定向短波天線分析

張 華

（作者單位：四川省廣播電視局若爾蓋臺(tái)）

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)廣播電視事業(yè)迅速發(fā)展，廣播電視通過(guò)有線傳輸、無(wú)線發(fā)射及衛(wèi)星傳輸?shù)燃夹g(shù)手段進(jìn)行傳播，聽(tīng)廣播、看電視成為人民群眾了解黨和國(guó)家的路線方針政策、國(guó)內(nèi)外大事、學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)、文化娛樂(lè)的重要方式。特別是近年來(lái)隨著媒體融合高速發(fā)展，5G傳輸網(wǎng)絡(luò)，4K、8K高清電視等更加深入融入百姓日常工作生活，智慧廣電走進(jìn)了千家萬(wàn)戶，成為人們生活中不可缺少的部分。同時(shí)，廣播電視作為黨和政府的喉舌，是重要的思想文化傳播陣地，是宣傳、弘揚(yáng)黨和國(guó)家的路線方針政策、中華文化的重要手段。隨著人民群眾對(duì)精神文明以及廣播電視的需求迅速增長(zhǎng)，各級(jí)政府、各級(jí)廣播電視機(jī)構(gòu)均加大了對(duì)廣播電視事業(yè)和新聞媒體建設(shè)的投入，無(wú)線覆蓋傳輸發(fā)射臺(tái)從原來(lái)單一功能向多功能綜合性發(fā)射傳輸臺(tái)發(fā)展。無(wú)線覆蓋是廣播電視提供基本服務(wù)的手段，也是有線傳輸無(wú)法覆蓋區(qū)域的技術(shù)補(bǔ)充，更是各級(jí)政府為人民群眾提供公共文化服務(wù)的重要組成部分，短波覆蓋也成為部分臺(tái)站特有的職能職責(zé)。

1 定向短波天線分析

短波垂直極化地面波天線廣泛用于無(wú)線發(fā)射轉(zhuǎn)播臺(tái)，由于單個(gè)天線增益只有3～3.7 dBi，在發(fā)射機(jī)功率為2 kW時(shí)，對(duì)抗敵臺(tái)有效半徑為3～8 km（敵臺(tái)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值根據(jù)高原測(cè)試結(jié)果最大設(shè)為70 dBμV/m）。因此，在城市區(qū)域，為提高覆蓋效果，有時(shí)需要考慮采用定向天線發(fā)射節(jié)目頻率，垂直極化地面波短波天線實(shí)現(xiàn)定向有兩種方式，即無(wú)源定向和有源定向。無(wú)源定向即是在單個(gè)源天線旁樹(shù)立反射條和引向條形成八木天線式的定向天線，當(dāng)單元增加時(shí)可取得較高天線增益，三單元天線增益約為5～9 dBi，但這種方式的增益帶寬較窄，約為2 MHz，適合固定頻率發(fā)射；有源定向就是將兩個(gè)單源天線饋以相差90°的饋電，實(shí)現(xiàn)定向天線發(fā)射，此種方式可以獲得5～10 dBi增益，增益帶寬較寬約＞10 MHz。

無(wú)源定向可設(shè)計(jì)有較高天線增益，但頻帶窄、建設(shè)場(chǎng)地大、成本較高；有源定向雖然增益提高只有2～4 dBi，但頻帶較寬、更便于實(shí)施。通過(guò)理論計(jì)算分析后，可建議采用有源定向天線，天線增益增加2～7 dBi，將增加對(duì)抗作用距離約3 km以上，作用距離以單個(gè)12 m天線為參考，按照70 dBμV/m為邊界場(chǎng)強(qiáng)值計(jì)算。

2 計(jì)算原理

本文將通過(guò)天線仿真分析系統(tǒng)軟件MMANA-GAL和FEKO對(duì)3款天線進(jìn)行天線場(chǎng)型、阻抗特性、駐波比特性和增益特性的理論仿真計(jì)算，總結(jié)和分析出3款天線的優(yōu)勢(shì)。

