广播电视发射天线技术及应用

摘要: 广播电视发射天线是调频广播、电视天线发射系统中的重要组成部分之一。本文从天线的基础知识、分类与选择、能量利用、场强预测与电波传播等方面进行论述。对广电工程的天线设计、参数设置和选择,提供了理论依据。

Abstract: The radio and television transmitting antenna is the important part of FM radio,TV antennas system. This paper discusses antenna design of radio and television engineering,parameter settings and options from basic knowledge,classification and selection of the antenna, energy use,the field strength prediction,wave propagation,providing a theoretical basis.

关键词: 发射天线;技术;应用

Key words: transmitting antenna;technology;application

中图分类号:TN948.5文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)11-0128-04

1天线的概况

表征天线性能的主要参数有方向图,增益,输入阻抗,驻波比,极化方式等。

1.1 天线的输入阻抗天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接,最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗,这时馈线终端没有功率反射,馈线上没有驻波,天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量,使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数,行波系数,驻波比和回波损耗,四个参数之间有固定的数值关系,使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中,用的较多的是驻波比和回波损耗。一般发射天线的输入阻抗为50Ω。

驻波比就是行波系数的倒数,其值在1到无穷大之间。驻波比为1,表示完全匹配;驻波比为无穷大表示全反射,完全失配。在天线系统中,一般要求驻波比小于1.1,但实际应用中VSWR应小于1.15。过大的驻波比会加大发射机反射功率。

回波损耗就是反射系数绝对值的倒数,以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间,回波损耗越大表示匹配越差,回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射,无穷大表示完全匹配。在天线系统中,一般要求回波损耗大于26dB。

VSWR=

1.2 天线的极化方式天线辐射的电磁波可以是线极化,椭圆极化或圆极化。极化是指电场矢量端点随时间变化时运动轨迹的形状,取向和旋转方向。电场矢量在空间任何瞬时皆固定不变的电磁波称线极化波。工程上电场矢量和地面平行的称水平极化;与地面垂直的称垂直极化波;与地面倾斜某一角度的称斜线极化。当电场矢量在一个周期内,其端点在垂直于传播方向的平面内描绘的轨迹成一个圆,则称作圆极化。沿电磁波传播方向看去,电场矢量随时间时间顺时针方向旋转是右旋极化,向反时针方向旋转是左旋极化。而轨迹为一椭圆则为椭圆极化,辐射某种极化电磁波的天线,称为某种极化天线。极化损失就是发射天线的极形式和接收天线的极化形式不同时,接收功率的损失为极化损失。

1.3 天线的增益天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力,它是选择发射天线最重要的参数之一。

一般来说,增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度,而在水平面上保持全向的辐射性能。另外,表征天线增益的参数有dBd和dBi。dBi是相对于点源天线的增益,在各方向的辐射是均匀的;dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下,增益越高,电波传播的距离越远。方向性图就是以天线为中心,在远区恒定距离下,天线辐射特性随空间方位变化的图形,是一空间立体模型。辐射特性是场强,功率密度,相位及极化等,常用的是场强方向图及功率方向图,而且只取两个互相垂直的主平面内的方向图。电视和调频天线通常以E面和H面的方向图描述天线的方向性。前者是通过天线中心,平行于天线极化方向与传播方向构成的平面上,给定的极化波场强与射线角度的关系图形。H面方向图是通过天线中心垂直与E面的平面上,给定的极化波场强与射线角度的关系图形。水平极化天线的E面方向图称为水平面方向图。其H面方向图称为垂直方向图。垂直极化天线的E面为垂直面,H面为水平面。

1.4 天线的主瓣;波瓣宽度;副瓣;副瓣电平;前后比;方向函数

主瓣:辐射最大方向的波瓣。

主瓣宽度:主板中功率密度为最大值一半的夹角。

副瓣:方向图中除主瓣以外的波瓣。

副瓣电平:副瓣中最大功率密度与主瓣最大功率密度之比的分贝值。

前后比:主瓣最大功率密度与其相反方向副瓣最大功率密度之比的分贝数。

方向函数:方向图的数学表达式。

2广播电视发射天线的分类与选择

2.1 按种类来划分

2.2 按频率来划分(常用的)

