廣播電視天線理論及選型研究

劉崇輝

（山西廣播電視臺，太原 030001）

廣播電視天線理論及選型研究

劉崇輝

（山西廣播電視臺，太原 030001）

無線電發射機輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達接收地點后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機。可見，天線是發射和接收電磁波的一個重要的無線電設備，沒有天線也就沒有無線電通信。

天線方向圖；增益；輸入阻抗；駐波比（VSWR）；極化方式

1 引言

天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。對于眾多品種的天線，進行適當的分類是必要的。按用途分類，可分為通信天線、電視天線、雷達天線等；按工作頻段分類，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等；按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等。

2 天線的理論

2.1 天線的輸入阻抗

天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優劣一般用四個參數來衡量，即反射系數、行波系數、駐波比和回波損耗，四個參數之間有固定的數值關系，使用那一個純出于習慣。在我們日常維護中，用的較多的是駐波比和回波損耗，一般天線的輸入阻抗為50Ω。

（1）駐波比：它是行波系數的倒數，其值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在通信系統中，一般要求駐波比小于1.5，但實際應用中VSWR應小于1.2。過大的駐波比會減小發射臺站的覆蓋并造成系統內干擾加大，影響發射臺站的服務性能。

（2）回波損耗：它是反射系數絕對值的倒數，以分貝值表示。回波損耗的值在0dB的到無窮大之間，回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在通信系統中，一般要求回波損耗大于14dB。

2.2 天線的極化方式

所謂天線的極化，就是指天線輻射時形成的電場強度方向。當電場強度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直極化波；當電場強度方向平行于地面時，此電波就稱為水平極化波。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號在貼近地面時會在大地表面產生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產生熱能而使電場信號迅速衰減，而垂直極化方式則不易產生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播。

因此，在通信系統中，一般均采用垂直極化的傳播方式。另外，隨著新技術的發展，最近又出現了一種雙極化天線。就其設計思路而言，一般分為垂直與水平極化和±45°極化兩種方式，性能上一般后者優于前者，因此，目前大部分采用的是±45°極化方式。雙極化天線組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線，并同時工作在收發雙工模式下，大大節省了每個小區的天線數量；同時由于±45°為正交極化，有效保證了分集接收的良好效果（其極化分集增益約為5dB，比單極化天線提高約2dB）。

2.3 天線的增益

天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力，它是選擇發射臺站天線最重要的參數之一。

一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。天線增益對通信系統的運行質量極為重要，因為它決定蜂窩邊緣的信號電平。增加增益就可以在一確定方向上增大網絡的覆蓋范圍，或者在確定范圍內增大增益余量。任何蜂窩系統都是一個雙向過程，增加天線的增益能同時減少雙向系統增益預算余量。另外，表征天線增益的參數有dBd和dBi。dBi是相對于點源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對于對稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。一般地，GSM定向發射臺站的天線增益為18dBi，全向的為11dBi。

2.4 天線的波瓣寬度

波瓣寬度是定向天線常用的一個很重要的參數，它是指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度（天線的輻射圖是度量天線各個方向收發信號能力的一個指標，通常以圖形方式表示為功率強度與夾角的關系）。

天線垂直的波瓣寬度一般與該天線所對應方向上的覆蓋半徑有關。因此，在一定范圍內通過對天線垂直度（俯仰角）的調節，可以達到改善小區覆蓋質量的目的，這也是我們在網絡優化中經常采用的一種手段。主要涉及兩個方面水平波瓣寬度和垂直平面波瓣寬度。水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）:(45e,60e,90°等)定義了天線水平平面的波束寬度。角度越大，在扇區交界處的覆蓋越好，但當提高天線傾角時，也越容易發生波束畸變，形成越區覆蓋；角度越小，在扇區交界處覆蓋越差。提高天線傾角可以在通信程度上改善扇區交界處的覆蓋，而且相對而言，不容易產生對其他小區的越區覆蓋。在市中心發射臺站由于站距小，天線傾角大，應當采用水平平面的半功率角小的天線，郊區選用水平平面的半功率角大的天線；垂直平面的半功率角（V－Plane Half Power beamwidth）:(48e, 33e,15e,8e)定義了天線垂直平面的波束寬度。垂直平面的半功率角越小，偏離主波束方向時信號衰減越快，在越容易通過調整天線傾角準確控制覆蓋范圍。

