7所示。
图7 三角型阵列水平方向图
对比分析两种阵列，可以发现，一字型的阵列方向图不圆度更好一些，这是因为三角型阵列之间的耦合更大。
2.3 匹配网络及效率
从feko中导出一字型天线仿真的S参数，在先进设计系统（Advanced Design System，ADS）软件中建模，使用DataItems工具中的S3P模型，导入 S参数并在天线端口加上对应的匹配网络。天线效率数据汇总如表4和表5所示。
表4 一字型天线效率
表5 三角型阵天线效率
本文研究了地网等效模型和地网深度对中波天线性能的影响，利用feko和ADS软件仿真分析三塔共址天线不同布局方式的阻抗特性、方向图、辐射效率等指标，通过合理地调谐网络，辐射效率均大于98%，中波台站的建设可根据实际地形特点和覆盖区域选择合适的布局形式。
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Design and Simulation of Multi-Tower Medium Wave Antenna
NIU Yafei, LI Zhenzhong
The construction of medium wave antennas is seriously restricted by the problems of large area, high cost of land acquisition and poor layout of the site. In order to reduce the medium wave antenna area and to improve the utilization rate of the towers, the layout and the feed network of antenna are optimized. The double-frequency tower matching network, blocking network and colocation tower antenna radiation characteristics are studied, then the solution of three towers with six frequency is given. Finally, through simulation verification, the corresponding network, antenna performance parameters of the geometric structure and radiation are given.
Medium Wave Antenna; Dual-Frequency Tower; Co-Site
TN822.2
A
1674-7976-(2022)-06-442-06
2022-08-26。
牛亚飞（1986.01—），河北深州人，工程师，主要研究方向为无线电导航授时。
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