王日紅

（作者單位：國(guó)家新聞出版廣電總局五八二臺(tái)）

多個(gè)中波廣播發(fā)射天線間互耦對(duì)天線方向特性的影響分析

王日紅

（作者單位：國(guó)家新聞出版廣電總局五八二臺(tái)）

摘 要：天線是通過(guò)發(fā)射電磁波傳遞信號(hào)的。天線發(fā)射的電磁波對(duì)周圍天線造成影響是由于多個(gè)發(fā)射天線的距離足夠小，發(fā)射天線間的耦合問(wèn)題因此產(chǎn)生，天線的大小、排列方式、間距及地面狀況等因素決定天線間耦合對(duì)天線的影響。本文針對(duì)中波廣播發(fā)射天線間互耦問(wèn)題，分析對(duì)天線方向特性的影響。

關(guān)鍵詞：中波廣播；發(fā)射天線；互耦；仿真；天線方向特性

在廣播電臺(tái)的調(diào)幅廣播系統(tǒng)中，中波廣播發(fā)射系統(tǒng)是不可或缺的一部分，而天線又是中波廣播發(fā)射系統(tǒng)中的重要組成部分。由于中波廣播發(fā)射天線的使用環(huán)境的特殊性，因此廣播效果的好壞極其重要，并且在城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)的情況下，寸土寸金，如何給天線選擇合適的位置極其重要。因此，天線間互耦問(wèn)題的影響研究分析具有重要意義。

1 研究現(xiàn)狀

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人們對(duì)生活質(zhì)量要求越來(lái)越高，天線作為信息傳遞的重要工具，也隨之越來(lái)越多，這與城市化提高土地利用率有了矛盾，如何合理選擇天線的位置尤為重要。

2 天線的基本理論

2.1 天線的概述與分類

廣播、電視、無(wú)線電通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙感等工程系統(tǒng)，都是依靠天線來(lái)進(jìn)行工作。天線的種類有很多，根據(jù)工作性質(zhì)分為發(fā)射天線和接收天線兩類；根據(jù)用途分為通信天線、廣播天線、電視天線和雷達(dá)天線四類；根據(jù)波長(zhǎng)分為長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線五類。

2.2 天線的信號(hào)傳遞原理

天線輻射的是無(wú)線電波。天線是一種導(dǎo)行波與自由空間之間的轉(zhuǎn)換器件。發(fā)射端的發(fā)射機(jī)的作用是把能量經(jīng)饋電設(shè)備輸入發(fā)射天線，發(fā)射天線的作用是將能量轉(zhuǎn)換為電磁波向外輻射，另一端的接收天線的作用是接收輻射來(lái)的電磁波，接收天線再經(jīng)饋電設(shè)備輸出到接收機(jī)上，此過(guò)程完成信號(hào)的傳遞，如圖1所示。圖1 天線信號(hào)傳遞原理圖

2.3 天線的參數(shù)

影響天線的性能有很多，通過(guò)天線的參數(shù)來(lái)反映天線性能的優(yōu)劣。天線的主要參數(shù)有方向圖、方向系數(shù)、增益、阻抗、帶寬等。

2.3.1 方向圖

方向圖是指在與天線一定距離處，輻射場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)隨方向變化的圖形，通常采用天線最大輻射方向上的兩個(gè)相互垂直的平面方向圖來(lái)表示。

2.3.2 波瓣寬度

方向圖一般都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣成為主瓣，其余為旁瓣。主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低3dB的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度。方向性、作用距離和抗干擾能力與波瓣寬度的大小成反比。

2.3.3 前后比

方向圖中，前后瓣最大值的比值為前后比，前后比與天線的后向輻射成反比。

2.3.4 方向系數(shù)