2.1 阻抗特性計(jì)算原理

天線特性阻抗是指電流在傳輸線中電壓振幅和電流振幅之比。特性阻抗是由天線的電導(dǎo)率、電容以及阻值組合后的綜合特性。天線的特性阻抗取決于天線的尺寸、結(jié)構(gòu)、導(dǎo)體間的距離以及絕緣材料等物理參數(shù)。傳輸電纜標(biāo)準(zhǔn)匹配阻抗一般取值為50 Ω或75 Ω，在廣電常用天線的設(shè)計(jì)中，發(fā)射頻率的特性阻抗應(yīng)與傳輸電纜的標(biāo)準(zhǔn)匹配阻抗相匹配。

天線特性阻抗計(jì)算公式為：

式（1）中，Rin為輸入電阻，Xin為輸入電抗。

天線輸入阻抗是指天線饋電點(diǎn)呈現(xiàn)的阻抗值。它直接決定與饋電系統(tǒng)的匹配狀態(tài)，從而影響?zhàn)伻胩炀€的功率及饋電系統(tǒng)的效率等。天線的輸入阻抗取決于天線本身的結(jié)構(gòu)與尺寸、工作頻率以及鄰近天線周?chē)矬w的影響等。一般通過(guò)近似值計(jì)算和工程試驗(yàn)來(lái)確定（阻抗網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試）。

輸入阻抗、輸入電壓和電流的關(guān)系同式（1）。

2.2 增益特性計(jì)算原理

增益（G）是發(fā)射天線在最大輻射方向上某空間點(diǎn)的電場(chǎng)功率（E1）密度與標(biāo)準(zhǔn)天線理想狀態(tài)下點(diǎn)電源（E0）的電場(chǎng)功率密度之比：

增益（G）還可以表示為標(biāo)準(zhǔn)天線理想電源（Pin0）輸入功率與發(fā)射天線輸入功率（Pin1）之比，前提條件為在某一方向、某一點(diǎn)產(chǎn)生了相等的電場(chǎng)強(qiáng)度。即增益（G）的計(jì)算公式也可表示為：

在相同輸入功率條件下，天線在最大輻射方向上某點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度（或）與理想點(diǎn)源（效率100%）在同一點(diǎn)處產(chǎn)生的功率密度之比：

應(yīng)注意與方向系數(shù)的區(qū)別，方向系數(shù)是從輻射功率出發(fā)的，而增益系數(shù)則是以輸入功率作為參考點(diǎn)，即G=DηA，其中D表示天線效率，DηA表示方向性。當(dāng)天線效率為1時(shí)，天線的增益系數(shù)就是該天線的方向系數(shù)。阻抗特性及增益特性理論計(jì)算示意圖，右圖為理論計(jì)算值，如圖1所示：

圖1 阻抗特性及增益特性理論計(jì)算示意圖

3 無(wú)源定向天線

以三單元無(wú)源天線模型為例，通過(guò)在幾何中心頻率10 MHz，范圍5～18 MHz的計(jì)算，綜合比較后得出結(jié)論：在10～11 MHz頻率帶寬范圍內(nèi)可用。

3.1 場(chǎng)型分析

在中心頻率10.3 MHz時(shí)的場(chǎng)型圖，從左到右依次為3D場(chǎng)型圖、水平場(chǎng)型圖和垂直場(chǎng)型圖，如圖2所示。

圖2 場(chǎng)型圖

3.2 阻抗特性及駐波比特性分析

3.2.1 阻抗特性

通過(guò)天線仿真分析系統(tǒng)軟件MMANA-GAL進(jìn)行理論計(jì)算，設(shè)置中心頻率為10.3 MHz，阻抗曲線計(jì)算范圍為10.26～10.46 MHz，即在0.2 MHz的區(qū)間內(nèi)，Rin的計(jì)算值范圍為52～60.5 Ω，匹配值為50 Ω的點(diǎn)在10.3 MHz。

設(shè)置中心頻率為10 MHz，阻抗曲線計(jì)算范圍為1～19 MHz，即在18 MHz的區(qū)間內(nèi)，Rin在10～11 MHz 最佳。

3.2.2 駐波比特性

通過(guò)軟件將理論計(jì)算得出的阻抗值進(jìn)行換算后，得出在10.26～10.46 MHz內(nèi)，駐波呈V字型。在10.3 MHz處，駐波值SWR最低，為1.0。在1～19 MHz內(nèi)，SWR在10～11 MHz最接近于1.0。

