广播电视发射天线场形赋形及应用技术研究.pdf

无线发射与节传Wireless&Transmission1 引言最近几年来，以 700MHz 频率迁移项目为代表的全国无线数字化覆盖工程进行得如火如荼，这类项目的特点是发射台站数量多，比较分散，且基本上是在原发射台站现有基础设施上，改造或者增加节传系统、发射工艺系统、天馈系统及自动化系统等。由于施工周期及投资规模受到一定限制，除搬迁项目，很少有新建广播电视发射塔的投入。而现存发射塔多数已布满各式各样的天馈设备，很多不能按覆盖任务要求，新增合适的天线系统。这就要求参与方案制定的天线工程师能够因地制宜，根据发射塔安装条件对天馈线系统进行选型，并进行场形赋形设计，使新天馈线系统不仅满足功率容量要求，还满足单频网规划以及台站覆盖任务对于天线场形的实际要求，最终使单站天馈线系统能够同时达到最大范围场强覆盖和对其附近台站最低限度干扰的综合发射覆盖效果。2 广播电视发射天线 场形赋形技术的特点2.1 广播电视发射天线赋形技术随着近些年电磁仿真技术和仿真软件的应用和推广，业内同行们对于天线产品的设计已经不再局限于枯燥的经验公式和各种条件参数取值，天线产品的设计能力已提升到了很高的水平，市场上更是出现了不少新结构类型的广播电视发射天线。即使外观相同的天线，根据技术水平和成本花费的差异，内部结构也可能是五花八门。但无论以上哪种情况，产品市场上可见的广播电视发射天线大体可以分为两类：一类是可根据安装条件和覆盖要求进行场形赋形的，由天线单元组成的阵列天线，如双偶极子天线、四偶极子天线及角锥天线等；另一类是不可赋形的单体天线，如缝隙天线、垂直一体化天线等。图 1 展示的发射塔和发射天线基本代表了目前以及过去很长一段时间内行业内主流的广播电视发射塔和发射天线。以水平或垂直极化的大功率偶极子天线为主，以缝隙天线等一体化天线为补充，是目前广播电视发射天线的现状。本文研究的广播电视发射天线场形赋形技术是对以偶极子天线板为代表的天线板单元进行组阵的技术，其研究的理论基础为电磁场传播理论及阵列天线远场方向图的计算方法等。相关电磁场的书籍里面都有大量复杂的计算公式及推导过程，由于篇幅所限，这里不再赘述，只给出结论性说明：不同天线的阵元方向图函数 f(,)不同，相位加权、幅度加权以及参考点位置不同，综合场强的推导过程及结果也不同。对于重点研究的广播电视偶极子阵列天线而言，通过控制各天线板单元的方向图函数、天线板单元的间距、排布方式、功率、相位及天线板单元的数量等工程技术参数，便可对整副阵列天线的综合场形进行控制和赋形，以满足特殊地形及单频网干扰条件对发射覆盖的特殊技术要求。2.2 广播电视发射天线赋形的特殊性相比其他更高频段的小尺寸移动通信天线，广播电视发射天线要求的覆盖精度不高（一般以千米为单位），天线板单元的形式也更加单一。由于天线尺寸较大，受安装条件、驻波比广播电视发射天线场形赋形及应用技术研究文/中广电广播电影电视设计研究院有限公司 袁汉亮摘要：本文从宏观角度阐述了广播电视发射天线场形赋形技术的特点，并通过实例，介绍了几种特殊阵列天线的赋形方法和实际的应用。关键词：广播电视发射天线 场形赋形技术 特殊阵列天线 赋形方法 实际应用无线发射与节传 Wireless&Transmission 2023年7月 月刊 总第375期带宽等问题限制，天线能够形成的组合方式不多，灵活性比较差，所以天线场形的控制精度也略显欠缺。在长时间的应用过程中，就形成了一些固定的阵列组合方式，不少业内同事甚至把这些组合理解为固定的天线产品形式。在这些组合中，最常见的是多层四面天线、多层六面天线、多层八面天线以及在此基础上根据不同方向场强覆盖需求进行的粗糙变形，如4-4-2-2 天 线（A、B 面 四 层 天 线，C、D 面两层天线组成的四面定向阵列）、6-4-4-2 天线（A 面六层天线，B、C 面四层天线，D 面两层天线组成的阵列）等组合的阵列。另外，还有某些方向和某些天线单元的纯机械下倾等变形方式。此类天线阵列通常要求铁塔具有比较理想的边宽条件，垂直长度也能够满足要求，最终形成的天线场形也在可控范围之内。与移动通信天线等相比，由于广播电视天线发射功率大，覆盖范围更广，更均匀，而且发射台主站通常在目标区域的中心附近，对于天线增益要求相对较低，所以广播电视天线赋形的目标，往往更多的不像通信天线的强定向和高增益，而是要求天线方向图圆度不劣于 3dB，这一指标在电视和调频广播发射天馈线系统技术指标及测量方法中做了专门说明。在广播电视无线覆盖工程中，通常考验天线工程师的也是在不能满足安装条件的铁塔上进行天线赋形设计，使最终的实施结果能满足覆盖及干扰衰减对天线场形的特殊要求。这就是广播电视发射台搬迁项目需要进行天线设计的意义所在，也是最考验天线工程师设计能力的地方。3 几种特殊的广播电视赋形天线及应用场景3.1 天线场形赋形计算工具在长期的天线研发和设计过程中，根据设计经验和使用需求，编制出了电视调频天线场形计算程序，具体如图 2 所示。该程序界面简洁、操作简单、运算速度快，运算结果的正确性也在近些年大量的广播电视无线覆盖工程设计中得到了验证。以下广播电视天线案例的赋形结果，均是采用该程序进行计算。3.2 特殊的广播电视赋形天线3.2.1 侧装天线（1）安装条件及设计目标：铁塔边宽 D 3,为天线设计波长；要求天线方向图圆度不劣于 3dB，实现 360全方向覆盖。（2）技术难点：铁塔边宽大于天图 1 典型广播电视发射天线图 2 广播电视发射天线场形计算程序 无线发射与节传Wireless&Transmission线设计波长过多，塔面对天线板单元会形成遮挡，相邻天线板单元通过旋转相位进行的叠加难以实现。（3）赋形方案：根据天线板单元的方向图和方向图向量叠加原理，变更天线板单元的排列布阵方式、通过调整天线间距和相位等参数，使整副天线系统的方向图圆度不劣于 3dB。如 图 3 所 示，以 工 作 频 道 为 CH32、铁塔边宽 2.0m 为例，将偶极板天线系统赋形前后的水平面方向图做了比较。从试算和比较的结果看，在边宽大于 1.2m 的铁塔桅杆段，按照传统的方式安装 UHF 四面天线，很难满足方向图圆度不劣于 3dB 的要求。而如果采用侧装的方式，再根据工作频率精确设计安装构件，则天线方向图就可以完全满足设计要求。（4）应用场景：该天线赋形案例应用于在边宽较大的发射塔上安装高频段广播电视天线的情况。铁塔边宽相对于天线设计频率太宽，传统的安装方式使相邻天线板单元之间难以形成叠加，天线场形圆度明显下降，会形成覆盖盲区，而天线侧装方式能够完美解决这一问题。但在侧装阵列天线系统中，相邻天线板单元的间距与设计频率具有非常严格的相关性，所以在天线多工发射的情况下，工作频率距离设计频率较远时，尽管天线驻波比指标满足设计要求，但天线场形会变得非常差，所以侧装阵列天线更适合单频工作的广播电视发射天线。该阵列天线在近些年的无线数字化覆盖及 700MHz 频率迁移项目中，已有一定程度的应用，应用效果较好。3.2.2 大功率双列强定向天线（1）安装条件及设计目标：安装条件无严格要求，要求天线系统具有强定向、高增益的特点，且需满足大功率的发射要求。（2）技术难点：在同一覆盖方向增加天线板单元数量，可满足大功率定向发射的要求，但同向并列天线的场形副瓣抑制难度大。（3）赋形方案：根据方向图向量叠加原理，在同一方向设置并列的两列多层天线，合理增加发射功率。通过调整两列天线板单元的间距和相位，达到抑制整副天线场形副瓣，加强主瓣的作用，使整副发射天线最终实现大功率、强定向的设计目标。单列定向天线和双列强定向天线的方向图比较如图 4 所示。根据计算结果可以看出，相比较单列天线，双列强定向天线水平方向主瓣增益更高。