徐建炳

（作者單位：武夷山廣播電視臺）

武夷山廣播電視發(fā)射天線場型覆蓋優(yōu)化的仿真分析

徐建炳

（作者單位：武夷山廣播電視臺）

隨著地面數(shù)字廣播電視的發(fā)展，為保證廣播電視發(fā)射設(shè)備正常運行，發(fā)射天線系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。本文對廣播電視發(fā)射天線場型覆蓋優(yōu)化進行研究，利用電磁軟件HFSS仿真分析了天線的方向性圖賦形，提出了天線水平面方向性圖圓度控制和垂直面方向性圖波束下傾及零點填充的實現(xiàn)方法，對于合理選擇天線形式和空間布局，優(yōu)化配置天線的波束覆蓋具有重要意義。

廣播電視；發(fā)射天線；方向性圖賦形；波束下傾

隨著人們生活水平的提高，對廣播電視信號傳輸質(zhì)量要求也不斷提高，人們希望獲取更加清晰、穩(wěn)定和快捷的個性化服務(wù)，這就需要加強無線發(fā)射技術(shù)應(yīng)用。發(fā)射天線作為無線發(fā)射系統(tǒng)的最末端部件，其性能將直接影響到所傳輸廣播電視節(jié)目的效果與質(zhì)量。在廣播電視系統(tǒng)中存在不夠重視研究發(fā)射天線的問題，致使天線系統(tǒng)中普遍存在一些問題，造成了覆蓋場形不盡如人意，必須良好收視的區(qū)域卻收不好，甚至收不到廣播電視節(jié)目信號。利用計算機軟件對方向性圖進行處理，得到天線場形的可視化結(jié)果，這對利用天線布陣，進行科學(xué)覆蓋規(guī)劃及最大限度地利用天線場型達到覆蓋目的具有十分重要的作用。

1　廣播電視發(fā)射天線概述

隨著地面數(shù)字廣播電視的發(fā)展，實施無線數(shù)字化覆蓋工程，為廣大人民群眾提供質(zhì)量更高、種類更多的廣播電視節(jié)目，將會大大提升廣播電視公眾服務(wù)水平，是利國利民的大好事。福建省新聞出版廣電局根據(jù)國家新聞出版廣電總局、財政部《關(guān)于實施中央廣播電視節(jié)目無線數(shù)字化覆蓋工程的通知》精神，將黃石頭山發(fā)射臺作為南平地區(qū)電視節(jié)目無線數(shù)字化覆蓋工程的試點發(fā)射臺，要求在發(fā)射塔上新增2個頻道的數(shù)字電視頻道節(jié)目。為此，必須改造現(xiàn)有的天饋線系統(tǒng)，以改善廣播電視發(fā)射天線對服務(wù)區(qū)的覆蓋場形。

廣播電視發(fā)射臺的天饋線系統(tǒng)主要由多工器、饋線、功分器和發(fā)射天線等設(shè)備組成。在天饋線系統(tǒng)改造方案確定后，就要在合理選擇天饋線設(shè)備的同時，根據(jù)廣播電視服務(wù)區(qū)范圍和發(fā)射塔的相對位置，使用天線場形賦形技術(shù)，確定最適合服務(wù)區(qū)需要的天線水平面方向性圖；并通過計算機等輔助設(shè)備及其配套軟件優(yōu)化設(shè)計天線系統(tǒng)的天線垂直面方向性圖，合理利用電波能量，妥善解決波束下傾和零點填充兩個關(guān)鍵技術(shù)問題。

分米波段四偶極子寬帶數(shù)字電視發(fā)射天線是根據(jù)數(shù)字電視發(fā)射特點而設(shè)計的新型電視發(fā)射天線，如圖1所示。

圖1　四偶極子電視天線實物

該類型天線不僅具有頻帶寬、損耗低、增益高的特點，而且可以根據(jù)發(fā)射臺服務(wù)范圍的需要，很容易地組合成具有所需形狀的水平面場型的發(fā)射天線陣，并可以將其安裝在小截面的正方形或圓形發(fā)射塔直線段或者桅桿的側(cè)面。垂直極化和水平極化是天線的兩種基本極化方式。水平極化天線具有良好的遠區(qū)場強分布，在同樣的發(fā)射功率下可以覆蓋更大的范圍，所以基本采用水平極化的發(fā)射天線。

