【摘 要】本文讨论了几种传统的天线场型规划方法，提出了一种改变天线阵列安装位置和馈电相位的新方法。该方法能够改善天线的零点填充效果以及天线在水平方向上的场型对称性。【关键词】天线场型，馈电相位 【中图分类号】 TN929.11 【文献标识码】 B 【DOI 编码】
10.be.20190003014【本文献信息】周灏.电视发射天线场型规划[J].广播与电视技术，2019,Vol.46(3).
TV Transmitting Antenna Field Type Planning
Zhou Hao
(Suzhou Radio & TV Station, Jiangsu, 215006, China)
Abstract This paper discusses the traditional methods of antenna field type planning, and provides a new method by changing the antenna array’s installation position and feeding phase. This method improves zero points cancellation and the horizontal symmetry of antenna field strength.Keywords Antenna field type, Feeding phase
周灏
（苏州市广播电视总台，江苏 215006）
0 引言
对于电视发射系统来说，天线是发射的最后一个环节，其工作性能的好坏直接影响到整个电视信号的覆盖效果。因此，对于天线的场型，在系统设计之初就必须重点考虑，这样才能根据各个地区的地势地貌、覆盖要求，合理地做好设计。本文根据我台的工作实际经验，针对UHF 的偶极子面包板天线，通过比较传统的设计方法的优缺点，提出了一些新的场型规划设计的方法，通过合理调整天线单元的馈电相位以及安装位置，同时达到了水平和垂直面的场型覆盖要求，并通过仿真和工程检验，收到了预期的效果。 1 理论设计
见图1，n 层四面组阵的发射天线是广播电视发射塔上常用的型式，它既可用以发射水平极化波或垂直极化波又可用以发射圆极化波或椭圆极化波。
在球坐标系中，远区场任一点P 处的电场 ，可表述为两正交方向 与 上的分量
与
的合成，即
（1）
这些量都是球坐标θ和φ的函数。
在图1所示的天线阵中，通常取相同的单元，馈以不同的功率和相位来进行空间方向性图的综合与赋型。我们现在假设：
1. 位于同一个列的各单元馈电功率相同，四个列馈电功率分别为P 1、P 2、P 3和P 4。
2. 同一层不同列的馈电相位分别为β1、β2、β3和β4。
3. 不同层的馈电相位分别为α1、α2、……和αn 。
4. X 轴方向天线单元的电场的两个正交分量的幅值分别为 和
。
则天线阵的空间合成电场强度的两个分量可分别表述为
：
（2）
（3）
式中A (θ)为Z 轴方向的阵因子函数，k =2π/λ为空间电波的相位常数，A （θ）可表述为 ：
（4）
式中S 为天线单元的层间距，将式（2）及式（3）代入式（1）即得到图1所示天线阵的空间电场强度 ：
（5）
式 中 与分别为角度θ与φ方向的单位矢量。 由式（2）、式（3）可知在远场空间球面上的任一点的电场强度分量
与
中都包含了幅度和相位因子，它
们都是球坐标θ与φ
的函数，即 ：
（6
）（7）
若ψθ(θ,φ)-ψφ(θ,φ)=0则该点的电场为线极化。 若ψθ(θ,φ)-ψφ(θ,φ)=π/2,
场为圆极化。
通过上述公式推导可以看到，水平面和垂直面的电场强度与天线功率、天线单元馈电相位、天线单元安装位置等因数有关。
为了在水平和垂直面拥有更好的场型，天线阵列单元的安装位置和馈电非常重要，下文主要以这两个因素与天线阵列场型的关系进行讨论。
1.1 水平面场型的规划
通常情况下，为了达到最大面积的覆盖，特殊地形、特殊要求除外，需要尽可能保证场型的圆度，就需要减小相邻面天
线所辐射信号在重叠区的相位差，因此，电视发射天线都架设在塔桅较高较细的地方。
为了使天线阵达到更高的阻抗匹配效果，进一步减小驻波比，还需要对不同面的馈电做一定的规划。
考虑到以上两点，天线阵的安装通常采用以下几种方式。
1.1.1全向偏置安装
全向偏置安装见图2，同一层A 、B 、C 、D
四个面的天线
图2 全向偏置安装天线图
180
180
270 270
0 0
90
90
单元，馈电相位依次相差90度。移相的目的是为了对天线系统进行阻抗匹配，使得天线在全频带内都有比较好的驻波比。每一块天线都不是在塔桅的中心安装，都有所偏置，目的是减小移相安装时，相邻天线在重叠区域的相位差。
全向偏置安装也有一些缺点：以UHF 电视发射的中心频率666MHz 为例，偏离该中心频率越大，其A
、D 面天线在重
叠区的场型越不均匀。因为其他几个面的相位差都是90°，A 、D 面的相位差是270°，物理空间上的偏置安装天线造成的相位差，随着频率偏移中心频率也会发生变化，偏离中心频率越远，空间相位差越难以抵消270°相位差造成的影响。但有时候也经常利用该天线场型的特点做一些特殊要求的场型布局。1.1.2半向偏置安装
