中波臺站發(fā)射調(diào)頻的天線設計

鄒文婷

摘要：通過調(diào)頻天線抗干擾性能設計，對發(fā)射天線進行方向性設計、多層多面的增益和波束下傾，可以增加大功率調(diào)頻發(fā)射的覆蓋效果。

關鍵詞：頻發(fā)射天線 優(yōu)化設計 方向性 多層多面 波束下傾

根據(jù)省臺指導和具體要求，中波臺站需新增調(diào)頻發(fā)射，因此，吉安八四一臺新建設了調(diào)頻發(fā)射的自立鐵搭，增加50KW大功率調(diào)頻發(fā)射天線。在該項目之前，我們成立了項目工藝小組，主要研究探討了調(diào)頻發(fā)射天線增加主城區(qū)覆蓋效果的問題——調(diào)頻發(fā)射天線優(yōu)化設計。

發(fā)射天線方向性設計

理論上，單偶極子天線方向性函數(shù)

式

為水平方向性函數(shù)；Fv（Δ）=1為垂直方向性函數(shù)；l為振子總和長度；λ為波長；θ為方位角；Δ為俯仰角。

不同臂長l的偶極子天線水平方向性圖如圖1所示。

廣播電視工程上振子臂長l的選擇，要以獲得較高的增益同時又滿足水平全向性為原則，一般宜選l=（0.6～0.7）λ。實際使用的振子長度應當為諧振長度，一般振子實際長度l0=0.95l。

偶極子天線垂直方向性函數(shù)Fv（Δ）=1，這就是說偶極子天線垂直方向性圖是關于振子軸線的旋轉(zhuǎn)體。

多層多面與天線的增益

為了提高發(fā)射天線增益，實際都使用四面六層、四面八層的偶極板天線。每層由四塊偶極板正裝而成的天線陣俯視圖如圖2所示。

該天線陣在遠區(qū)任一點P的水平場強EP（θ），根據(jù)矢量疊加原理：

式中Ai為第i副天線輻射場的相對振幅值；H（θ-εi）為單偶極板天線的水平方向性函數(shù)；εi為第i副天線主輻射方向與x軸正方向夾角；φH i為第i副天線以坐標軸原點為參考，由于波程差引起的空間相位角φH i=kRcos（θ-εi），R為原點到偶極子的距離；φK i為第i副天線輸入端電流相位角，可以同層中任一副天線入口電流為參考，超前為正，滯后為負。

在計算圖2所示的四面正裝偶極板天線陣水平方向性函數(shù)時，考慮到反射板的作用以及幾何對稱性，實際上只需要計算偶極板A1，A2在第一象限的方向圖即可，其余象限的方向圖由此可以推出。

電流等幅同相饋電正裝情況下，忽略f1（θ）的相位函數(shù)，式（4）可以簡化成如下公式：

相對場強Ep（θ）的模（這里也是水平方向性函數(shù)之模）：

為了增強垂直方向圖的方向性系數(shù)，提高增益，擴大覆蓋面，如前所述，實際使用的四面八層偶極板天線，大大提高了天線增益。

波束下傾以提高主場強覆蓋區(qū)

為了擴大廣播電視覆蓋面，通常借提高發(fā)射機功率、架設較高的發(fā)射天線的方法來實現(xiàn)，但是正如前所述，等幅同相饋電的多層偶極板天線是一個球形面，因此如果不作主波束下傾，在設計范圍內(nèi)的遠區(qū)場主波束就不能與地面相切，輻射的能量相當一部分就會落在空中造成損失，這就是主波束下傾成傘狀的原因。主波束下傾的角度算式：

式中θH為下傾角；HT為天線中心離地面高度。一般大功率臺取θH≤3°，高山臺則應大一些。

為了提高遠區(qū)場接收場強，提高增益，在發(fā)射功率相同的情況下，工程上通常采用增加天線層數(shù)的方法來解決。然而天線層數(shù)越多，雖然方向性系數(shù)提高，但垂直方向性圖主瓣就越窄，副瓣也隨之增加，零點增多。由此而來在發(fā)射臺周圍形成的零輻射帶越多。因而零點填充也是設計多層發(fā)射天線必須考慮的問題之一。

關于波束下傾和零點填充的方法很多，但效果比較理想又便于安裝調(diào)試的方法通常是等幅不等相饋電法和機械下傾法。

等幅不等相饋電法，給偶極板天線的各層饋以等幅不等相電流，可以調(diào)整垂直方向性圖主輻射方向。但是，正如前所述，要使主波束下傾，總體來說就必須使β<0，也就是說應當使較上層天線電流相位超前，下層滯后?？梢?，主波束下傾的幅度比較顯著。另外，用這種等幅等相位差的方法盡管能夠填充等幅等相饋電的第一、第二零點，但是它會產(chǎn)生新的零點。因此工程上常常采用不等相位差的方法來實現(xiàn)波束下傾和零點填充。

機械波束下傾，這種方法在廣播電視工程上用得比較多。即在偶極板裝配過程中，使用機械方法，將上一、二層偶極板向下傾斜，使得傾斜板的主輻射方向與水平方向形成一個負的夾角δ。

四層雙偶極板調(diào)頻天線，等幅同相饋電，設計中心頻率f=100 MHz（λ=3 m），振子間距d=λ/2，層高2d=λ，最高一層偶極板作δ=15°機械下傾，略去層間間隔。

實例說明，機械下傾可以實現(xiàn)波束下傾，但是不能形成比較大的下傾角，同時也會引起主輻射方向增益下降，而零點填充的幅度比較大。

2016年初，吉安八四一臺按要求的50KW大調(diào)頻發(fā)射天線安裝完畢，通過參數(shù)測試和實際覆蓋場強測試，滿足國標甲級要求，在80公里有效覆蓋圈內(nèi)收聽清晰，取得了非常良好的覆蓋效果。

（作者單位：吉安八四一臺）