2.5 前后比（Front-Back Ratio）

前后比表明了天線對后瓣抑制的好壞。選用前后比低的天線，天線的后瓣有可能產生越區覆蓋，導致切換關系混亂，產生掉話。一般在25～30dB之間，應優先選用前后比為30的天線。表1為常見天線參數設置。

表1 常見天線參數設置

3 天線的分類與選擇

通信天線的技術發展很快，我國最初主要使用普通的定向和全向型通信天線，后來普遍使用機械天線，現在一些省市的通信網已經開始使用電調天線和雙極化通信天線。由于目前通信系統中使用的各種天線的使用頻率，增益和前后比等指標差別不大，都符合網絡指標要求，我們將重點從通信天線下傾角度改變對天線方向圖及無線網絡的影響方面，對上述幾種天線進行分析比較。

3.1 全向天線

全向天線，即在水平方向圖上表現為360°都均勻輻射，也就是平常所說的無方向性，在垂直方向圖上表現為有一定寬度的波束，一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在通信系統中一般應用與郊縣大區制的站型，覆蓋范圍大。

3.2 定向天線

定向天線，在在水平方向圖上表現為一定角度范圍輻射，也就是平常所說的有方向性，在垂直方向圖上表現為有一定寬度的波束，同全向天線一樣，波瓣寬度越小，增益越大。定向天線在通信系統中一般應用于城區小區制的站型，覆蓋范圍小，用戶密度大，頻率利用率高。

根據組網的要求建立不同類型的發射臺站，而不同類型的發射臺站可根據需要選擇不同類型的天線，選擇的依據就是上述技術參數。比如全向站就是采用了各個水平方向增益基本相同的全向型天線，而定向站就是采用了水平方向增益有明顯變化的定向型天線。一般在市區選擇水平波束寬度B為65°的天線，在郊區可選擇水平波束寬度B為65°，90°，120°的天線（按照站型配置和當地地理環境而定），而在鄉村選擇能夠實現大范圍覆蓋的全向天線則是最為經濟的。

3.3 機械天線

所謂機械天線，即指使用機械調整下傾角度的通信天線。機械天線與地面垂直安裝好以后，如果因網絡優化的要求，需要調整天線背面支架的位置改變天線的傾角來實現。在調整過程中，雖然天線主瓣方向的覆蓋距離明顯變化，但天線垂直分量和水平分量的幅值不變，所以天線方向圖容易變形。

實踐證明：機械天線的最佳下傾角度為1°～5°；當下傾角度在5°～10°變化時，其天線方向圖稍有變形但變化不大；當下傾角度在10°～15e變化時，其天線方向圖變化較大；當機械天線下傾15°后，天線方向圖形狀改變很大，從沒有下傾時的鴨梨形變為紡錘形，這時雖然主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，但是整個天線方向圖不是都在本發射臺站扇區內，在相鄰發射臺站扇區內也會收到該發射臺站的信號，從而造成嚴重的系統內干擾。

另外，在日常維護中，如果要調整機械天線下傾角度，整個系統要關機，不能在調整天線傾角的同時進行監測；機械天線調整天線下傾角度非常麻煩，一般需要維護人員爬到天線安放處進行調整；機械天線的下傾角度是通過計算機模擬分析軟件計算的理論值，同實際最佳下傾角度有一定的偏差；機械天線調整傾角的步進度數為1°，三階互調指標為-120dBc。