方向系數(shù)是在天線最大輻射方向上某點(diǎn)的輻射功率流密度與理想的輻射功率流密度的比值。

2.3.5 增益

增益是天線最大輻射方向的方向圖強(qiáng)度與參考方向圖強(qiáng)度比值的對(duì)數(shù)。

2.3.6 阻抗

電波在天線系統(tǒng)內(nèi)傳輸時(shí)，由于傳輸介質(zhì)的變化，會(huì)遇到阻抗差異。

2.3.7 帶寬

帶寬指的是天線有效工作的頻率范圍，一般以其諧振頻率為中心。

3 中波廣播發(fā)射天線耦合對(duì)天線方向特性的影響

3.1 天線方向特性的影響

在多個(gè)天線共同作用時(shí)，對(duì)其中一個(gè)天線加饋電，其他天線依靠加饋電的天線的耦合來(lái)產(chǎn)生的感應(yīng)電流來(lái)激勵(lì)，其感應(yīng)電流的大小取決于個(gè)振子的長(zhǎng)度和間距，換句話說(shuō)，調(diào)整各天線的長(zhǎng)度和間距可以改變天線間的電流分配比例，進(jìn)而控制天線的方向性。

如圖2示，分析兩個(gè)天線共同作用時(shí)的工作原理。

圖2　兩個(gè)天線共同作用時(shí)的工作原理

設(shè)天線A和B分別為有源和無(wú)源天線，兩個(gè)天線均沿Y軸放置，沿Z軸排列，其中間距為d，設(shè)天線電流按照正弦分布，則其波腹表達(dá)式為

式中，m為振幅比；ξ為相位差。

由天線陣?yán)碚?，得出這兩個(gè)天線的輻射場(chǎng)為

根據(jù)耦合振子理論，得出兩振子電流的振幅比和相位差計(jì)算公式為

利用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法可以計(jì)算出自阻抗和互阻抗，其中，互阻抗Z12=Z21的表達(dá)式為

自阻抗的表達(dá)式為

根據(jù)互阻抗和自阻抗表達(dá)式可知，互阻抗取決于天線尺寸和天線間距離而自阻抗只取決于天線的尺寸。合理調(diào)整振子的長(zhǎng)度和間距得到不同的m和ξ值，從而得到不同的方向性。

3.2 不同頻段天線間的間距對(duì)天線的影響

中波廣播的頻段范圍為526.5~1606.5kHz，分為選取650kHz、900kHz、1100kHz、1400kHz共4個(gè)頻率。研究分析4個(gè)不同頻率的天線，在不同排列方式、不同間距的情況下天線方向的特性。

設(shè)λ=500 m，天線的高度分別為250 m、174 m、150 m和110 m，天線間距分別取0.25λ、0.5 λ、1 λ和1.5 λ，將排列方式為一字排列和四角排列分別建模，并進(jìn)行仿真。

3.3 統(tǒng)計(jì)分析

研究分析4個(gè)不同頻率的天線間互耦對(duì)天線方向特性的影響，得出下列表。

從表1可得，當(dāng)排列方式為一字時(shí)，650 kHz在間距為1.5λ時(shí)，輻射差值最小為0.60dB，900kHz在間距為1λ時(shí)，輻射差值最小為2.10 dB，1100 kHz在

表1

間距為1.5λ時(shí)，輻射差值最小為2.62 dB，1400 kHz在間距為1.5λ時(shí)，輻射差值最小為5.70 dB；當(dāng)排列方式為四角時(shí)，650 kHz在間距為1.5λ時(shí)，輻射差值最小為2.04 dB，900 kHz在間距為1.5λ時(shí)，輻射差值最小為2.88 dB，1100 kHz在間距為1.5λ時(shí)，輻射差值最小為3.81 dB，1400 kHz在間距為0.25 λ時(shí)，輻射差值最小為5.49 dB。

由此可知，天線一字排列比四角排列的互耦影響??；天線的間距與天線間互耦對(duì)天線方向特性的影響成反比。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究分析4個(gè)不同頻率的天線，在不同排列和間距下，天線間互耦對(duì)天線方向特性的影響，得出天線的間距與天線間互耦對(duì)天線方向特性的影響成反比，并且天線的一字排列相對(duì)于四角排列的互耦影響小。

參考文獻(xiàn)：

[1]李卉云.中波廣播發(fā)射天線的原理[J].硅谷,2010,（5）.

[2]姚超軍.互耦對(duì)小間距天線陣增益影響的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

作者簡(jiǎn)介：王日紅（1974-），女，北京人，本科，工程師。研究方向：無(wú)線廣播發(fā)送。