另外，由于天线板单元数量更多，双列强定向天线可以承受更高的功率，所以覆盖距离也会更远。（4）应用场景：该天线适合于大功率、高增益、远距离定向覆盖的应用场景。由于我国广播电视发射台多数要求全向均匀覆盖，该天线系统应用相对较少，偶尔用于主站补点、高速公路线形覆盖等定向要求高的场景。而对于该种类型天线的研究，也是实现广播电视发射天线智能化和相控阵的前提和基础。3.2.3 三面多层天线（1）安装条件及设计目标：发射塔天线段为三边形，且边宽通常超过一个设计波长；要求天线方向图圆度图 3 侧装天线场形图图 4 单列定向天线和双列强定向天线的方向图比较无线发射与节传 Wireless&Transmission 2023年7月 月刊 总第375期不劣于 3dB，实现 360全方向覆盖。（2）技术难点：半波偶极子天线本身的结构特点决定了天线板单元的半功率角约为 90，三面天线组成的偶极子天线阵在相邻天线板单元的夹角处，天线场强较弱，不能满足全向覆盖的要求。（3）赋形方案：根据发射塔截面的形状要求，增加天线板单元的半功率角。通过调整天线板单元的方向图，进而调整整副天线阵列的叠加场强。三面天线优化前后的方向图对比如图 5 所示。从优化前后方向图的变化可以看出，在三边形桅杆上安装传统的半波偶极子天线不能满足方向图圆度不劣于 3dB 的要求，而如果通过改变天线板单元振子的长度和形状，进而调整天线板单元的方向图，那么叠加后的结果就可以完美解决天线方向图圆度的问题。（4）应用场景：我国广播电视发射塔天线安装段绝大多数为四边形或者六边形，三面多层天线一般存在于国内极少数老旧的三边形发射塔上以及小功率补点站的钢管桅杆上。由于大功率台站很少使用，小功率补点站又影响较小，所以并没有引起太多重视。现存的三面多层天线方向图圆度多数不能达到不劣于 3dB 的设计要求，而如果天线板单元采用短振子或者 V 型天线振子，组合后的三面天线阵即可完美解决天线场形圆度不达标的问题，目前已有部分供货厂商研发并生产该天线单元。该种天线系统在以后的无线覆盖补点项目中，一定会有更加广泛的应用。3.2.4 斜极化天线斜极化天线是一种更为特殊的广播电视阵列天线，具体如图 6 所示。在相同的安装条件和安装方式下，其与相同参数的水平极化阵列天线有相同的方向图和增益，覆盖范围也基本一致。但由于该阵列天线极化方式非水平亦非垂直，理论上在相同条件下，其与周边台站传统水平或者垂直极化天线之间的邻频干扰会更小，用户接收效果会更好。该天线与其他形式的圆极化、椭圆极化等天线相类似，但更加适合阵列布置，合成方向图的计算也更加简便明了。但该阵列排布方式的天线，在实际工程中应用很少，实际干扰和抗干扰效果也未经过实践检验。总之，本文以分米波电视发射天线为例，介绍了广播电视天线场形的赋形和优化的思路及方法。米波段电视天线和调频波段广播天线的赋形和优化技术与之基本一致。但由于其频率更低，天线单元尺寸更大，虽然天线技术理论相一致，但在工程中实现起来，对发射塔的结构要求也更高，投资也更多，工程实施难度也更大，所以实际应用会更少。4 结语广播电视发射天线的场形赋形是实现相控阵以及大规模可编程的前提和基础。广播电视发射天线的场形赋形技术在广播电视发射台站强化定向覆盖、减少台站之间的邻频干扰中，一直都起着非常重要的作用，也是广播电视单频网调试的一项重要手段。随着科学技术的进步和行业间的融合发展，广播电视天线设备也必然像移动通信天线一样，逐渐朝着更加智能化的方向迈进。另外，随着电磁仿真技术的应用和提高，必将有更多新的天线形式出现并被广泛使用，广播电视信号的覆盖精度也会越来越高，可控程度会越来越强，控制干扰的手段会越来越多，不必要的能量损失会越来越少，广播电视设备也会更加安全稳定、节能环保，其适用性也会更强。图 5 三面天线优化前后的方向图对比图 6 斜极化天线