我国电视发射天线系统

当前我国电视发射天线系统

存在的一些问题及解决方法

吕传和

近十几年来，由于四级办广播，我国的广播电视事业得到了飞速的发展，各省市都有电视台。各县市都有转播台，甚至不少乡镇都建有差转台。就是这些发射台转播台在全国担负着86 • 2%的无线覆盖率任务。但我们广电系统长期以来重宣传、轻技术、技术行业中重播控、轻发射，发射行业中重发射机、轻发射天线。发射天线成为整个广播电视系统工程中的轻中之轻。在广播电视系统中，除了专业部门外很少有人重视、了解研究发射天线，因而天线系统中较普遍地存在着一些问题，从而造成了场型覆盖不好，发射效率变低、资源能源浪费严重。为此对当前国内广播电视系统天馈线系统中较普遍存在的一些主要问题进行讨论如下：

一、片面追求天线层数而导致了垂直场型的变坏我们不少电视台，特别是部分县市级台，为了尽量扩大本台的覆盖范围，在发射机功率限于规划而被限定的情况下，片面的追求天线的层数，以增加天线增益而扩大本台的覆盖，有的台采用8层或8层以上偶极子天线，或8层蝙蝠翼天线，结果覆盖并不理想，造成近区收看不好，远区有时也收不好，在高山上，甚至在飞机上才能看好。有的在城区收看不好，而在县外（非覆盖区）反而能收看好。其主要原因是天线增益太高，造成垂直方向图主瓣过窄，零点太多，而没有采取波瓣下倾和和零点填充措施而致，如图 1 所示。因此欲用多层增益天线，必须注意以下几个问题：

1、适当选择天线层数

天线层数（增益）并不是越多越好，我们必须根据实际覆盖要求，对天线层数进行合理的选择，图2示出了6层翼型天线和12层翼天线的垂直方向性图。

从图2中可以看到，在发射机输出功率相同的情况下，在低于水平面00—2. 5。（即肋=0°—2. 5° ）时，12层天线对应的服务场强要强。而在2. 5。＜7。之内的6层天线对应的服务场要强。即在近区内场强要强。这是因为当天线层数越多时，其垂直面的方向性越尖锐，因而远区场强增加，而近区场强减弱。

多层蝙蝠翼天线在等功率同相馈电（指层与层之间）的情况下，其垂直方向性函数为：式中：Fo（9）是单一层翼型天线垂直方向性函数。H为层与层之间的距离。N为天线层数。

F（0） * ~一" （1 -"》

I天线系统的垂直面方向图

从式(I —‘1)可以看出，其垂直方向性与天线层数N密切相关。图3示出了当h：k。、同相位、等功率馈电时多层翼型天线的垂直方向性图。图3中，曲线1、2、3分别为三层、四层、六层翼型天线的垂直方向性。

从图3可见，三层天线第一个零点出现在19029'左右，半功率点(0.707max) 对应的9角为10°左右。即共波瓣宽度巩•。二gy左右。而6层天线第一个零点出现在9036 '左右，其半功率点(0 • 7叮ngx)对应的6角为30左右，即其瓣宽度约60左右。可见6层天线比3层天线主波瓣尖锐的多。因而远区场强增加，近区场强减弱。故大功率电视台的天线层数一般不宜超过6—8层，小功串电视

台一般不宜超过4—6层。从式(1 —1)中还可见：这就是多层天线的零点，在此区域内严重影响接收，零点角9N= arcsin(N /Nh)。可见零点与天线层数N与层距h 有关。由图3还可见，层数越多，不仅主波瓣越尖锐，而且零点区也越多，使近区场强变弱。

1 « 1).从他續= 0.

2、做好波束下倾及零点填充

当天线层数(特别是多层)选定后，必须进行波束下倾和零点填充，如不进行波束下倾，如前所述，高增益天线主波瓣太窄且最大辐射方向沿水平方向，则最大辐射方向和电波落不了地。造成能量的浪费。如不进行零点填充，近区的零点区场强太弱，出现“灯下黑”现象。此两项要求一般都由生产厂家，在天线设计生产中都已考虑到。用户在工地按厂家要求进行安装。

波束下倾及零点填充一般有两种方法。

(一)机械方法

机械方法进行波束下倾及零点填充就是选择一层或几层反射板，使其沿水乎方向下倾一定角度g4,因此此种方法较适合于超增益天线v反射板状天线二如偶极子天线、双环天线等等。

