□ 李 健 譚 源 戚桂東 曾鵬晟 楊柳勝

一、引言

保障廣播電視信號的傳輸，是廣播電視系統(tǒng)運行的關鍵。發(fā)射天線是信號傳輸?shù)闹匾浇?，其工作狀態(tài)的好壞直接關系到廣播電視的覆蓋效果，進而影響到節(jié)目的實際播出質(zhì)量。然而，在我們廣播電視臺站的實際維護工作中，由于種種原因，機房中的設備維護占了絕大部分，發(fā)射天線的維護工作涉及較少，維護人員對發(fā)射天線相關原理更是缺乏重視。天線發(fā)生故障時，往往不能得到正確有效的處理。本文通過天線方向圖分析與仿真，詳細論述了廣播電視發(fā)射陣列天線的輻射特性，并提出了對應的維護要點，希望對廣大從事廣播電視無線發(fā)射臺站維護工作的人員有所啟發(fā)。

二、陣列天線原理

廣播電視發(fā)射天線分為四個扇區(qū)來對周邊地區(qū)進行信號的覆蓋，高山臺站的覆蓋范圍較大，通常采用多根天線組成直線型天線陣列對單個扇區(qū)進行信號覆蓋。陣列天線的工作原理可以看成是各天線單元的電磁波（電磁場）的疊加。對于幾根天線的電磁波來講，當它們傳到同一區(qū)域時，按照疊加原理，電磁場將產(chǎn)生矢量疊加。疊加結果不僅與各天線單元電磁波的振幅大小有關，還與它們在相遇區(qū)間相互之間的相位差有關。因此，高山臺站中單個扇區(qū)的四根天線并不是單獨工作，而是作為一個整體，組成一個天線陣列來進行信號覆蓋。

陣列天線的主要作用是加強和改善輻射場的方向性、加強輻射場的強度。由于陣列天線的輻射性能與各個天線單元的幅度和相位有關，為了讓陣列天線方向性以及強度達到廣播電視發(fā)射臺的覆蓋性能，可以認為陣列天線各個單元間具有特定的幅度比與特定的相位差。

三、陣列天線構造

因為發(fā)射臺站陣列天線每個扇區(qū)的輻射性能都是相同的，所以本文僅對其中一個扇區(qū)來進行分析。根據(jù)圖1分析，天線故障通常是由于饋線、天線功分器和天線單元的損壞造成的。

圖1 四單元陣列天線連接示意圖

根據(jù)陣列天線輻射特性可知決定臺站單個扇區(qū)四單元陣列天線的輻射方向性的兩個因素為圖1中天線功分器2以及其到四個天線單元的同軸饋線。天線功分器2的四個輸出口的功率比決定了四個天線單元的幅度比，而四根連接到天線單元的同軸饋線長度差決定了天線單元的相位差。

四、陣列天線方向圖仿真與分析

在陣列天線系統(tǒng)方向圖中，主瓣寬度和副瓣電平的關系為：主瓣寬度窄，則副瓣電平高；主瓣寬度寬，則副瓣電平低。對天線設計而言，提高天線增益需要降低副瓣電平；但降低副瓣電平會增大主瓣寬度，反而導致天線增益降低。因此，陣列天線的主瓣寬度和副瓣電平之間需要進行合適的取舍。

為了平衡陣列天線工程設計中主瓣寬度和副瓣電平之間的關系，人們提出了道爾夫-切比雪夫（Dolph-Chebyshev）多項式陣列天線。切比雪夫陣列天線是將傅立葉多項式與相當冪次的道爾夫-切比雪夫多項式相匹配，以產(chǎn)生所有副瓣等于指定電平（SLL）的最佳幅度分布。主要有以下三個特點：1.所有副瓣電平相等；2.指定副瓣電平時，主瓣寬度能夠達到最窄；3.指定主瓣寬度時，副瓣電平達到最低。因此切比雪夫陣列天線有最優(yōu)的副瓣電平和波束寬度設計，給天線設計帶來極大方便，目前陣列天線一般都采用道爾夫切比雪夫多項式設計。