3.4 電調天線

所謂電調天線，即指使用電子調整下傾角度的通信天線。電子下傾的原理是通過改變共線陣天線振子的相位，改變垂直分量和水平分量的幅值大小，改變合成分量場強強度，從而使天線的垂直方向性圖下傾。由于天線各方向的場強強度同時增大和減小，保證在改變傾角后天線方向圖變化不大，使主瓣方向覆蓋距離縮短，同時又使整個方向性圖在服務小區扇區內減小覆蓋面積但又不產生干擾。

實踐證明，電調天線下傾角度在1°～5°變化時，其天線方向圖與機械天線的大致相同；當下傾角度在5°～10°變化時，其天線方向圖較機械天線的稍有改善；當下傾角度在10°～15°變化時，其天線方向圖較機械天線的變化較大；當機械天線下傾15°后，其天線方向圖較機械天線的明顯不同，這時天線方向圖形狀改變不大，主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，整個天線方向圖都在本發射臺站扇區內，增加下傾角度，可以使扇區覆蓋面積縮小，但不產生干擾，這樣的方向圖是我們需要的，因此采用電調天線能夠降低呼損，減小干擾。

另外，電調天線允許系統在不停機的情況下對垂直方向性圖下傾角進行調整，實時監測調整的效果，調整傾角的步進精度也較高（為0.1°），因此可以對網絡實現精細調整；電調天線的三階互調指標為-150dBc，較機械天線相差30dBc，有利于消除鄰頻干擾和雜散干擾。

3.5 雙極化天線

雙極化天線是一種新型天線技術，組合了+45e和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時工作在收發雙工模式下，因此其最突出的優點是節省單個定向發射臺站的天線數量。一般GSM數字通信網的定向發射臺站（三扇區）要使用9根天線，每個扇形使用3根天線（空間分集，一發兩收），如果使用雙極化天線，每個扇形只需要1根天線；同時由于在雙極化天線中，±45°的極化正交性可以保證+45e和-45°兩副天線之間的隔離度滿足互調對天線間隔離度的要求（≥30dB），因此，雙極化天線之間的空間間隔僅需20～30cm。另外，雙極化天線具有電調天線的優點，在通信網中使用雙極化天線同電調天線一樣，可以降低呼損，減小干擾，提高全網的服務質量。如果使用雙極化天線，由于雙極化天線對架設安裝要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直徑20cm的鐵柱，將雙極化天線按相應覆蓋方向固定在鐵柱上即可，從而節省基建投資，同時使發射臺站布局更加合理，發射臺站站址的選定更加容易。

4 結束語

對于天線的選擇，我們應根據自己通信網的覆蓋，話務量，干擾和網絡服務質量等實際情況，選擇適合本地區通信網絡需要的通信天線：在發射臺站密集的高話務地區，應該盡量采用雙極化天線和電調天線；在邊、郊等非行政區域，發射臺站不密集地區和只要求覆蓋的地區，可以使用傳統的機械天線。■

Research on the Theory and the Selection of the Radio and TV Antenna

Liu Chonghui
(Shanxi radio and television, Taiyuan, 030001)

radio frequency signal power output by a radio transmitter is transferred to an antenna by a feeder (cable), which is radiated by the antenna in the form of electromagnetic waves. When the electromagnetic wave arrives at the receiving location, the antenna is followed by a small, very small amount of power. It is seen that the antenna is a very important radio equipment for transmitting and receiving electromagnetic waves. Antenna variety, for different frequencies, different uses, different occasions, different requirements, etc.

antenna pattern; gain; input impedance; Bobbi (VSWR); polarization mode

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.11.009

TN82

B

1672-7274（2015）11-0041-04

劉崇輝，男，1966年生，高級工程師，通信工程專業本科，現任職于山西廣播電視臺覆蓋傳輸中心，主要從事播出、傳輸、發射、覆蓋建設項目。