2.2.1 VHF波段I电视发射天线(48-84MHZ)

单偶极子天线、双偶极子天线、蝙蝠翼天线

2.2.2 调频广播发射天线

双偶极子天线、垂直极化单偶极子全向天线、圆极化天线、蝙蝠翼天线

2.2.3 VHF波段III电视发射天线(167-223MHZ)

四偶极子天线、双偶极子天线、米波缝隙天线

2.2.4 UHF波段天线(470-860MHZ)

四偶极子板状天线、缝隙天线

2.3 组合型天线系统的构成

(1)辐射单元板;(2)功率分配器;(3)分馈线;(4)移相器

3天线的垂直方向性图及能量利用

为了达到良好的覆盖效果,我们可使用计算机对天线系统的垂直面方向性进行优化设计,合理利用电波能量。天线系统的增益确定后,垂直面方向主要考虑波束下倾和零点填充两个问题。垂直面的波束下倾和零点填充是广播电视发射天线的关键技术之一,生产厂商必须掌握,使用单位更应该重视。

3.1 主波束下倾为什么要进行主波束下倾?我们知道地球是圆球形,当天线架设在高处,覆盖半径达到一定距离时,必须把地球的曲率考虑进去。从图1可看出等幅同相馈电的多层天线的主波束指向垂直于铁塔中垂线,它与地球切线的夹角为θH,辐射能量的大部分不能落在服务区内,造成空间能量的损失。为减少天线向上半空间辐射能量,提高电波能量的利用率,必须将天线主波束下倾一定的角度。工程当中常使电视和调频广播发射天线垂直面方向图中的主波束向地面倾斜一个角度θr,此角度称为波束下倾角,一般情况θr≥θH,但要注意不能使θH方向增益下降太多。

3.2 零点填充为什么要进行零点填充?为了提高天线的增益,需要增加天线单元板的层数,但是随之而来的问题是天线副瓣增多,零值点增多,这样在邻近发射塔的地区将形成多圈零辐射环带,如图2所示,在此环带(r1、r2、r3)上的用户由于场强弱,收视效果不好。层数越多,零辐射点就越多,但影响最大的是第一、第二零点所对应的零辐射环,为了弥补这一缺陷,应对天线系统的第一、第二零点采取填充补偿措施。

3.3 主波束下倾与零点填充的方法工程中常有生产厂商将多层发射天线分为上下两组馈电,每组等幅同相馈电,上下两组电流的相对幅相特性为mejβ。在此情况下,若m≠1、β>0即上下两组不等功率且上组相位超前馈电,经理论计算仅能填充天线的第一、三、五……等奇数零点,并使主波束下倾;若m=1、β>0即上下两组等功率且上组相位超前馈电,仅使天线的主波束下倾,而得不到任何零点填充。最佳的主波束下倾角度及零点填充的幅度,必须根据实际情况,借助计算机综合天线单元的馈电相位或幅相分布才能完成。

电气法(即电气上不采用等幅同相馈电)

图3为六层水平极化四偶极板天线等幅同相馈电时的垂直面方向图,从图中可看出,天线的主波束未进行下倾,第一与第二零点分别为4.35°、8.7°。若发射天线高度为180米,则以发射塔为圆心,半径为2.37公里(r1)和1.18公里(r2)处存在第一、第二零辐射环带,处于此环带上的用户收视效果不好。

图4为进行了主波束下倾和零点填充后的天线系统垂直面方向性图。从图中可看出主波束下倾了0.8°,第一零点填充了15%,第二零点填充了6%,这样处理后,既能使天线的辐射能量往水平面以下集中,改善收视质量,又能消除天线零点对服务区的影响。

机械法(即机械上的不共面排列)

