數字電視發射寬帶天線陣的設計改進

陶文鳳

（萊西市融媒體中心，山東 青島 266600）

0 引 言

數字電視全部使用數字信號傳輸，和模擬信號相比，數字電視抗干擾和糾錯能力強，具有畫質清晰、功能強大、還原度高以及音效好的優勢。2020 年，我國已經全面進入數字電視時代，有線電視用戶突破了2 億戶，其中99%以上是數字電視用戶，且數字電視用戶群還在持續增長[1]。與衛星技術和有線技術相比，地面數字電視易架設、成本低、受外在影響小，而發射天線是決定地面數字電視信號質量的關鍵因素。在實踐中，電視塔假設面臨諸多問題，天線數量受到限制，因此加大帶寬是降低成本、提高信號傳輸質量的最優選擇[2]。我國寬頻斷、高增益發射天線目前還依賴進口，制約了數字電視的發展，因此加快國產自主研發步伐勢在必行。

1 數字電視信號傳輸的原理和優勢

1.1 數字電視信號傳輸原理

數字電視采用二進制原理，通過0 和1 數字編碼對信號進行處理，將視頻文件轉化為二進制數據，也就是模數（Analog To Digital，AD）轉化。具體流程如下：圖像和聲音經過壓縮和數字處理后，形成數字電視信號，采用衛星通信等方式進行傳輸。數字電視接收到信號后，采用解碼技術進行還原，處理頻率越高，音頻和視頻還原就越真實[3]。電視信號數字化主要包括3 個過程。第一，采樣在時間軸上按照一定頻率采集文件的波形信號，如圖1 所示，采樣周期越短，脈沖信號真實度越高，越接近原有文件。圖1中最左邊的是模擬信號圖，其信號是連續的，中間和右邊的2 個圖是低頻和高頻數字信號圖，信號不連續，在數字化的過程中存在一定的損失。因此，采樣頻率越高，階梯狀橫線就越接近連續曲線。第二，量化。滿幅電平按照四舍五入原則分為多個有限量值，將信號幅度值進行256 次均勻分割，取采樣點區間的二進制值，量化后音頻振幅以脈沖呈現。量化精度的單位比特（bit），能夠精確描述波形振幅，但由于四舍五入，也會產生誤差，從而形成量化噪聲。bit 數越小，誤差越大，因此要提高bit 數。第三，編碼。A/D 處理后，數據量較大，不利于存儲和傳輸，如果不進行壓縮，一個通道的帶寬會超過100 MHz。因此需要進行編碼，可使用梳狀濾波器降低采樣頻率、還原信號，未來技術發展趨勢可通過更優化的算法進行解碼操作，如差值脈沖編碼調制或線性變換編碼。

圖1 數字技術采樣

1.2 數字電視信號的優勢

數字信號只有0 和1 兩位，容易存儲，方便傳輸，其圖像清晰度高，支持標準清晰度格式，壓縮技術大大提高了頻道利用率，可以適應20 Hz ～20 kHz 的寬帶傳輸，在8 MHz 寬帶內可實現高質量傳輸，因此伴音質量更好，音域范圍更寬[4]。模擬信號在傳輸中會積累噪聲，信噪比高，數字信號通過整形和檢錯技術能夠消除雜波，只需要≥20 dB即可，不易失真。數字電視還可實現信道兼容，用戶可同時接收2 種信號，與模擬電視互不干擾。

2 數字電視發射天線陣技術概述

2.1 數字電視發射天線的種類

目前，發射天線主要包括2 類，一是行波天線，其饋電結構簡單，轄射場型較好，但頻帶較窄、制造、安裝較難。二是駐波天線饋電，其系統復雜、頻帶寬，但使用靈活、安裝方便，是我國主要采用的天線[5]。發射天線種類主要如下文所述。