2　廣播電視發(fā)射天線場形仿真優(yōu)化

本文以水平極化四偶極板天線為單元天線，通過在垂直面上增加多層單元板組成天線陣以提高天線增益，并通過在發(fā)射塔的四面布置不同數(shù)目的單元天線，以實現(xiàn)輻射的全向性及需要的波束形狀?，F(xiàn)以三層四面分米波全波段四偶極板發(fā)射天線為例進行分析，天線陣HFSS仿真模型如圖2所示。

圖2　天線陣HFSS仿真模型

為了既覆蓋好需要服務(wù)的區(qū)域，又要避免同頻、鄰頻的干擾，就需要對電視發(fā)射天線的水平面方向性圖進行賦形設(shè)計。另外，為了解決增加天線單元板層數(shù)，出現(xiàn)鄰近發(fā)射塔的地區(qū)將形成零輻射環(huán)帶，減弱覆蓋場強，直接影響收視效果的問題，就需要對電視天線的垂直面輻射方向性圖進行賦形設(shè)計。

圖3　水平面輻射的方向性圖

圖3給出了不同塔寬情況下，水平面方向圖的仿真分析結(jié)果。從圖3中可以看出，分米波四偶極板發(fā)射天線的水平面間距1m和0.7m都能實現(xiàn)全向性輻射，但水平面輻射的方向性圖不圓度卻明顯改變。另外，水平面天線的方向性圖控制還可以通過天線的正置、偏置、斜置安裝的方式，詳見參考文獻，此處不再贅述。

多層天線排列時，在等幅同相饋電的情況下，垂直方向性總是要產(chǎn)生零點。通常采用對各單元天線不等功率和線性移相的饋電方法，來達到零點填充的目的，這樣勢必要有一套相當(dāng)復(fù)雜的硬饋系統(tǒng)。實際工程中，為了降低成本，通過采用機械下傾的方法，改變不同層單元天線的傾斜角度，就可使垂直面的波束下傾，同時對波瓣的零點進行填充。圖4為最上層單元天線采用機械下傾10°和各層均未采用機械下傾時的方向性對比圖。從圖4中可以看出對最上層采用機械下傾后，主瓣位置下傾偏移，同時方向性圖的零點被填充。因此，可根據(jù)實際需要，通過軟件仿真進行波束傾斜角度和零點填充的優(yōu)化設(shè)計，把問題解決在施工安裝之前。

圖4　垂直面輻射的方向性圖

圖5　不等功率分配水平面輻射的方向性圖(南40%，東西北各20%)方向：上北下南

3　武夷山黃石頭發(fā)射臺電視發(fā)射天線場形仿真優(yōu)化

武夷山市東連浦城，南接建陽，西臨光澤，北與江西省鉛山縣毗鄰。全境東西寬70km，南北長72.5km。武夷山市境內(nèi)東、西、北部群山環(huán)抱，峰巒疊嶂，地廣人??；中南部較平坦，為山地丘陵區(qū)，是居民、村民密集居住區(qū)。黃石頭山發(fā)射臺（海拔882m）西面和北面距江西省的最近距離分別是22.5km和18km，南面距興田鎮(zhèn)約34.6km，東北面距浦城騰云尖發(fā)射臺約42km。如果按照標(biāo)準(zhǔn)的等功率分配發(fā)射，則在南面居民、村民密集居住區(qū)電視信號覆蓋場強將不足。如果更改天線陣設(shè)置方式，又有可能出現(xiàn)不好的副瓣場型，且不利于四偶極子天線的安裝。知道使用天線陣發(fā)射時，一般均采用等功率分配激勵到天線振子上，如果采用不等功率分配方式激勵天線振子是否能有好的效果。圖5是用仿真軟件采取東西北各20%南面40%不等功率分配方式激勵取得的仿真圖。

從增益方向性圖可以看出，南方能量更為集中，符合地區(qū)覆蓋分布。通過不同的架設(shè)間距可優(yōu)化賦形水平面方向性圖場強覆蓋。

4　結(jié)論

隨著數(shù)字廣播電視的普及，天饋線系統(tǒng)的改造和更新成為必然。在實際工程中，可預(yù)先利用天線理論結(jié)合實際環(huán)境邊界建立電磁仿真模型，利用計算機對天線場型進行處理，得到最優(yōu)結(jié)果。仿真分析調(diào)整天線陣的參數(shù)以獲得較好的水平和垂直輻射特性，指導(dǎo)工程安裝應(yīng)用。計算機仿真結(jié)果與實際測試結(jié)果基本吻合，在實際中發(fā)揮了很大的作用，為高山發(fā)射臺實施無線電視數(shù)字化覆蓋工程提供了可借鑒的改造思路。

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