武夷山廣播電視發(fā)射天線(xiàn)場(chǎng)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(tái)）

武夷山廣播電視發(fā)射天線(xiàn)場(chǎng)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(tái)）

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(yùn)行，發(fā)射天線(xiàn)系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。本文對(duì)廣播電視發(fā)射天線(xiàn)場(chǎng)型覆蓋優(yōu)化進(jìn)行研究，利用電磁軟件HFSS仿真分析了天線(xiàn)的方向性圖賦形，提出了天線(xiàn)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(diǎn)填充的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于合理選擇天線(xiàn)形式和空間布局，優(yōu)化配置天線(xiàn)的波束覆蓋具有重要意義。

廣播電視；發(fā)射天線(xiàn)；方向性圖賦形；波束下傾

隨著人們生活水平的提高，對(duì)廣播電視信號(hào)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(gè)性化服務(wù)，這就需要加強(qiáng)無(wú)線(xiàn)發(fā)射技術(shù)應(yīng)用。發(fā)射天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)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(xiàn)的問(wèn)題，致使天線(xiàn)系統(tǒng)中普遍存在一些問(wèn)題，造成了覆蓋場(chǎng)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(hào)。利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)方向性圖進(jìn)行處理，得到天線(xiàn)場(chǎng)形的可視化結(jié)果，這對(duì)利用天線(xiàn)布陣，進(jìn)行科學(xué)覆蓋規(guī)劃及最大限度地利用天線(xiàn)場(chǎng)型達(dá)到覆蓋目的具有十分重要的作用。

1　廣播電視發(fā)射天線(xiàn)概述

隨著地面數(shù)字廣播電視的發(fā)展，實(shí)施無(wú)線(xiàn)數(shù)字化覆蓋工程，為廣大人民群眾提供質(zhì)量更高、種類(lèi)更多的廣播電視節(jié)目，將會(huì)大大提升廣播電視公眾服務(wù)水平，是利國(guó)利民的大好事。福建省新聞出版廣電局根據(jù)國(guó)家新聞出版廣電總局、財(cái)政部《關(guān)于實(shí)施中央廣播電視節(jié)目無(wú)線(xiàn)數(shù)字化覆蓋工程的通知》精神，將黃石頭山發(fā)射臺(tái)作為南平地區(qū)電視節(jié)目無(wú)線(xiàn)數(shù)字化覆蓋工程的試點(diǎn)發(fā)射臺(tái)，要求在發(fā)射塔上新增2個(gè)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(xiàn)系統(tǒng)，以改善廣播電視發(fā)射天線(xiàn)對(duì)服務(wù)區(qū)的覆蓋場(chǎng)形。

廣播電視發(fā)射臺(tái)的天饋線(xiàn)系統(tǒng)主要由多工器、饋線(xiàn)、功分器和發(fā)射天線(xiàn)等設(shè)備組成。在天饋線(xiàn)系統(tǒng)改造方案確定后，就要在合理選擇天饋線(xiàn)設(shè)備的同時(shí)，根據(jù)廣播電視服務(wù)區(qū)范圍和發(fā)射塔的相對(duì)位置，使用天線(xiàn)場(chǎng)形賦形技術(shù)，確定最適合服務(wù)區(qū)需要的天線(xiàn)水平面方向性圖；并通過(guò)計(jì)算機(jī)等輔助設(shè)備及其配套軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)天線(xiàn)系統(tǒng)的天線(xiàn)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(diǎn)填充兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

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

圖1　四偶極子電視天線(xiàn)實(shí)物

該類(lèi)型天線(xiàn)不僅具有頻帶寬、損耗低、增益高的特點(diǎn)，而且可以根據(jù)發(fā)射臺(tái)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(chǎng)型的發(fā)射天線(xiàn)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(xiàn)段或者桅桿的側(cè)面。垂直極化和水平極化是天線(xiàn)的兩種基本極化方式。水平極化天線(xiàn)具有良好的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)強(qiáng)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(xiàn)。

2　廣播電視發(fā)射天線(xiàn)場(chǎng)形仿真優(yōu)化

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

圖2　天線(xiàn)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(duì)電視發(fā)射天線(xiàn)的水平面方向性圖進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)。另外，為了解決增加天線(xiàn)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(chǎng)強(qiáng)，直接影響收視效果的問(wèn)題，就需要對(duì)電視天線(xiàn)的垂直面輻射方向性圖進(jìn)行賦形設(shè)計(jì)。

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(xiàn)的水平面間距1m和0.7m都能實(shí)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(xiàn)的方向性圖控制還可以通過(guò)天線(xiàn)的正置、偏置、斜置安裝的方式，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)，此處不再贅述。

多層天線(xiàn)排列時(shí)，在等幅同相饋電的情況下，垂直方向性總是要產(chǎn)生零點(diǎn)。通常采用對(duì)各單元天線(xiàn)不等功率和線(xiàn)性移相的饋電方法，來(lái)達(dá)到零點(diǎn)填充的目的，這樣勢(shì)必要有一套相當(dāng)復(fù)雜的硬饋系統(tǒng)。實(shí)際工程中，為了降低成本，通過(guò)采用機(jī)械下傾的方法，改變不同層單元天線(xiàn)的傾斜角度，就可使垂直面的波束下傾，同時(shí)對(duì)波瓣的零點(diǎn)進(jìn)行填充。圖4為最上層單元天線(xiàn)采用機(jī)械下傾10°和各層均未采用機(jī)械下傾時(shí)的方向性對(duì)比圖。從圖4中可以看出對(duì)最上層采用機(jī)械下傾后，主瓣位置下傾偏移，同時(shí)方向性圖的零點(diǎn)被填充。因此，可根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)軟件仿真進(jìn)行波束傾斜角度和零點(diǎn)填充的優(yōu)化設(shè)計(jì)，把問(wèn)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(tái)電視發(fā)射天線(xiàn)場(chǎng)形仿真優(yōu)化

武夷山市東連浦城，南接建陽(yáng)，西臨光澤，北與江西省鉛山縣毗鄰。全境東西寬70km，南北長(zhǎng)72.5km。武夷山市境內(nèi)東、西、北部群山環(huán)抱，峰巒疊嶂，地廣人稀；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(tái)（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(tái)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(hào)覆蓋場(chǎng)強(qiáng)將不足。如果更改天線(xiàn)陣設(shè)置方式，又有可能出現(xiàn)不好的副瓣場(chǎng)型，且不利于四偶極子天線(xiàn)的安裝。知道使用天線(xiàn)陣發(fā)射時(shí)，一般均采用等功率分配激勵(lì)到天線(xiàn)振子上，如果采用不等功率分配方式激勵(lì)天線(xiàn)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(lì)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(guò)不同的架設(shè)間距可優(yōu)化賦形水平面方向性圖場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。

4　結(jié)論

隨著數(shù)字廣播電視的普及，天饋線(xiàn)系統(tǒng)的改造和更新成為必然。在實(shí)際工程中，可預(yù)先利用天線(xiàn)理論結(jié)合實(shí)際環(huán)境邊界建立電磁仿真模型，利用計(jì)算機(jī)對(duì)天線(xiàn)場(chǎng)型進(jìn)行處理，得到最優(yōu)結(jié)果。仿真分析調(diào)整天線(xiàn)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(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本吻合，在實(shí)際中發(fā)揮了很大的作用，為高山發(fā)射臺(tái)實(shí)施無(wú)線(xiàn)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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