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多层天线出现零点的原因是上下层天线等功率同相位馈电，在此条件下，多层天线垂直方向性函数可用下式表达。

(1-2)

式中A5 i)/山缁・血

(Wk* Z)

葺中用豊天建穆数

SftftlRlS

9MMS变址甫

当F(9)二0时，可求出不同天线层数的零点。求出零点后，当天线上、下等层功率同相位激励时，可使上层天线向下倾斜一个角度：

肋‘=(9d+9d)/2 (1 —3)

式中：9d是第一个零点

9d是第二个零点

如果N层天线，波束下倾的角度应为：

9 ‘，= 9'/ N (1 —4)

对于高山台，为了达到较好的覆盖效

果，可使多层天线同时下倾角度勋’，则主波束下倾角为：

A 9 ‘ N/ N (1 —5)

A为倾斜板数

二，电气方法

电气方法进行波束下倾及零点填充较适用于中大功率电视台。天线系统产生

零点的条件是各天线单元在某一点产生的合成场强大小相等、方向相反。当上、下层天线之间的馈电相位改变时，使合成场为零处不再为零，从而达到零点填充的目的。

如果我们把多层天线上、下层分为两组馈电，上层天线馈电电流为I。，下层天线馈电的电流相位为I。少上下层天线层间距为S,则波束下倾角度6与馈电相位的关系如下：

& ■ 2 詁[心

成0 ■(1-6)

由下倾角9可求出下层天线的馈电相位8,根据&可确定各层各振于分馈电缆的电气长度。当然此项工作最好借助于计算机来完成，使其既能满足零点填充又能满足束下倾的要求。一般要求，第一个零点填充15%，第二个零点填充7%。一般大功率电视台的波束下倾控制在30以内。

当N层天线分为两等分，采用电气方法波束下倾及零填充后，上、下层采用等功率，不同相激励，其垂直方向性函数可用下表示：

JW - [(I + 片】常

X • 10^9 ■盘)H * A D

An - iin( NnS/1 •

(• Fg〉(j-7)

式中：Kp= 11 /12 ,11 ,12分别是上、下部振子群的激励电流，8•是11 相对于I2的相位差。N是振于层数。S是振子层间距。9为垂直面的变化角度。F(QD)是单元振子的垂直方向性函数。

此外还可以采用改变上、下两部分振子功率比的办法来进行零点补偿。通常功率比为7: 3。但此时天线的增益要下降4 %左右，且还要增加专门的功率分配器，这就增加了天线的造价与成本，故此法较少采用。

二、由天线双工器而引起的场型及驻波比变坏目前在分米波电视频段，有不少电视台为了节省天线采用多部发射机共用一套天馈线系统，但没有注意到会产

生两个问题，一是水平方向性不好，二是驻波比不好。这主要是天馈系统设计不合理造成的。天线系统有两种馈电方式，一种是等幅同相馈电，即一层天线四个方向的振于馈电相位机同，另一种是90°相位差馈电，即一层天线四个面振子的馈电相位差分别是90° 一般等幅同相位馈电由于反射波的相位相同互相叠加，使驻波比变坏，即使加上其它的补偿手段，匹配带宽也不易展宽。而90°相位差馈电，使系统的反射波相位相反，互相抵消，因而其驻波比匹配带宽是比较宽的，在UIP可达xDMHz但其方向性图带宽即是很窄的，只能用一单频道，有些用户并没有注意到这一点，盲目使用天线多工器，致使服务区水平方向性图变坏，为什么其水平方向性固会变成窄带呢？因为90°相位差仅对单频而言的，当频率左右变化时，四个方向的相位不再是90°相位差关系，积累到第三个方向，相位差得更多，同时安装偏置尺寸，也是对于某一单频的，随着频率的变化，偏置尺寸相对也变，因此水平方向性图变坏。如果在实用中取两频道的中间频率制造分馈电缆来产生相位差及安装天线的偏置尺寸，则两频道的方向图都不好，如果取单一频道来制造分馈电缆及安装偏置尺寸，则一个频道方向性图好，另一

个频道则不好，如果三个频道三工，问题会更大。在实用中如何来解决这一问题呢？既能照顾到系统的水平方向性又能展宽系统的驻比带宽。我们做如下讨论：

如果我们把N层天线分成上、下两部分，如图四所示: