圓極化天線在調(diào)頻廣播中的應(yīng)用

張志昊

（福建省廣播電視傳輸發(fā)射中心一〇一臺(tái)，福建 福州 350001）

1 研究背景

如今，移動(dòng)收聽廣播節(jié)目是受眾主要的收聽方式。我國(guó)的廣播業(yè)務(wù)頻段通常分布在UHF頻段，受限于原有的接收天線長(zhǎng)度等一系列因素，終端天線瓶頸難以突破，發(fā)射端的天線技術(shù)仍存在巨大的發(fā)展空間。目前，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)地區(qū)進(jìn)行了針對(duì)線極化與圓極化天線在FM和DTMB系統(tǒng)的對(duì)比測(cè)試[1]，尚沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但目前開展相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比給出的報(bào)告顯示，圓極化發(fā)射天線的覆蓋效果普遍優(yōu)于線極化天線。因此，進(jìn)行圓極化天線的技術(shù)研究，也是廣播電視發(fā)射臺(tái)站一種技術(shù)嘗試。對(duì)于覆蓋效果提升，福建省廣播電視傳輸發(fā)射中心一〇一臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱臺(tái)站）目前面臨以下問(wèn)題。

（1）臺(tái)站地處福州市中心烏山頂，現(xiàn)有70 m發(fā)射塔一座，塔上架設(shè)兩幅垂直極化調(diào)頻發(fā)射天線，由于地理環(huán)境原因，無(wú)法加高發(fā)射塔。

（2）由于城市建設(shè)的不斷擴(kuò)容，居民生活居住地離市中心不斷變遠(yuǎn)，居民在路上的通勤時(shí)間變長(zhǎng)，移動(dòng)收聽成為受眾主要的收聽方式。特別是臺(tái)站播出的調(diào)頻三個(gè)頻率節(jié)目，是有車一族必聽的廣播節(jié)目。

（3）隨著城市建設(shè)的加大，建筑物高度和密度不斷增大，給聽眾收聽質(zhì)量帶來(lái)了很大的干擾。臺(tái)站的三個(gè)頻率節(jié)目都是滿功率播出，受這一條件的限制，發(fā)射功率不能再加大。

（4）隨著福建省應(yīng)急廣播項(xiàng)目的實(shí)施，其在現(xiàn)有的調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)中穿插了應(yīng)急信號(hào)，當(dāng)有需要在社會(huì)層面及時(shí)播出緊急信息時(shí)，直接切斷原有廣播節(jié)目，插入播出應(yīng)急信號(hào)，這就對(duì)臺(tái)站的廣播覆蓋面及強(qiáng)度有了更高的要求。

為此，臺(tái)站必須進(jìn)行技術(shù)改造，在現(xiàn)有發(fā)射條件下，從發(fā)射天線改造出發(fā)，利用現(xiàn)有設(shè)備改造發(fā)射天線，提升覆蓋半徑，增強(qiáng)抗干擾性，提高收聽效果。

2 理論研究及技改方案選擇

圓極化電磁波具有兩大特點(diǎn)，分別介紹如下。

（1）圓極化波可以分解為兩個(gè)相位相差90°的等幅正交線極化波，兩個(gè)線極化波形成一個(gè)等幅旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。如圖1所示。

圖1 圓極化波

圖1中，Ex是水平電場(chǎng)強(qiáng)度，Ey是垂直電場(chǎng)強(qiáng)度，其相位相差π/2；Ε為合成電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的瞬時(shí)值，ω為角頻率。E0為合成電場(chǎng)強(qiáng)度，合成電場(chǎng)強(qiáng)度瞬時(shí)值的表達(dá)式為

在XOY平面，當(dāng)水平方向和垂直方向電場(chǎng)強(qiáng)度相等時(shí)：

因此，水平振子與垂直振子合成矢量Ε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)，即形成圓極化電磁波，矢量Ε端點(diǎn)的軌跡為一圓，由于Ey滯后于Ex，故為右旋極化波（如圖1所示）；反之，為左旋極化波。兩個(gè)方向電場(chǎng)所合成的矢量大小是不會(huì)隨著移動(dòng)軌跡發(fā)生改變的，矢量端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)圓形[2]。

（2）圓極化波抗干擾特點(diǎn)。圓極化波在傳播過(guò)程中，能在遇到的物體表面形成與入射波旋級(jí)左右相反的反射波。反射波不能被接收天線接收，所以具有很強(qiáng)的抗多徑干擾和抑制雨霧干擾。這對(duì)提高接收能力具有很好的效果。