多层天线等幅同相馈电,等间距排列,并使最上面一层或几层天线单元板下倾一个角度θ,如图5所示,亦可达到主波束下倾和零点填空的目的。

机械填空实际上可近似等效为下倾单元与非下倾单元的不等幅及相位超前的馈电,但机械填空并不象国内某些文章中介绍的“不会增大天线副瓣电平,降低天线增益,且任意方便”。相反,它将会增大副瓣电平,降低波束效率,从而使水平方向增益减小,且主波束下倾角与零点填充量及增益的损失量往往不能同时圆满地得到解决,这一结论是我们通过建立严格的数学模型利用计算机对空间波瓣图进行数值计算所得到的。下面举两例来说明某些工程中存在的问题。

例1:某四层标准四偶极板天线(架于150m的塔上),第一层取第一零点与第二零点的平均值约10°进行下倾,经严格计算,其垂直面方向图如图6所示,图中主波束下倾了1.36°,第一零点填充了18.2%,付瓣电平抬高严重,此时水平方向增益下降了1.1dB。

例2:某六层标准四偶极板天线(架于150m的塔上),为了使第一零点填空15%左右,将第一、二层均取9.5°进行下倾。经严格计算,其垂直面方向图如图7所示,图中主波束下倾了1°,第一零点填充了14.3%,经对方向性图数值积分进行比较,此时水平方向增益下降了1.05dB。经以上两例分析可知,机械补偿不能随意将某些单元进行下倾,必须根据实际情况进行严格计算才行,特别是高塔上的多层天线,在要求主波束下倾稍大时(如1°左右),不能通过随意大角度下倾某些单元板来完成,否则将会造成付瓣电平抬高,零点填充过大,水平方向增益损失严重。一般情况下,我们建议采用电气法或电气法与机械法相结合来完成波束下倾与零点填充,但这一切都必须借助计算机进行严密的计算才行,不能想当然,否则很难达到理想的覆盖效果。

4电视、调频广播频段的场强预测与电波传

电视、调频广播频段的场强计算方法有两种:一种是CCIR推荐的统计曲线法(简称“崎岖度”法),另一种是刃形绕射传播模式计算法(简称“剖面图”法)。崎岖度法计算比较简单,可以供电视、调频广播网的规划用,宏观上是正确的。但它忽略接收点的具体地形,因而在地形复杂的情况下,特别是在前方近区内有遮挡时,对一个具体接收点的场强计算往往不甚准确。剖面图法则在地形复杂的情况下,对具体接收点的场强可以计算的比较准确,但计算较复杂。当计算收转关系时如有山峰阻挡,宜用之。

4.1 VHF、FM的场强预测(崎岖度法)按照崎岖度法,在离发射机距离为d(km)处的场强E[dB(μV/m)]可由式(1-1)计算

E=Pe+E1-A[Db(μV/m)](1-1)

式中Pe为有效辐射功率,[dB(kW)];E1为光滑球面上1kw有效辐射功率在观察点所形成的场强,dB(μV/m),E1的值可从图8中查得;A为与地形崎岖度Δh有关的衰减校正系数,dB,可从图8中查得。

(1)有效辐射功率Pe

有效辐射功率Pe可由式(1-2)计算得到

Pe=P+G-L (dB)(1-2)

式中P为发射机额定输出功率,dB(kW);G为发射天线增益,dBd;L为馈线损耗,dB。

(2)1kW有效辐射功率场强E1

图8是30～250MHz场强计算曲线,相应接收天线有效高度h2=10m。图中曲线以发射天线有效高度h1(m)为参数,示出在不同距离时的场强值。

图8场强[dB(μV/m)],相对于有效辐射功率1kW,频率30～250MHz,陆地-时间概率50%,地点概率50%,接收天线高10米,地形崎岖度50米。

以发射天线有效高度h1(m)为参数的曲线从左至右依次为h1=37.5m、75m、150m、300m、600m、1200m、自由空间。

h1、h2的定义可参见图9。

图9中hs为发射点海拔高度,m;

h为接收点海拔高度,m;

h0为反射点海拔高度,m;

ha为发射天线中心高出所在地地面高度,m;

h为接收天线中心高出所在地地面高度,m;

ht为发射天线中心的海拔高度,m;

hr为接收天线中心的海拔高度,m

发射天线和接收天线的有效高度计算公式如下:

ht=hs+ha(1-3a)

hr=h"s+h"a(1-3b)

h1=ht-h0(1-3c)

h2=hr-h0(1-3d)

(3)地形崎岖度Δh

图8给出的E1曲线,是在地形崎岖度Δh取50米时得到的,但实际的地形崎岖度值比50米有高有低,会使实际的场强比从图8得到的场强值偏低或偏高,这就需要根据不同的崎岖度Δh,得到与地形崎岖度Δh有关的衰减校正系数进行校正。

Δh的定义是:沿接收方向距发射机10公里至50公里范围内,有10%的地段高度h(10)与90%的地段高度h(90)之差,即

Δh=h(10)-h(90)(m)(1-4)

参阅图10。由于发射机所在的地点一般来说在各方向上的地形是不同的,因此在计算任一方向上的场强值,都应先计算出该方向上的崎岖度值。

Δh的具体计算方法是:在连接发射点和接收点的方向距发射点10至50公里范围的地形剖面图上画水平线簇,先找出与剖面图相截长度之和为4公里的水平线,再找出与剖面图相截长度之和为36公里的水平线,两水平线高度之差即为地形崎岖度Δh。

(4)Δh的衰减校正系数A

根据不同崎岖度值Δh,在图11中可以查出衰减校正系数值A。

当d≤10km时,不论任何地形,A≡0;

当d≥200km时,Δh一定,A为恒值。

由于A值与传播距离有关,故必须注意当计算的传播距离改变时,应重新查找A值,而不可随意代用,否则将出现大的误差。

在利用图8进行场强预测时,如果实际的发射、接收天线有效高度与图中所注不同,则可用以下方法进行换算。

a、当发射天线有效高度与图8中不符时采用此法。选择两个邻近的高度,查出曲线上的数值后,按高度内插法估计给定高度的场强。

b、在视距以内:平坦地形上,当接收天线有效高度为3米而不是10米时,可在图12中查找出3米到10米高度增益对式(1 -1)中的场强值E[dB(μV/m)] 进行校正。在丘陵、山区没有明显的趋向表明场强随接收天线的高度而变化。

c、在视距以外:场强并不与发射、接收天线有效高度直接成正比,而决定于超视距距离。因此,当给定距离d时,可以在图8中任取一条曲线,按标注的h1、h2计算其视距ds1,再按给定的发射、接收天线高度计算出其视距ds2,视距ds1 、ds2可通过采用地球等效半径的概念下,任一通信电路两点之间的视线距离公式 [即式(1-5)]计算得到。

ds=4.12(+) (km)(1-5)

式(1-5)中ds为视线距离,km;h1为发射天线高度,m;h2为接收天线高度,m。

再按式(1-6)计算等效距离dˊ。

d"=d+ds1-ds2(km)(1-6)

最后,在图8中,在取定的曲线上距离为dˊ处,可以查到要求的场强E1值。

4.2 UHF的场强预测(崎岖度法)分米波电视的场强预测方法原理上与米波电视场强预测相同,但因波长较短,地形地貌的影响稍大一些,所以计算方法略有一些修正。此外,在分米波电视网的布局中不考虑信号的收转,只需要计算服务区的服务场强和干扰场强,因此可以只采用崎岖度法。

按照崎岖度法计算分米波场强,在离发射机距离为d(km)处的场强E[dB(μV/m)]可由式(2-1)计算

E=Pe+E1-A-ΔE[dB(μV/m)](2-1)

式中Pe为有效辐射功率,[dB(kW)];E1为光滑球面上1kw有效辐射功率在观察点所形成的场强,dB(μV/m),E1的值可从图13中查得;A为与地形崎岖度Δh有关的衰减校正系数,dB,可从图14中查得;ΔE为与发射天线所在地相对高度有关的校正系数,dB。