3.3 增益特性分析

經(jīng)理論計(jì)算，在10.26～10.46 MHz內(nèi)，增益G的取值范圍為8.13～8.25 dBi。在10.3 MHz處，增益為8.17 dBi。增益分析理論計(jì)算，如圖3所示。

圖3 增益分析理論計(jì)算圖

4 有源定向天線

以高12 m直徑2 m的筒線天線模型為例，通過(guò)在幾何中心頻率14 MHz，范圍5～21 MHz的計(jì)算，綜合比較后得出結(jié)論：在5～21 MHz頻率帶寬范圍內(nèi)適用。計(jì)算結(jié)果值如下。

4.1 場(chǎng)型分析

在中心頻率14 MHz時(shí)的場(chǎng)型圖，分別為3D場(chǎng)型圖、水平場(chǎng)型圖和垂直場(chǎng)型圖。

4.2 阻抗特性及駐波比特性

（1）阻抗特性：通過(guò)天線仿真分析系統(tǒng)軟件MMANA-GAL進(jìn)行理論計(jì)算，設(shè)置中心頻率為14.1 MHz，阻抗曲線計(jì)算范圍為14.05～14.25 MHz，即在0.2 MHz的區(qū)間內(nèi)，Rin的計(jì)算值范圍為3.2～3.9 Ω，阻抗特性曲線呈直線上升的趨勢(shì)。

阻抗曲線計(jì)算范圍為4.15～24.15 MHz時(shí)，Rin的計(jì)算值范圍為10～170 Ω。

（2）駐波比特性：通過(guò)軟件將理論計(jì)算得出的阻抗值進(jìn)行換算后，得出在14.05～14.25 MHz內(nèi)，SWR的計(jì)算值范圍為12.2～16.1，駐波呈直線上升的趨勢(shì)。在5～21 MHz絕大部分的頻率的SWR在4左右。

天線阻抗及駐波比特性理論計(jì)算，如圖4所示：

圖4 天線阻抗及駐波比特性理論計(jì)算圖

4.3 增益特性分析

經(jīng)理論計(jì)算，在14.05～14.25 MHz內(nèi)，增益G的取值范圍為17.3～17.8 dBi。增益分析理論計(jì)算。如圖5所示：

圖5 增益分析理論計(jì)算

5 紡錘形短波天線

當(dāng)以12 m紡錘形短波天線模型為例，通過(guò)在幾何中心頻率10 MHz，范圍5～21 MHz的計(jì)算，綜合比較后得出結(jié)論：在10～19 MHz頻率帶寬范圍內(nèi)適用。計(jì)算結(jié)果值如下。

5.1 場(chǎng)型分析

通過(guò)天線仿真分析系統(tǒng)軟件FEKO進(jìn)行理論計(jì)算，分別將中心頻率設(shè)置為5、10、19和21 MHz進(jìn)行計(jì)算。從場(chǎng)型上看，21 MHz時(shí)，波束上翹，形成天波，不利于覆蓋，因此不可選用。在5、10和19 MHz處，天線以地面波傳輸，可選用。如圖6所示。

圖6 場(chǎng)型分析

5.2 駐波比特性分析

從駐波比特性圖來(lái)觀察，10～19 MHz的駐波值最佳，因此該天線可在10～19 MHz頻率帶寬范圍內(nèi)適用。如圖7所示。

圖7 駐波比特性分析

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)天線仿真分析系統(tǒng)軟件理論計(jì)算了3款短波天線的物理特性，充分展示了各類天線的優(yōu)勢(shì)所在。但在實(shí)際場(chǎng)景中，為了保證無(wú)線發(fā)射轉(zhuǎn)播臺(tái)短波頻率的覆蓋效果，還應(yīng)綜合發(fā)射臺(tái)場(chǎng)區(qū)建設(shè)情況、發(fā)射機(jī)房情況、臺(tái)站地理位置、臺(tái)站周邊地理環(huán)境、覆蓋受眾情況等因素作出分析和判斷，并選定天線形式。利用天線仿真分析系統(tǒng)軟件和場(chǎng)強(qiáng)覆蓋軟件開(kāi)展實(shí)際場(chǎng)景的仿真計(jì)算分析，模擬實(shí)際覆蓋效果情況，以求最大化服務(wù)受眾需求。