調(diào)頻寬帶雙偶極子板天線的分析和應(yīng)用

柔 洛

調(diào)頻寬帶雙偶極子板天線的分析和應(yīng)用

柔 洛

（作者單位：四川省新聞出版廣電局）

隨著廣播事業(yè)的迅猛發(fā)展，一些中波臺(tái)除了傳播傳統(tǒng)中波調(diào)幅廣播節(jié)目外，同時(shí)還增加了調(diào)頻廣播和數(shù)字電視節(jié)目的播出，特別是調(diào)頻廣播多套節(jié)目在同一副調(diào)頻天線中通過(guò)運(yùn)用多工器進(jìn)行多工發(fā)射。由于藏區(qū)中波臺(tái)的廣播電視塔普遍矮小，鐵塔用于安裝天線的空間有限，所以要求調(diào)頻天線必須具有較寬的頻率帶寬和富足的功率容量，以便進(jìn)行多工發(fā)射。本文介紹一種性能優(yōu)異的形似寬帶支撐結(jié)構(gòu)的雙偶極子反射板天線，主要運(yùn)用于調(diào)頻廣播多工天饋系統(tǒng)。這種雙偶極子板天線用不銹鋼制作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電氣技術(shù)指標(biāo)高、性能穩(wěn)定，在國(guó)內(nèi)被廣泛使用。

調(diào)頻寬帶雙偶極子板天線；特點(diǎn)；工作原理；應(yīng)用

1　寬帶雙偶極子反射板天線的特點(diǎn)

該天線具有兩大特點(diǎn)：一是天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、先進(jìn)合理，無(wú)任何可調(diào)部件，極大地提高了運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需調(diào)試，給安裝使用帶來(lái)方便；二是頻帶寬、駐波比特性好，其單片天線的駐波比在調(diào)頻段87.5～108MHz內(nèi)基本上達(dá)到S≤1.10，特別適用于多頻節(jié)目傳輸?shù)亩喙ぬ祓伨€系統(tǒng)。該天線在系統(tǒng)組陣設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)相位補(bǔ)償饋電，系統(tǒng)的輸入電壓駐波比還可以做到更好。在實(shí)際運(yùn)用中，四層四面寬帶二偶極子反射板天線系統(tǒng)在87.5～108MHz頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)反射損耗可達(dá)到L≤-30dB（既駐波比S≤1.06）。因此該天線深受用戶歡迎，成為調(diào)頻多工天饋系統(tǒng)首選天線形式之一。

2　寬帶雙偶極子反射板天線的構(gòu)成及工作原理分析

2.1天線的構(gòu)成

寬帶雙偶極子反射板天線由天線反射板、以及兩對(duì)振子（半波二偶極子）和支撐陷波器組成。如圖1所示。

圖1　寬帶雙偶極子反射板天線組成圖

天線反射板的邊框選用矩形無(wú)縫管制作，其外形美觀、強(qiáng)度好，相比之下，其強(qiáng)度比角鋼和圓管高，整個(gè)反射板不易變形，其邊框尺寸為：2400mm（長(zhǎng)）×1800mm（寬）。振子用直徑Φ40無(wú)縫鋼管制成，兩對(duì)振子的支撐桿和陷波器用無(wú)縫方管制作，并兼作振子饋電線的外管，節(jié)省了材料。單片天線重量較輕（約35kg），天線振子上開(kāi)有排水孔，在安裝時(shí)應(yīng)注意排水孔向下。

2.2天線工作原理

天線饋電采用的是不平衡饋電方式，天線靠?jī)蓪?duì)半波雙偶極子（振子）獲得饋電電流而輻射能量，并通過(guò)反射板的作用使能量形成定向輻射。由于天線振子全長(zhǎng)近似等于半個(gè)波長(zhǎng)，饋電輸入點(diǎn)是電流波腹點(diǎn)，因此輻射阻抗也就是輸入阻抗。一個(gè)半波振子輸入阻抗歸為振子自輻射阻抗和振子間互阻抗以及振子鏡像阻抗之和，為一復(fù)阻抗ZΣ1。計(jì)算式如下：

式中：

Z11------振子1的自輻射阻抗

Z11′----振子1與其鏡像阻振子1′之間的互阻抗

Z21------振子2與振子1之間的互阻抗

Z2′1------振子2的鏡像振子2′與振子1間的互阻抗

通過(guò)計(jì)算，得知振子輸入阻抗約為84+j3Ω。此輸入阻抗通過(guò)支撐桿兼作阻抗變換器以及陷波器的作用可以達(dá)到良好匹配。其振子饋電原理圖如圖2：

圖2　振子饋電原理圖

A、B為對(duì)稱振子的兩個(gè)臂，饋以電流后輻射電磁能量；D為支撐桿，內(nèi)含導(dǎo)體并作阻抗變換器給振子饋電，但此電流是不平衡的，還應(yīng)轉(zhuǎn)換為平衡饋電；C為陷波器（虛線示意有防水密封盒），就是起作平衡與不平衡轉(zhuǎn)換作用。從E點(diǎn)向上看去，輸入阻抗設(shè)計(jì)為100Ω，該輸入阻抗通過(guò)阻抗變換器D與振子輸入阻抗相匹配，同時(shí)與另一半振子在E點(diǎn)并聯(lián)后形成為單片天線的標(biāo)準(zhǔn)接口輸入阻抗50Ω。從接口輸入內(nèi)導(dǎo)體的電流在E點(diǎn)流向振子端口，因振子B內(nèi)開(kāi)路線長(zhǎng)λ/4，相當(dāng)于工作頻率電流在振子輸入端口呈現(xiàn)短路而直接送到振子B上，最終在振子上形成電流分布輻射電磁能量。