半向偏置安装见图3，在同一层面的天线中，B 、C 面的天线单元馈电相位相同，A 、D 面的天线单元馈电相位相同，在UHF 电视发射中心频率为666MHz 时，B 、C 面天线与A 、D 面天线的馈电相位相差-90º，结合天线偏置安装的尺寸可计算不同频率时的水平面场型仿真图。从图中可以看出，在天线信号覆盖重叠区域的水平场型形，B 、C 面最好，其次是A 、B 面和D 、C 面，最差是A 、D 面，原因是B 、C 面天线单元安装位置靠得最近，相当于安装天线的塔桅截面最小，它们的
信号在重叠区域内的空间相位差较小，场形基本会同相叠加，
图5 垂直面场型图
图6 天线安装图1
图3 半向偏置安装天线图
图4 同向正置交错安装天线图
180 180 180 270
270 270 0
0 0 90
90
90
180 180 270
270 0
0 90 90
所以在安装时，相邻天线单元靠的越近，水平场形就会越好，这就是我们强调UHF 单极化四偶极子天线必须安装于小截面塔桅上的原因。
与全向偏置安装天线相似，半向偏置安装也有一个面的相位差较大，偏离中心频率越大场型越不均匀。1.1.3同相正置交错安装
同向正置交错安装见图4，同一层天线单元馈电相位相同，
上下层天线的相位也同相，这样各种频率的水平场形必然完全对称，为了使天线系统匹配良好，在全频带内有较好的驻波比，上下层采用λ/4交错安装，并使超前天线单元的馈电相位滞后90°，这样保证了天线不同层之间的阻抗匹配补偿。这样的馈
电安装方式，水平场形不均匀度完全取决于安装直径，即塔桅宽度的尺寸，宽度越大，场形不均匀度就越差。
考虑到所使用的电视发射频率可能在未来一段时间会有所变更，水平场型覆盖方面也希望场型尽可能均匀，所以选择同层同相馈电。不同层之间的馈电根据垂直面场型的需求，还需要有新的安装和馈电方法。
1.2 垂直面场型规划
天线垂直方向的场型图见图5，往往会有一个能量最大的主瓣和若干小的旁瓣，主瓣和旁瓣之间以及旁瓣彼此之间也会有能量最低的零点，这些零点对应地面上的区域往往是信号覆盖的盲区，为了提高天
线的增益，需要增加天线单元板的层数，但是随之而来的问题是天线副瓣增多，零值点增多，这样在邻
近发射塔的地区将形成多圈零辐射环带。影响最大的是第一、第二零点所对应的零辐射环。如图4中的B 、C 点，尤其B 点的情况最为严重。为了避免这种情况，使得垂直面场型覆盖更加均匀，通常对零点进行必要的填充补偿。
多级天线阵列中，为解决零点填充，传统的方法有两种，
一种是对顶部的天线单元进行物理下倾，另一种是改变天线单
Date : uz ou DTV
10
E / Ema
Horizontal Radiation Pattern
图9 天线490MHz的垂直场型图
图7 天线安装图2
元之间的馈电相位。这两种方法都是通过改变天线阵的场型，做到对零点区域的补偿。相比之下，第一种方法，即物理调节下倾角，对于阵列单元较多的情况下，往往效果不太明显，而且顶端的天线单元下倾后会形成较大的风阻，对于天线阵列的安全也会有影响。因此，为避免以上两种问题，目前采用较多的是第二种方法，即改变天线单元的馈电相位。
2 设计仿真与测试
根据15、18频道的发射需求，为了同时兼顾天线的水平
阵列天线面场型在不同频率的对称性以及垂直面场型有良好的零点填充，见图6、7，施工单位设计了一套八层四面的天线阵。该天线阵每层的馈电相位一致，使得水平面场型在不同频率都能场型均匀，另外，不同层之间的馈电不同，经过软件仿真，第一层的馈电相位为53°，第二层的馈电相位为23°，第三层的馈电相位为12°，第四层的馈电相位为8°，第五层的馈电相位为0°，第六层的馈电相位为6°，第七层的
馈电相位为0°，第八层的馈电相位为32°。其中第四、七层天线向外突出安装，从而达到垂直面的零点补偿以及系统的阻抗匹配。
经过仿真测试，该天线阵在15频道的场型图见图8、9。在18频道的场型图见图10、11。
通过上面几组仿真图可以看到天线阵在不同频率的水平面场型都能保持均匀，垂直面场型已对零点进行了填充。这样
做的效果是水平面各个方向都有较为均匀的场强覆盖，对于主要发射点和中央发射点来说，这是非常有必要的。该天线阵通过不同天线单元馈电相位不同以及不同层面的天线单元物理安装位置向前突出，达到了对天线阵垂直面场型的重新调整，确保了第一、第二零点处的场强覆盖要求。相比于传统的顶部天
线单元物理下倾安装，该安装方式可以减小风阻，有较高的安全性，覆盖的效果也更好。
参考文献：
[1] 周清波.广播电视发射的接地设计与天线设计技术研究[J ].科学与财富,2010(10).
作者简介：
周灏，男，苏州市广播电视总台技术中心高级工程师，硕士，主要从事调频、电视无线发射工作。曾参与《紧急广播宣传系统》等项目，获得过江苏省广播电影电视协会科技创新一等奖，发表论文多篇。
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