武夷山廣播電視發射天線場型覆蓋優化的仿真分析

徐建炳

（作者單位：武夷山廣播電視臺）

武夷山廣播電視發射天線場型覆蓋優化的仿真分析

徐建炳

（作者單位：武夷山廣播電視臺）

隨著地面數字廣播電視的發展，為保證廣播電視發射設備正常運行，發射天線系統的性能起著至關重要的作用。本文對廣播電視發射天線場型覆蓋優化進行研究，利用電磁軟件HFSS仿真分析了天線的方向性圖賦形，提出了天線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填充的實現方法，對于合理選擇天線形式和空間布局，優化配置天線的波束覆蓋具有重要意義。

廣播電視；發射天線；方向性圖賦形；波束下傾

隨著人們生活水平的提高，對廣播電視信號傳輸質量要求也不斷提高，人們希望獲取更加清晰、穩定和快捷的個性化服務，這就需要加強無線發射技術應用。發射天線作為無線發射系統的最末端部件，其性能將直接影響到所傳輸廣播電視節目的效果與質量。在廣播電視系統中存在不夠重視研究發射天線的問題，致使天線系統中普遍存在一些問題，造成了覆蓋場形不盡如人意，必須良好收視的區域卻收不好，甚至收不到廣播電視節目信號。利用計算機軟件對方向性圖進行處理，得到天線場形的可視化結果，這對利用天線布陣，進行科學覆蓋規劃及最大限度地利用天線場型達到覆蓋目的具有十分重要的作用。

1　廣播電視發射天線概述

隨著地面數字廣播電視的發展，實施無線數字化覆蓋工程，為廣大人民群眾提供質量更高、種類更多的廣播電視節目，將會大大提升廣播電視公眾服務水平，是利國利民的大好事。福建省新聞出版廣電局根據國家新聞出版廣電總局、財政部《關于實施中央廣播電視節目無線數字化覆蓋工程的通知》精神，將黃石頭山發射臺作為南平地區電視節目無線數字化覆蓋工程的試點發射臺，要求在發射塔上新增2個頻道的數字電視頻道節目。為此，必須改造現有的天饋線系統，以改善廣播電視發射天線對服務區的覆蓋場形。

廣播電視發射臺的天饋線系統主要由多工器、饋線、功分器和發射天線等設備組成。在天饋線系統改造方案確定后，就要在合理選擇天饋線設備的同時，根據廣播電視服務區范圍和發射塔的相對位置，使用天線場形賦形技術，確定最適合服務區需要的天線水平面方向性圖；并通過計算機等輔助設備及其配套軟件優化設計天線系統的天線垂直面方向性圖，合理利用電波能量，妥善解決波束下傾和零點填充兩個關鍵技術問題。

分米波段四偶極子寬帶數字電視發射天線是根據數字電視發射特點而設計的新型電視發射天線，如圖1所示。

圖1　四偶極子電視天線實物

該類型天線不僅具有頻帶寬、損耗低、增益高的特點，而且可以根據發射臺服務范圍的需要，很容易地組合成具有所需形狀的水平面場型的發射天線陣，并可以將其安裝在小截面的正方形或圓形發射塔直線段或者桅桿的側面。垂直極化和水平極化是天線的兩種基本極化方式。水平極化天線具有良好的遠區場強分布，在同樣的發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射天線。

2　廣播電視發射天線場形仿真優化

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

圖2　天線陣HFSS仿真模型

為了既覆蓋好需要服務的區域，又要避免同頻、鄰頻的干擾，就需要對電視發射天線的水平面方向性圖進行賦形設計。另外，為了解決增加天線單元板層數，出現鄰近發射塔的地區將形成零輻射環帶，減弱覆蓋場強，直接影響收視效果的問題，就需要對電視天線的垂直面輻射方向性圖進行賦形設計。

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果。從圖3中可以看出，分米波四偶極板發射天線的水平面間距1m和0.7m都能實現全向性輻射，但水平面輻射的方向性圖不圓度卻明顯改變。另外，水平面天線的方向性圖控制還可以通過天線的正置、偏置、斜置安裝的方式，詳見參考文獻，此處不再贅述。

多層天線排列時，在等幅同相饋電的情況下，垂直方向性總是要產生零點。通常采用對各單元天線不等功率和線性移相的饋電方法，來達到零點填充的目的，這樣勢必要有一套相當復雜的硬饋系統。實際工程中，為了降低成本，通過采用機械下傾的方法，改變不同層單元天線的傾斜角度，就可使垂直面的波束下傾，同時對波瓣的零點進行填充。圖4為最上層單元天線采用機械下傾10°和各層均未采用機械下傾時的方向性對比圖。從圖4中可以看出對最上層采用機械下傾后，主瓣位置下傾偏移，同時方向性圖的零點被填充。因此，可根據實際需要，通過軟件仿真進行波束傾斜角度和零點填充的優化設計，把問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　武夷山黃石頭發射臺電視發射天線場形仿真優化

武夷山市東連浦城，南接建陽，西臨光澤，北與江西省鉛山縣毗鄰。全境東西寬70km，南北長72.5km。武夷山市境內東、西、北部群山環抱，峰巒疊嶂，地廣人稀；中南部較平坦，為山地丘陵區，是居民、村民密集居住區。黃石頭山發射臺（海拔882m）西面和北面距江西省的最近距離分別是22.5km和18km，南面距興田鎮約34.6km，東北面距浦城騰云尖發射臺約42km。如果按照標準的等功率分配發射，則在南面居民、村民密集居住區電視信號覆蓋場強將不足。如果更改天線陣設置方式，又有可能出現不好的副瓣場型，且不利于四偶極子天線的安裝。知道使用天線陣發射時，一般均采用等功率分配激勵到天線振子上，如果采用不等功率分配方式激勵天線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，符合地區覆蓋分布。通過不同的架設間距可優化賦形水平面方向性圖場強覆蓋。

4　結論

隨著數字廣播電視的普及，天饋線系統的改造和更新成為必然。在實際工程中，可預先利用天線理論結合實際環境邊界建立電磁仿真模型，利用計算機對天線場型進行處理，得到最優結果。仿真分析調整天線陣的參數以獲得較好的水平和垂直輻射特性，指導工程安裝應用。計算機仿真結果與實際測試結果基本吻合，在實際中發揮了很大的作用，為高山發射臺實施無線電視數字化覆蓋工程提供了可借鑒的改造思路。

[1]許曉強.廣播電視無線發射技術應用優勢及創新[J].西部廣播電視,2016(3).

[2]張正凱.廣播電視發射天線技術維護探討[J].科技創新導報,2013(33).

[3]劉東濤.廣播電視發射天線場形的可視化計算[J].電波科學學報,2008,23(4).

[4]王定華,趙家升.電視發射天線系統[M].北京:國防工業出版社,1991.

[5]劉永.廣播電視多層發射天線射束下傾淺析[J].廣播電視信息,2016(1).

[6]楊威,楊杰,張國庭.地面數字電視廣播覆蓋的研究[J].廣播與電視技術,2007(11).