（1）雙環天線，其饋電結構簡單，可構造平行雙線連接2 個環天線，終端抗阻可以為0，在早期超高頻（Ultra High Frequency，UHF）電視廣播中應用廣泛。當水平放置時，各環上下振子和饋電點的左右環極化分量相互抵消。后來設計者對圓環天線進行了改進，將多個圓環天線級聯，加裝反射板，提高增益[6]。多級圓環天線中，在各環二端口處加短路支節，不僅能夠提高其結構強度和可靠性，也能夠降低其阻抗，相對帶寬能夠提升25%以上。將一對雙環天線垂直放置，即成為復式雙環天線，盡管增益低于帶反射板的天線，但是結構設計簡單，雙環天線的帶寬已經不能滿足數字電視時代頻道數激增的需要。

（2）蝙蝠翼天線，形狀類似蝙蝠翅膀，一般為2 個對稱梯形的上底連接在一起的六邊形，每個梯形內部各布置6 個直角梯形。其優勢在于同頻帶寬大、穩固性和可靠性高、駐波系數小，但是增益較低。將平行雙線饋電的振子組陣，加裝反射板能夠有效解決這一問題，除此之外，還需加裝饋電匹配網絡，降低電壓駐波比，其增益能超過13 dBi[7]。

（3）微帶天線，其剖面低、尺寸小、集成性高、性能多樣化，介質基板厚度小于波長，安裝靈活且增益高，但是帶寬較低。采用多層介質板貼片方案能夠增加帶寬。如果采用非對稱寬帶饋電網絡組陣，則其反射系數更小，增益比上一種方式增加了25%以上。

（4）四偶極子單元板天線，不僅增益高，組陣靈活，而且克服了微帶天線帶寬有限的問題。采用菱形偶極單元，每2 個菱形偶極單元由平行雙線相并聯，之后將2 組采用T 型分功器連接，同時引入補償巴倫結構，其增益效果較佳。4 偶極子單元板天線可滿足多工工作，同增益下帶寬更寬，因此本設計取4 偶極子單元板天線進行改進。

2.2 發射天線的性能參數

（1）電壓駐波比。主要由于輸入阻抗與傳輸線阻抗的差異造成，反射波和入射波疊加形成駐波，相鄰電壓最高點和最低點的比值就是電壓駐波比。如果比值過高，天線的發射效率降低，調制誤差比指標惡化，嚴重時還會損害設備。（2）增益。指天線輻射集中和能量轉化效率的程度，反映某一方向的信號收發能力，增益提高可以擴大信號接收范圍，表示在同功率下，實際天線與理想輻射某點輻射功率密度的比值。天線方向圖越窄小，其增益越高，信號傳播就越遠。（3）帶寬。反映信號的最大頻帶寬度，天線發射一般采用阻抗帶寬。帶寬用最大頻率減去最小頻率，相對帶寬可以表示為絕對帶寬與中心頻率的比值，提升帶寬需要減小天線的Q值。（4）方向圖。即天線遠區輻射電磁場的分布圖形，一般使用水平和垂直方向圖，測量場強、功率、極化以及相位等可得到3 維方向圖，采用極坐標和直角坐標的方式繪制。一般在發射中，水平場圖圓度不劣于±3 dB，保證接收場強相同。垂直場增加多副天線，提升增益，擴大覆蓋面，兼顧零點填充值和波束下傾角。

3 數字電視發射寬帶天線陣的設計方法

3.1 單元天線的結構

單元天線的結構如圖2 所示，在傳統4 偶極子單元板天線的基礎上進行改進，偶極子用同軸線饋電，可作為左右振子臂的支撐柱。但是這樣會在外表面分出一個電流I3，從而造成左右電流幅度的不平衡，因此需要使用巴倫結構使之平衡。在左側振子臂加金屬圓柱，設定高度為H，其外導體與接地板相連，以改善帶寬。在阻抗軌跡的作用下，特性阻抗落于史密斯圓圖中心，從而實現良好匹配[8]。

