陶文鳳

（萊西市融媒體中心，山東 青島 266600）

0 引 言

數(shù)字電視全部使用數(shù)字信號(hào)傳輸，和模擬信號(hào)相比，數(shù)字電視抗干擾和糾錯(cuò)能力強(qiáng)，具有畫(huà)質(zhì)清晰、功能強(qiáng)大、還原度高以及音效好的優(yōu)勢(shì)。2020 年，我國(guó)已經(jīng)全面進(jìn)入數(shù)字電視時(shí)代，有線電視用戶(hù)突破了2 億戶(hù)，其中99%以上是數(shù)字電視用戶(hù)，且數(shù)字電視用戶(hù)群還在持續(xù)增長(zhǎng)[1]。與衛(wèi)星技術(shù)和有線技術(shù)相比，地面數(shù)字電視易架設(shè)、成本低、受外在影響小，而發(fā)射天線是決定地面數(shù)字電視信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在實(shí)踐中，電視塔假設(shè)面臨諸多問(wèn)題，天線數(shù)量受到限制，因此加大帶寬是降低成本、提高信號(hào)傳輸質(zhì)量的最優(yōu)選擇[2]。我國(guó)寬頻斷、高增益發(fā)射天線目前還依賴(lài)進(jìn)口，制約了數(shù)字電視的發(fā)展，因此加快國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)步伐勢(shì)在必行。

1 數(shù)字電視信號(hào)傳輸?shù)脑砗蛢?yōu)勢(shì)

1.1 數(shù)字電視信號(hào)傳輸原理

數(shù)字電視采用二進(jìn)制原理，通過(guò)0 和1 數(shù)字編碼對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將視頻文件轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，也就是模數(shù)（Analog To Digital，AD）轉(zhuǎn)化。具體流程如下：圖像和聲音經(jīng)過(guò)壓縮和數(shù)字處理后，形成數(shù)字電視信號(hào)，采用衛(wèi)星通信等方式進(jìn)行傳輸。數(shù)字電視接收到信號(hào)后，采用解碼技術(shù)進(jìn)行還原，處理頻率越高，音頻和視頻還原就越真實(shí)[3]。電視信號(hào)數(shù)字化主要包括3 個(gè)過(guò)程。第一，采樣在時(shí)間軸上按照一定頻率采集文件的波形信號(hào)，如圖1 所示，采樣周期越短，脈沖信號(hào)真實(shí)度越高，越接近原有文件。圖1中最左邊的是模擬信號(hào)圖，其信號(hào)是連續(xù)的，中間和右邊的2 個(gè)圖是低頻和高頻數(shù)字信號(hào)圖，信號(hào)不連續(xù)，在數(shù)字化的過(guò)程中存在一定的損失。因此，采樣頻率越高，階梯狀橫線就越接近連續(xù)曲線。第二，量化。滿(mǎn)幅電平按照四舍五入原則分為多個(gè)有限量值，將信號(hào)幅度值進(jìn)行256 次均勻分割，取采樣點(diǎn)區(qū)間的二進(jìn)制值，量化后音頻振幅以脈沖呈現(xiàn)。量化精度的單位比特（bit），能夠精確描述波形振幅，但由于四舍五入，也會(huì)產(chǎn)生誤差，從而形成量化噪聲。bit 數(shù)越小，誤差越大，因此要提高bit 數(shù)。第三，編碼。A/D 處理后，數(shù)據(jù)量較大，不利于存儲(chǔ)和傳輸，如果不進(jìn)行壓縮，一個(gè)通道的帶寬會(huì)超過(guò)100 MHz。因此需要進(jìn)行編碼，可使用梳狀濾波器降低采樣頻率、還原信號(hào)，未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可通過(guò)更優(yōu)化的算法進(jìn)行解碼操作，如差值脈沖編碼調(diào)制或線性變換編碼。