基于以上特點(diǎn)，可以將圓極化天線的優(yōu)點(diǎn)歸納如下。

（1）圓極化天線所發(fā)射的極化電磁波可以被線極化天線接收到，對(duì)于接收端來(lái)說(shuō)不需要改變接收天線，相同口徑的垂直極化天線改為圓極化天線后，信號(hào)的平均場(chǎng)強(qiáng)沒(méi)有降低。

（2）圓極化波的電場(chǎng)矢量是不斷旋轉(zhuǎn)的，其優(yōu)點(diǎn)是能有效地降低由于信號(hào)的多路徑反射而造成多徑衰落的影響[3]。

（3）圓極化天線受安裝塔體影響小。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，發(fā)射天線指向方向和塔體遮擋的背面方向的傳播距離相差不是很大，比垂直極化天線受塔體的影響小。

（4）圓極化波具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能顯著地改善接收端的信噪比，提高信號(hào)質(zhì)量，降低誤碼率。在室內(nèi)及地下室等諧波干擾嚴(yán)重的環(huán)境下，圓極化天線能夠更好地保證發(fā)射信號(hào)得到更好的接收，在廣播領(lǐng)域的應(yīng)用非常值得推廣。

由此，臺(tái)站從當(dāng)前實(shí)際情況及資金、可行性等一系列的因素考量，通過(guò)使用電磁波仿真軟件（HFSS）進(jìn)行天線覆蓋電磁波仿真，最終確定對(duì)原有的四層垂直極化天線進(jìn)行改造，撤換成國(guó)產(chǎn)自主產(chǎn)權(quán)的單面八層圓極化天線（FM圓極化全向天線IF45）作為技改方案。

3 技改方案實(shí)施

技改方案的實(shí)施，主要包括以下步驟。

（1）拆除原有4層垂直極化天線，并將UHF數(shù)字電視偶極子天線下移，加裝8層魚刺式振子結(jié)構(gòu)的全向圓極化天線，如圖2所示。

圖2 實(shí)際安裝圖

（2）圓極化天線采用魚刺式振子結(jié)構(gòu)，懸掛于桅桿的側(cè)面，有一對(duì)垂直振子，大大降低了金屬桅桿對(duì)場(chǎng)形的影響，使得水平方向的覆蓋圓圖接近于正圓的橢圓形。通過(guò)調(diào)整桅桿的大小和距離，也能對(duì)覆蓋場(chǎng)型進(jìn)行調(diào)整，如圖3所示。

圖3 單個(gè)振子

（3）安裝桿與桅桿以及安裝桿與振子之間的距離可以在0.2λ～0.7λ范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，本方案設(shè)計(jì)安裝桿和桅桿之間為0.32λ，安裝桿和振子之間為0.5λ，如圖4所示，可以使得覆蓋場(chǎng)形接近于任務(wù)覆蓋區(qū)的區(qū)域形狀，如圖5所示。

圖4 安裝示意圖

圖5 對(duì)應(yīng)場(chǎng)形圖

（4）8層單面全向天線的增益為9.5 dBd，水平場(chǎng)形不勻度小于±3 dB，帶寬達(dá)到10 MHz以上，每項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 技改后覆蓋效果場(chǎng)強(qiáng)路測(cè)

為了測(cè)試技改后的效果，臺(tái)站組織技術(shù)人員分別于2020年11月天線改造前、2021年4月天線改造后以及2021年11月三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，對(duì)三個(gè)播出頻率（88.3 MHz，91.8 MHz，98.7 MHz）的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋進(jìn)行了測(cè)試。

4.1 路測(cè)條件

本次路測(cè)，使用天津德力電子公司的S7000設(shè)備做為路測(cè)工具，利用車載的方式進(jìn)行路測(cè)。三個(gè)播出頻率全部滿功率播出，88.3 MHz的功率為1 kW，91.3 MHz的功率為5 kW，98.7 MHz的功率為5 kW。

以臺(tái)區(qū)為中心，前兩次測(cè)試沿著福州市三環(huán)道路進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試路程達(dá)到110 km左右，已經(jīng)超過(guò)了臺(tái)站覆蓋的任務(wù)區(qū)間。第三次測(cè)試以臺(tái)站覆蓋任務(wù)區(qū)福州市二環(huán)道路進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試路程為60 km左右。