3　單片天線技術(shù)參數(shù)

（1）頻率范圍：87.5～108MHz

（2）功率容量：2.5kW

（3）天線增益：7.5dB（相對(duì)半波偶極子）

（4）極化方式：水平極化

（5）電壓輸入駐波比：調(diào)頻18MHz帶寬內(nèi)，S≤1.10； 21MHz帶寬內(nèi)，S≤1.12。其反射損耗特性曲線如圖3：（測(cè)試所使用儀器為天津德威公司DS7110A標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀）。

圖3　反射損耗特性曲線圖

（6）天線方向性

假設(shè)反射板是無(wú)窮大的理想導(dǎo)體平面，根據(jù)鏡像原理可求得天線水平方向性（E面）為：

天線垂直方向性（H面）為：

式中：l為半波振子一臂的長(zhǎng)度；

H為振子與反射板的距離；

S為相鄰振子之間的距離。

β為相位常數(shù)，β=2π/λ

實(shí)際上，反射板為有限大小平面，振子輻射在反射板邊緣處存在著繞射場(chǎng)，這也是天線存在后瓣的原因。實(shí)測(cè)主瓣與計(jì)算基本相符，副瓣誤差約0.5～1dB。在E面，半功率夾角約為73°；在H面，半功率夾角約為57°。單片天線輻射場(chǎng)形圖如圖4。

圖4　單片天線輻射場(chǎng)形圖

天線水平場(chǎng)形經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試后也可用一數(shù)學(xué)函數(shù)式近似模擬

為：FE（θ）=cos1.5θ

通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算并繪出天線水平垂直輻射場(chǎng)形圖如圖5。

圖5　天線水平垂直輻射場(chǎng)形圖

圖6

圖7　多層天線垂直場(chǎng)形圖

4　寬帶雙偶極子反射板天線的應(yīng)用

單片天線具有一定的方向性，但通過(guò)天線組陣可以方便地組合成各種所需的任何水平場(chǎng)形，以滿足覆蓋服務(wù)區(qū)的要求。下面給出幾種典型組陣方式的水平方向性圖及垂直場(chǎng)形圖（見(jiàn)圖6），以供參考。

實(shí)際運(yùn)用中通常采取塔上四層四面安裝。系統(tǒng)采用二次相位補(bǔ)償饋電方式，并要求天線在塔上偏置約0.16λ（480㎜）安裝。其安裝饋電示意圖如圖8。

圖8　安裝饋電示意圖

四面天線系統(tǒng)水平方向性可用下式計(jì)算（圖9）。

圖9

在第一象限0°＜Φ＜90°有：

d為塔寬的1/2；

通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算四層四面天線在

0°～360°四個(gè)象限內(nèi)的水平方向性圖

（E面）如圖10所示：

由于塔寬條件限制，天線偏置量取到x=0.16λ=480㎜時(shí)，可滿足水平方向性圖不圓度＜±3dB。

圖10

H面（垂直面）方向圖。

每一塊二偶極子板天線單元看成有定向性的點(diǎn)源來(lái)代替，四層天線的層間距為S，豎直排列如圖11。

圖11

各層天線振子等幅同相饋電。如采取電氣波束下傾，則上三層電流同相位，最下層饋電電流滯后一個(gè)角度δ（一般為-40°），且等幅饋電時(shí)有I1=I2=I3=I4。因此，四層天線系統(tǒng)垂直場(chǎng)形可按下式計(jì)算。

式中：D—一塊板中二偶極子之間的距離（0.5λ）；

△—從天線 之法線方向量起的垂直面的仰角；

f。（△）—二偶極子板天線單元在H面的方向性函數(shù)。

通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算四層天線垂直場(chǎng)形（H面）如圖12所示。

圖12

圖13

調(diào)頻寬帶雙偶極子反射板天饋線系統(tǒng)一般采用四層四面偏置安裝，并通過(guò)二次相位補(bǔ)償饋電，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，反射損耗在調(diào)頻87.5～108MHz范圍內(nèi)為：駐波比S＜1.10，即系統(tǒng)電壓輸入駐波比達(dá)到廣播電影電視部GY/T-5051-94甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，滿足調(diào)頻全段內(nèi)多工（多頻點(diǎn)）使用要求。圖13是使用德威DS7110A標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試的某四層四面天線系統(tǒng)的反射損耗特性曲線，駐波比技術(shù)指標(biāo)調(diào)頻全頻段內(nèi)到達(dá)甲級(jí)。

因此寬帶雙偶極子反射板天線在調(diào)頻大功率多工系統(tǒng)中顯示出它的優(yōu)越作用。