圖1 數(shù)字技術(shù)采樣

1.2 數(shù)字電視信號(hào)的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字信號(hào)只有0 和1 兩位，容易存儲(chǔ)，方便傳輸，其圖像清晰度高，支持標(biāo)準(zhǔn)清晰度格式，壓縮技術(shù)大大提高了頻道利用率，可以適應(yīng)20 Hz ～20 kHz 的寬帶傳輸，在8 MHz 寬帶內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量傳輸，因此伴音質(zhì)量更好，音域范圍更寬[4]。模擬信號(hào)在傳輸中會(huì)積累噪聲，信噪比高，數(shù)字信號(hào)通過(guò)整形和檢錯(cuò)技術(shù)能夠消除雜波，只需要≥20 dB即可，不易失真。數(shù)字電視還可實(shí)現(xiàn)信道兼容，用戶(hù)可同時(shí)接收2 種信號(hào)，與模擬電視互不干擾。

2 數(shù)字電視發(fā)射天線陣技術(shù)概述

2.1 數(shù)字電視發(fā)射天線的種類(lèi)

目前，發(fā)射天線主要包括2 類(lèi)，一是行波天線，其饋電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轄射場(chǎng)型較好，但頻帶較窄、制造、安裝較難。二是駐波天線饋電，其系統(tǒng)復(fù)雜、頻帶寬，但使用靈活、安裝方便，是我國(guó)主要采用的天線[5]。發(fā)射天線種類(lèi)主要如下文所述。

（1）雙環(huán)天線，其饋電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可構(gòu)造平行雙線連接2 個(gè)環(huán)天線，終端抗阻可以為0，在早期超高頻（Ultra High Frequency，UHF）電視廣播中應(yīng)用廣泛。當(dāng)水平放置時(shí)，各環(huán)上下振子和饋電點(diǎn)的左右環(huán)極化分量相互抵消。后來(lái)設(shè)計(jì)者對(duì)圓環(huán)天線進(jìn)行了改進(jìn)，將多個(gè)圓環(huán)天線級(jí)聯(lián)，加裝反射板，提高增益[6]。多級(jí)圓環(huán)天線中，在各環(huán)二端口處加短路支節(jié)，不僅能夠提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性，也能夠降低其阻抗，相對(duì)帶寬能夠提升25%以上。將一對(duì)雙環(huán)天線垂直放置，即成為復(fù)式雙環(huán)天線，盡管增益低于帶反射板的天線，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，雙環(huán)天線的帶寬已經(jīng)不能滿(mǎn)足數(shù)字電視時(shí)代頻道數(shù)激增的需要。

（2）蝙蝠翼天線，形狀類(lèi)似蝙蝠翅膀，一般為2 個(gè)對(duì)稱(chēng)梯形的上底連接在一起的六邊形，每個(gè)梯形內(nèi)部各布置6 個(gè)直角梯形。其優(yōu)勢(shì)在于同頻帶寬大、穩(wěn)固性和可靠性高、駐波系數(shù)小，但是增益較低。將平行雙線饋電的振子組陣，加裝反射板能夠有效解決這一問(wèn)題，除此之外，還需加裝饋電匹配網(wǎng)絡(luò)，降低電壓駐波比，其增益能超過(guò)13 dBi[7]。

（3）微帶天線，其剖面低、尺寸小、集成性高、性能多樣化，介質(zhì)基板厚度小于波長(zhǎng)，安裝靈活且增益高，但是帶寬較低。采用多層介質(zhì)板貼片方案能夠增加帶寬。如果采用非對(duì)稱(chēng)寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)組陣，則其反射系數(shù)更小，增益比上一種方式增加了25%以上。

（4）四偶極子單元板天線，不僅增益高，組陣靈活，而且克服了微帶天線帶寬有限的問(wèn)題。采用菱形偶極單元，每2 個(gè)菱形偶極單元由平行雙線相并聯(lián)，之后將2 組采用T 型分功器連接，同時(shí)引入補(bǔ)償巴倫結(jié)構(gòu)，其增益效果較佳。4 偶極子單元板天線可滿(mǎn)足多工工作，同增益下帶寬更寬，因此本設(shè)計(jì)取4 偶極子單元板天線進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 發(fā)射天線的性能參數(shù)

（1）電壓駐波比。主要由于輸入阻抗與傳輸線阻抗的差異造成，反射波和入射波疊加形成駐波，相鄰電壓最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的比值就是電壓駐波比。如果比值過(guò)高，天線的發(fā)射效率降低，調(diào)制誤差比指標(biāo)惡化，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損害設(shè)備。（2）增益。指天線輻射集中和能量轉(zhuǎn)化效率的程度，反映某一方向的信號(hào)收發(fā)能力，增益提高可以擴(kuò)大信號(hào)接收范圍，表示在同功率下，實(shí)際天線與理想輻射某點(diǎn)輻射功率密度的比值。天線方向圖越窄小，其增益越高，信號(hào)傳播就越遠(yuǎn)。（3）帶寬。反映信號(hào)的最大頻帶寬度，天線發(fā)射一般采用阻抗帶寬。帶寬用最大頻率減去最小頻率，相對(duì)帶寬可以表示為絕對(duì)帶寬與中心頻率的比值，提升帶寬需要減小天線的Q值。（4）方向圖。即天線遠(yuǎn)區(qū)輻射電磁場(chǎng)的分布圖形，一般使用水平和垂直方向圖，測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)、功率、極化以及相位等可得到3 維方向圖，采用極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)的方式繪制。一般在發(fā)射中，水平場(chǎng)圖圓度不劣于±3 dB，保證接收?qǐng)鰪?qiáng)相同。垂直場(chǎng)增加多副天線，提升增益，擴(kuò)大覆蓋面，兼顧零點(diǎn)填充值和波束下傾角。

3 數(shù)字電視發(fā)射寬帶天線陣的設(shè)計(jì)方法

3.1 單元天線的結(jié)構(gòu)

單元天線的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，在傳統(tǒng)4 偶極子單元板天線的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，偶極子用同軸線饋電，可作為左右振子臂的支撐柱。但是這樣會(huì)在外表面分出一個(gè)電流I3，從而造成左右電流幅度的不平衡，因此需要使用巴倫結(jié)構(gòu)使之平衡。在左側(cè)振子臂加金屬圓柱，設(shè)定高度為H，其外導(dǎo)體與接地板相連，以改善帶寬。在阻抗軌跡的作用下，特性阻抗落于史密斯圓圖中心，從而實(shí)現(xiàn)良好匹配[8]。

圖2 單元天線的結(jié)構(gòu)

3.2 單元天線的尺寸

隨著同軸線饋線內(nèi)導(dǎo)體半徑r的減小，諧振輸入阻抗逐漸增大，最終確定r值取1 mm，此時(shí)輸入阻抗實(shí)部的值是200 Ω。當(dāng)單元天線H高度從150 mm 逐漸增加時(shí)，系統(tǒng)諧振點(diǎn)向低頻處偏移，低于諧振頻率輸入電抗為感性，反之則為容性。為增加帶寬，需將延緩輸入阻抗變化，實(shí)部值控制在200 Ω，虛部值為0。此時(shí)偏移量x為45 mm，在600 ～700 MHz 內(nèi)，輸入電抗近似0。將天線振子臂長(zhǎng)度L設(shè)置為165 mm，帶寬明顯增加，輸入電抗為0。如果長(zhǎng)度繼續(xù)增加，那么天線就會(huì)由寬頻變?yōu)殡p頻，在確定L長(zhǎng)度時(shí)，需要考慮和等效并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)結(jié)合，使之能夠匹配寬頻運(yùn)行。對(duì)電抗實(shí)行微調(diào)，在同軸饋線內(nèi)導(dǎo)體處加裝電容調(diào)諧支節(jié)，設(shè)置其半徑為r2，分析其對(duì)輸入阻抗的影響。當(dāng)其長(zhǎng)度從1 mm 增長(zhǎng)到5 mm 時(shí)，阻抗從感性變?yōu)槿菪?，長(zhǎng)度為3 mm 時(shí)，滿(mǎn)足輸入電阻200 Ω 的要求。

3.3 組陣天線的設(shè)計(jì)