PCAAD是一款天線輔助設計分析軟件，下面使用PCAAD5.0對四單元直線型陣列天線進行仿真分析。對陣列天線的四個天線單元，分別設定不同的幅度比和相位差，仿真得到天線方向圖。再根據(jù)得出的方向圖，對天線輻射方向性進行簡要分析。

1.幅度比為0.5761:1:1:0.5761，相位差為0天線方向圖

在PCADD軟件中，選擇幅度分布類型為“Chebyshev”，設定副瓣電平比主瓣電平低20dB，天線單元數(shù)量選擇4單元，通過軟件計算得出切比雪夫理想四單元幅度比為0.5761:1:1:0.5761。在軟件中設四單元天線的幅度比為0.5761:1:1:0.5761，各天線單元相位一致，相位差為0，得到如圖2所示的垂直面方向圖。

圖2 幅度比為0.5761:1:1:0.5761，相位差為0的天線垂直方向圖

2.幅度比為1:1:1:1，相位差為0天線方向圖

在PCAAD軟件設定四單元天線的幅度比為1:1:1:1，各天線單元間相位一致，相位差為0，經(jīng)過仿真得到如圖3所示的垂直面方向圖。

圖3 幅度比為1:1:1:1，相位差為0的垂直方向圖

對比圖2與圖3的方向圖，圖2的垂直面主瓣的3dB波瓣寬度要比圖3的要大（覆蓋的范圍相對較大），且圖3中的副瓣明顯較強，導致其主瓣的增益變低（覆蓋的距離相應較近）。因此，圖3的設計并非最優(yōu)解，陣列天線的天線功分器的功分比不應設為1:1:1:1。我們維護人員在連接天線功分器2時，必須根據(jù)功分器接口與四個天線單元對應的次序連接。

3.幅度比為1:0.5761:1:0.5761，相位差為0天線方向圖

在實際天線維護工作中，若維護人員不小心將天線單元的連接順序弄錯，例如將天線單元1和天線單元2的饋線對換。原理想的天線單元幅度比為0.5761:1:1:0.5761，饋線連接錯誤時，幅度比變?yōu)?:0.5761:1:0.5761。經(jīng)過仿真得到的垂直面方向圖如圖4所示，從圖中可知，輻射方向性比圖3的還差?？梢?，天線功分器2和天線單元饋線連接順序錯誤會導致天線的輻射效率大幅度降低。

圖4 天線單元連接錯誤時天線垂直方向圖

4.幅度比為0.5761:1:1:0.5761，相位差為50°天線方向圖

在PCAAD軟件設定四個天線單元幅度比為理想的0.5761:1:1:0.5761，相位差為50°。即四個天線單元的相位依次為0°:50°:100°:150°，得到的垂直面方向圖如圖5所示。從圖5中可知，垂直面方向圖的主瓣上翹了，導致原本朝地面發(fā)射的電波變成朝空中發(fā)射，從而影響天線覆蓋效果。與之相反，天線單元相位的遞減將導致主瓣下沉，從而增大陣列天線的下傾角，導致天線覆蓋范圍縮小。在陣列天線結構中，相位差由天線功分器2到各天線單元的饋線長度決定。饋線過長，則相位減小；饋線過短，則相位增大。

圖5 相位對垂直方向圖的影響

五、結論

綜上所述，結合直線型陣列天線的構造原理和PCAAD軟件仿真分析，得知天線單元幅度與相位對天線方向圖、天線增益、天線輻射范圍等有著重要影響。結合廣播電視天線實際維護經(jīng)驗，總結出發(fā)射天線維護的兩大要點：一是天線單元連接其前端的天線功分器時，一定要按照特定的順序進行連接，否則會破壞天線單元之間的振幅比；二是每個天線單元連接到其前端的天線功分器的射頻電纜長度是固定的，不能隨意改變，否則會破壞天線單元之間的相位，導致方向圖變壞，輻射效果變差。