圖2 單元天線的結構

3.2 單元天線的尺寸

隨著同軸線饋線內導體半徑r的減小，諧振輸入阻抗逐漸增大，最終確定r值取1 mm，此時輸入阻抗實部的值是200 Ω。當單元天線H高度從150 mm 逐漸增加時，系統諧振點向低頻處偏移，低于諧振頻率輸入電抗為感性，反之則為容性。為增加帶寬，需將延緩輸入阻抗變化，實部值控制在200 Ω，虛部值為0。此時偏移量x為45 mm，在600 ～700 MHz 內，輸入電抗近似0。將天線振子臂長度L設置為165 mm，帶寬明顯增加，輸入電抗為0。如果長度繼續增加，那么天線就會由寬頻變為雙頻，在確定L長度時，需要考慮和等效并聯電路結構結合，使之能夠匹配寬頻運行。對電抗實行微調，在同軸饋線內導體處加裝電容調諧支節，設置其半徑為r2，分析其對輸入阻抗的影響。當其長度從1 mm 增長到5 mm 時，阻抗從感性變為容性，長度為3 mm 時，滿足輸入電阻200 Ω 的要求。

3.3 組陣天線的設計

（1）采用2 個單元天線并聯方式，構成二元陣。每一個左右振子不是水平，而是向外偏離一定角度。在振子臂上開孔，焊接特氟龍支撐件，用于固定。減小天線與反射板的距離，會降低增益，但會增加半功率波瓣寬度，因此在設計中需要綜合考慮高度。反射板也會造成波瓣寬度下降，故采用非水平布置方式調整，并通過巴倫結構和補償電容結構進行調整與優化。（2）4 元陣天線結構，滿足600 ～720 MHz 的帶寬，主要包括輻射部分和功分饋電網絡，前者即2 個二元陣，后者包括T 型功分器和匹配網絡。二元陣陣列之間的距離應小于1個波長。試驗顯示，當距離從300 mm增加到400 mm 時，増益和波瓣寬度增加不顯著，但是當增加到500 mm 時，場強疊加，因此400 mm 滿足設計要求。功分饋電網絡整體結構為內圓外方，其優勢在于結構穩固，便于安裝。為提升帶寬，應用多節匹配變換器，將實阻抗匹配到容性復阻抗，并進行微調，可以將增益提高到13 dBi 以上。需要注意寬帶天線陣在實際使用中，需要對微調天線的部分結構進行調整，以實現帶寬優化[9]。

3.4 方向性圖優化

在設計中需要對方向性進行優化。如果沒有特殊地形要求，水平方向性圖近似圓形，垂直方向性圖應波束下傾。在不同的塔寬和頻率下，正置方式的圓度更優，但當單元板波瓣寬度較小時，斜置方式對圓度解決更好。因此建議根據實際狀況適當斜置，并采用波束下傾方案。

3.5 寬帶天線陣技術創新

現有數字電視要求寬帶天線陣設計朝超寬帶的方向發展，要求減少通道個數，實現寬角匹配，裝備性能方向日益提高[10]。因此需要在技術上不斷進行創新，除了通過仿真計算等方式對結構進行優化外，還應該采用以下方式進行技術創新：（1）材料創新，使用新型材料增加信號傳播能力，如使用輕型金屬材料、高質量塑料材料、薄膜天線材料和高散熱性能材料等，材料應用中還可以結合低剖面、抗輻照以及抗振動設計，既保證了機械強度，也實現了低重量設計。以薄膜天線為例，T-DaHGR 天線可以實現高增益，在固定頻段運行時帶寬高達40%。（2）技術創新，在天線上搭載太陽能電池，可以節約能源，測量信號發射。天線還可以搭載攝像頭，監測其作業過程，方便更好地進行優化。對大規模天線陣技術進行創新，通道數能達到256 個，通過不斷優化算法來解決增加數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）等問題。

4 結 論

發射天線是保證信號精準傳輸、節目高清播放的前提，高增益、高帶寬的天線陣決定了電視節目質量。在未來的研究中，需要通過不斷完善結構、創新技術、應用新材料以及優化算法來實現技術突破。