（1）采用2 個(gè)單元天線并聯(lián)方式，構(gòu)成二元陣。每一個(gè)左右振子不是水平，而是向外偏離一定角度。在振子臂上開(kāi)孔，焊接特氟龍支撐件，用于固定。減小天線與反射板的距離，會(huì)降低增益，但會(huì)增加半功率波瓣寬度，因此在設(shè)計(jì)中需要綜合考慮高度。反射板也會(huì)造成波瓣寬度下降，故采用非水平布置方式調(diào)整，并通過(guò)巴倫結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償電容結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。（2）4 元陣天線結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足600 ～720 MHz 的帶寬，主要包括輻射部分和功分饋電網(wǎng)絡(luò)，前者即2 個(gè)二元陣，后者包括T 型功分器和匹配網(wǎng)絡(luò)。二元陣陣列之間的距離應(yīng)小于1個(gè)波長(zhǎng)。試驗(yàn)顯示，當(dāng)距離從300 mm增加到400 mm 時(shí)，増益和波瓣寬度增加不顯著，但是當(dāng)增加到500 mm 時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)疊加，因此400 mm 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。功分饋電網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)為內(nèi)圓外方，其優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，便于安裝。為提升帶寬，應(yīng)用多節(jié)匹配變換器，將實(shí)阻抗匹配到容性復(fù)阻抗，并進(jìn)行微調(diào)，可以將增益提高到13 dBi 以上。需要注意寬帶天線陣在實(shí)際使用中，需要對(duì)微調(diào)天線的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)帶寬優(yōu)化[9]。

3.4 方向性圖優(yōu)化

在設(shè)計(jì)中需要對(duì)方向性進(jìn)行優(yōu)化。如果沒(méi)有特殊地形要求，水平方向性圖近似圓形，垂直方向性圖應(yīng)波束下傾。在不同的塔寬和頻率下，正置方式的圓度更優(yōu)，但當(dāng)單元板波瓣寬度較小時(shí)，斜置方式對(duì)圓度解決更好。因此建議根據(jù)實(shí)際狀況適當(dāng)斜置，并采用波束下傾方案。

3.5 寬帶天線陣技術(shù)創(chuàng)新

現(xiàn)有數(shù)字電視要求寬帶天線陣設(shè)計(jì)朝超寬帶的方向發(fā)展，要求減少通道個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)寬角匹配，裝備性能方向日益提高[10]。因此需要在技術(shù)上不斷進(jìn)行創(chuàng)新，除了通過(guò)仿真計(jì)算等方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化外，還應(yīng)該采用以下方式進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新：（1）材料創(chuàng)新，使用新型材料增加信號(hào)傳播能力，如使用輕型金屬材料、高質(zhì)量塑料材料、薄膜天線材料和高散熱性能材料等，材料應(yīng)用中還可以結(jié)合低剖面、抗輻照以及抗振動(dòng)設(shè)計(jì)，既保證了機(jī)械強(qiáng)度，也實(shí)現(xiàn)了低重量設(shè)計(jì)。以薄膜天線為例，T-DaHGR 天線可以實(shí)現(xiàn)高增益，在固定頻段運(yùn)行時(shí)帶寬高達(dá)40%。（2）技術(shù)創(chuàng)新，在天線上搭載太陽(yáng)能電池，可以節(jié)約能源，測(cè)量信號(hào)發(fā)射。天線還可以搭載攝像頭，監(jiān)測(cè)其作業(yè)過(guò)程，方便更好地進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)大規(guī)模天線陣技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，通道數(shù)能達(dá)到256 個(gè)，通過(guò)不斷優(yōu)化算法來(lái)解決增加數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）等問(wèn)題。

4 結(jié) 論

發(fā)射天線是保證信號(hào)精準(zhǔn)傳輸、節(jié)目高清播放的前提，高增益、高帶寬的天線陣決定了電視節(jié)目質(zhì)量。在未來(lái)的研究中，需要通過(guò)不斷完善結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新技術(shù)、應(yīng)用新材料以及優(yōu)化算法來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。