圓極化調(diào)頻天線的設(shè)計與建設(shè)

馮潔 靖江廣播電視臺

1.引言

調(diào)頻發(fā)射天線是無線電收發(fā)系統(tǒng)中，向空間輻射或從空間接收電磁波的裝置。它把饋線傳來的電信號轉(zhuǎn)化為無線電波發(fā)射到空間或收集無線電波產(chǎn)生電信號。天線實質(zhì)上是一個換能器，它把高頻電流形式（或波導(dǎo)形式）的能量轉(zhuǎn)換為同頻率的電磁波能量。根據(jù)電場分量的方向，天線分為線極化和圓極化天線。線極化分為水平極化與垂直極化。常用的調(diào)頻廣播水平極化發(fā)射天線有雙環(huán)天線、蝙蝠翼天線和雙偶極子天線；常用的垂直極化發(fā)射天線有單偶極子和雙偶極子；圓極化發(fā)射天線有單面多層布陣和四面多層布陣兩種。對廣播電臺而言，天線的性能直接影響電臺的播出質(zhì)量和服務(wù)范圍。因此，需正確選擇和設(shè)計發(fā)射天線。

2.我臺調(diào)頻廣播的現(xiàn)狀

我臺調(diào)頻廣播的現(xiàn)狀如下：

（1）我臺處于蘇北沿江平原地區(qū)，廣播電視臺鐵塔的高度受諸多因素的限制，線極化方式調(diào)頻天線安裝位置，受到天線的尺寸大小和鐵塔外形的限制，難以掛高，128米高鐵塔，調(diào)頻天線掛高只能在80米處。

（2）調(diào)頻廣播車載收聽人群、 隨身攜帶收聽的中老年人成為調(diào)頻廣播收聽的主要群體。

（3）城鄉(xiāng)一體化的發(fā)展，高層建筑越建越多，越建越高，影響了廣播信號的傳播。

（4）道路綠化，樹木密集，造成信號多徑衰落，導(dǎo)致對行進中的接收信號的干擾較為明顯。

以上四點，導(dǎo)致調(diào)頻廣播在視距內(nèi)，滿足收聽要求的半徑變小，收聽盲區(qū)變多，移動接收效果變差。并且，由于我市行政區(qū)域呈現(xiàn)東西長，南北短的蚌殼形，東、西邊遠地區(qū)難以正常收聽調(diào)頻廣播。

3.無線電波圓極化原理

在空間正交（水平和垂直）的一對天線振子，饋以相位差為90°的等幅電流，此時的電磁波形成圓極化波。

圖1中，Ex為水平振子的電場，Ey為垂直振子的電場，Ex與Ey相位相差π/2，合成電場矢量的瞬時表達式為：

圖1 圓極化原理

這是一個向+Z方向傳播的平面波，在XOY平面 當(dāng)Ex與Ey振幅相等，Ex=Ey=E0時，則有：

因此，水平振子與垂直振子合成矢量E的大小不變，其空間指向則以角頻率ω在XOY平面上作等角速度旋轉(zhuǎn)，形成圓極化電磁波，矢量E端點的軌跡為一圓。由于Ey滯后于Ex，故為右旋極化波（見圖1），反之，為左旋極化波。

圓極化波在垂直方向和水平方向都具有等效各向同性輻射功率。早在上世紀70年代，美國、德國等有關(guān)研究機構(gòu)，就對線極化及圓極化波進行過測試比對，證實了圓極化天線具有以下優(yōu)點：

（1）穿過障礙物（即繞射）能力較線極化波強，傳播距離遠。

（2）能有效抑制由反射引起的多徑衰落現(xiàn)象。

圓極化波在歐美廣播電視領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，尤其是美國，90%以上的調(diào)頻廣播臺都采用圓極化波進行覆蓋。由于線極化天線的生產(chǎn)技術(shù)成本的優(yōu)勢及當(dāng)時的國情，我國在六七十年代從國外引進了線極化天線。近年來，少數(shù)省臺已在廣播發(fā)射領(lǐng)域采用圓極化天線進行傳輸覆蓋。