隨車使用德生收音機(jī)進(jìn)行人工收聽，用耳朵聽力判斷。場(chǎng)強(qiáng)在30 dBμV以下時(shí)，雜波較多，影響收聽效果；在30～40 dBμV區(qū)間，能正常收聽節(jié)目；場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)40 dBμV以上，能完全清晰地接聽到廣播節(jié)目。

4.2 測(cè)試結(jié)果

三個(gè)播出頻率地場(chǎng)強(qiáng)覆蓋都有顯著提高。現(xiàn)以88.3 MHz為例進(jìn)行說(shuō)明。改造前，88.3MHz的信號(hào)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)如圖6所示。

圖6 88.3 MHz改造前的信號(hào)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)圖

改造前，對(duì)88.3 MHz測(cè)試，共采集樣本點(diǎn)11 188 個(gè)，測(cè)試總路程為110.53 km，測(cè)試樣本的平均信號(hào)強(qiáng)度為41.15 dBμV。比重最大的是（40.00，50.00]區(qū)間。信號(hào)強(qiáng)度在40 dBμV區(qū)間以上的樣本點(diǎn)數(shù)占比為47.98%。

改造后，共采集樣本點(diǎn)11 838個(gè)，測(cè)試總路程為119.69 km，測(cè)試樣本的平均信號(hào)強(qiáng)度為50.08 dBμV。 比重最大的是（50.00，60.00]區(qū)間，信號(hào)強(qiáng)度在 40 dBμV區(qū)間以上的樣本點(diǎn)數(shù)占比達(dá)到73.14%，如圖7所示。

圖7 88.3 MHz改造后信號(hào)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)圖

2021年11月，再次對(duì)任務(wù)覆蓋區(qū)福州市二環(huán)內(nèi)進(jìn)行第三次測(cè)試，測(cè)試總路程為60 km，測(cè)試樣本點(diǎn)的平均信號(hào)強(qiáng)度為66.736 dBμV，其中比重最大的是[70.00，80.00]區(qū)間，信號(hào)強(qiáng)度70 dBμV區(qū)間以上的樣本點(diǎn)數(shù)占比達(dá)到84.4%。收測(cè)指標(biāo)證明，覆蓋效果完全達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，也完全優(yōu)于天線改造前的效果。特別是在室內(nèi)及隧道的改善特別明顯。效果對(duì)比如表1所示。

表1 室內(nèi)及隧道收聽效果對(duì)比表

基于以上測(cè)試結(jié)果可判定，本次對(duì)于天線的圓極化改造達(dá)到了預(yù)期效果。

5 技改經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

使用垂直極化天線發(fā)射時(shí)，由于多徑反射，會(huì)出現(xiàn)某些場(chǎng)強(qiáng)足夠的城市路段聽起來(lái)效果不好的現(xiàn)象，有滋啦聲等雜音[4]。改為圓極化天線后，電波在城市樓群產(chǎn)生的多徑衰弱影響大大降低，實(shí)測(cè)具體表現(xiàn)為聲音幅度穩(wěn)定、聲音還原度高，聲音質(zhì)量非常好。

圓極化波具有較強(qiáng)的繞射能力，對(duì)于建筑與收測(cè)距離相對(duì)較近、高度與橫亙寬度相對(duì)較小的山丘遮擋造成的影響有明顯削弱。用垂直極化天線發(fā)射時(shí)，這些路段場(chǎng)強(qiáng)較低，收聽時(shí)聲音背景噪聲較大。改為圓極化天線后，這些路段收聽聲音良好，背景噪聲大幅降低。

圓極化波穿透能力強(qiáng)，在商場(chǎng)和某些地下車庫(kù)及隧道，圓極化天線發(fā)射較垂直極化發(fā)射有很大改善，覆蓋范圍也明顯擴(kuò)大[5]。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了圓極化天線在調(diào)頻廣播中的實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)采用圓極化天線替換原有垂直極化天線，在不改變發(fā)射機(jī)現(xiàn)有條件下，提高了天線覆蓋場(chǎng)強(qiáng)，增強(qiáng)了抗干擾能力，保證了廣播電視發(fā)射臺(tái)站的播出效果。本項(xiàng)目選用國(guó)內(nèi)使用較少的圓極化發(fā)射天線作為技改措施，是一種大膽的嘗試。隨著將來(lái)廣電行業(yè)5G技術(shù)的廣泛應(yīng)用，本次嘗試將為臺(tái)站將來(lái)適應(yīng)技術(shù)發(fā)展提升打下基礎(chǔ)。