(1)1kW有效辐射功率场强E1

图13是频率范围450～1000MHz场强计算曲线,相对应于接收天线有效高度h2=10m。图中曲线以发射天线有效高度h1(m)为参数,示出在不同距离时的场强值。

图13中使用的符号与图8中相同,发射天线有效高度h1和接收天线有效高度h2的计算式仍可用式1-3。

图14场强[dB(μV/m)],相对于有效辐射功率1kW,频率450～1000MHz,陆地-时间概率50%,地点概率50%,接收天线高10米,地形崎岖度50米。

以发射天线有效高度h1(m)为参数的曲线由左至右依次为h1=37.5m、75m、150m、300m、600m、1200m、自由空间。

(2)地形崎岖度的衰减校正系数A

在分米波频段,地形崎岖度Δh的定义同米波频段,但因地形崎岖度Δh对场强的衰减影响比米波大,其校正系数A应从图14查出。

(3)发射天线所在地地形对场强的影响校正值

在分米波频段,发射天线所在地的地形对发射场强有较大的影响。即使天线的有效高度相同,一个直接建在平地上、用铁塔支撑的天线,和一个建在山上的天线,其发射场强是不同的,这种影响可用校正值ΔE来表征

ΔE=0.04h" (dB)(2-2)

且ΔE?燮10dB

式(2-2)中h′为发射天线所在地的相对高度,m,

h"=hs-h0(m)(2-3)

式(2-3)中hs为发射天线所在地海拔高度;h0为反射点海拔高度。

在利用图13进行场强预测时,如果实际的发射、接收天线有效高度与图中所注不同,则可用以下方法进行换算修正。

a.当发射天线有效高度与图13中不符时采用此法。选择两个邻近的高度,查出曲线上的数值后,按高度内插法估计给定高度的场强。

b.当接收天线有效高度为3米或4米而不是10米时,可在图15中查找出3米到10米或4米到10米高度增益,对式(2-1)中的场强值E[dB(μV/m)] 进行校正。

图15频率450～1000MHz(波段Ⅳ和Ⅴ),接收天线3到10米及4到10米的高度增益因子作为Δh的一个函数;参数d代表距发射机的距离。

4.3 接收端地形校正若要求更准确的预测接收情况下的场强值,在特定的区域,如在一个小的接收区域,可以用地形遮蔽角为基础进行校正。遮蔽角θ(图16)的定义是指接收天线的水平线与其往发射机方向16公里内包含所有遮蔽障碍物连线的夹角,当接收天线与障碍物的连线在水平线之下为正值,反之为负值。

在图17中,可以根据地形遮蔽角的度数查出合适的校正因子,对式(1-1)或式(2-1)中的场强值E进行校正。

图17中只给出了遮蔽角为-5～0.5。范围内的校正因子,对此范围外的校正因子可用线性内插法由图17和在1.5°时的极限值VHF为30db、UHF为40db,以及在-15°VHF、UHF均为-40dB得到,但不得超过自由空间的场强。

在特定的地区内,对选定的接收地点使用这种校正后,预测的场强值E更接近于实际值。

4.4 多径问题理想的接收条件是来自一个单一信号源的直达强信号。如果由于反射,信号是由两个或更多的途径到达接收机,就形成了多径接收。当直达信号和反射信号的强度差别不大时,就会造成接收不良的现象。

不良反射会造成很不利的信号传播条件,以致使整个工程失效。因此在安装广播电视设备时,最重要的是发射天线的位置。必须经过慎重考虑,选定合适的地点。

信号电平的大幅度变化,是由反射信号与直接信号相加或相减造成的,是发射台和接收机之间的传播路径上的传播问题,与发射天线本身无关。

为满足传输要求,天线塔的位置必须避开那些会引起多径反射的山丘和山脉。此外,根据服务区域来选择台址与铁塔高度,还必须满足第一菲涅尔区空隙的要求,这比满足简单的直视条件的要求要高得多。

参考文献:

[1]周朝栋.天线与电波.西安电子大学出版社,1999年.

[2]谢处方.电磁场与电磁波.教育出版社第三版,2001年.

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