4.調(diào)頻發(fā)射天線選型

目前，我臺使用的四層四面雙偶極子天線已使用十年，四層四面雙偶極子天線是目前使用最廣泛的天線類型，雙環(huán)天線、蝙蝠翼天線因為各種原因，已被淘汰。經(jīng)過反復(fù)對比分析，我臺最終采用了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)單面六層圓極化天線。其性能特點如下：

（1）國產(chǎn)天線價格較進口天線要低，與正常四層四面線極化天線價格大抵相當(dāng)。

（2）技術(shù)已達到國際水平。

（3）無論鐵塔桅桿上有沒有分米波天線，單面調(diào)頻天線都可以側(cè)掛在桅桿上。相比現(xiàn)有帶反射板或四面多層的天線，單面六層圓極化天線掛高升高約20米，大大提高了覆蓋視距范圍。

（4）單面六層圓極化天線增益達到8.5dBd，水平場形不均勻度：＜±3dB，帶寬達到10M以上，其余各項指標(biāo)均附合要求。

圖2 天線單元

圖3 天線水平面方向性圖

圖4 垂直面場強測試

圖5 垂直面場強測試

圖6 安裝示意圖

圖7 對應(yīng)的場形圖

5.圓極化天線的設(shè)計與安裝

5.1 天線設(shè)計

由于天線必須懸掛于桅桿（塔身）的側(cè)面，對于圓極化天線，存在一對垂直振子，塔身必將產(chǎn)生電磁散射，從而影響天線的輻射場形，隨著桅桿的大小、相對距離的變化，覆蓋場形呈現(xiàn)無規(guī)律嚴重畸變。

所以，常規(guī)振子結(jié)構(gòu)的天線，難以形成圓形（或橢圓）覆蓋場形。這是個關(guān)鍵問題，解決與否，直接影響工程的成敗。為此，我們多次與供貨方技術(shù)人員反復(fù)商討，運用計算機仿真，確定采用魚刺式振子雙V型結(jié)構(gòu)，通過改變振子外形，大大降低了金屬桅桿對場形的影響，使得水平方向的覆蓋圓圖接近于正圓的橢圓形（此天線空間結(jié)構(gòu)，已申請了知識產(chǎn)權(quán)）。

根據(jù)桅桿的尺寸大小，再次通過模擬與仿真，調(diào)整天線與桅桿的距離與相對位置，實現(xiàn)了覆蓋場形接近于本行政區(qū)域形狀的理想效果。

5.2 天線安裝

經(jīng)過計算機優(yōu)化設(shè)計，在鐵塔桅桿、安裝桿、天線垂直振子相對位置滿足相應(yīng)條件時，對應(yīng)的場形接近于我市行政區(qū)東西略長的蚌殼形外形。

6.覆蓋場強測試

2017年3月和6月，靖江廣播電視臺技術(shù)人員使用NI-1000廣播信號綜合測試儀進行實地測試和主觀收聽效果的收聽。測試分三組路線進行測試：東北線-深海高速南通至海安段，啟揚高速海安至姜堰段；中線-滬陜高速南通到江都段，京滬高速無錫至姜堰段；西南線-滬寧高速丹陽至無錫段，錫通高速無錫至張家港段。

經(jīng)現(xiàn)場測試，靖江FM102.4得到覆蓋場強等勢圖和區(qū)域覆蓋圖。

圖8 覆蓋場強等勢圖

7.結(jié)束語

（1）改造后的天線場強，場形正常，呈東西略長的橢圓形。收聽半徑范圍比原天線擴大了十五公里，有效覆蓋半徑能夠達到35公里以上。

（2）實際收聽效果。原來收聽區(qū)域不佳的本市東片西來地區(qū)，收聽效果明顯改善，音質(zhì)良好無噪聲。東西兩邊的某些邊緣陰影區(qū)域，收聽不良現(xiàn)象明顯消失。

（3）移動接收。特別是車載收音機，效果明顯改善，斷音、重音等現(xiàn)象明顯消失。信號穿透力顯著增強，在一些大型商業(yè)廣場的地下停車庫，可以收聽到良好的音質(zhì)。

綜上所述，本次調(diào)頻發(fā)射天線的圓極化技術(shù)升級改造達到了設(shè)計效果。

[1] 電磁場工程基礎(chǔ)，林志瑗 楊銓讓 沙玉鈞合編，高等教育出版社 ISBN 7-04-000330-8/TM-49