調頻寬帶雙偶極子板天線的分析和應用

柔 洛

調頻寬帶雙偶極子板天線的分析和應用

柔 洛

（作者單位：四川省新聞出版廣電局）

隨著廣播事業的迅猛發展，一些中波臺除了傳播傳統中波調幅廣播節目外，同時還增加了調頻廣播和數字電視節目的播出，特別是調頻廣播多套節目在同一副調頻天線中通過運用多工器進行多工發射。由于藏區中波臺的廣播電視塔普遍矮小，鐵塔用于安裝天線的空間有限，所以要求調頻天線必須具有較寬的頻率帶寬和富足的功率容量，以便進行多工發射。本文介紹一種性能優異的形似寬帶支撐結構的雙偶極子反射板天線，主要運用于調頻廣播多工天饋系統。這種雙偶極子板天線用不銹鋼制作，結構簡單，電氣技術指標高、性能穩定，在國內被廣泛使用。

調頻寬帶雙偶極子板天線；特點；工作原理；應用

1　寬帶雙偶極子反射板天線的特點

該天線具有兩大特點：一是天線結構設計簡單、先進合理，無任何可調部件，極大地提高了運行穩定性，同時現場無需調試，給安裝使用帶來方便；二是頻帶寬、駐波比特性好，其單片天線的駐波比在調頻段87.5～108MHz內基本上達到S≤1.10，特別適用于多頻節目傳輸的多工天饋線系統。該天線在系統組陣設計時，通過相位補償饋電，系統的輸入電壓駐波比還可以做到更好。在實際運用中，四層四面寬帶二偶極子反射板天線系統在87.5～108MHz頻率范圍內，系統反射損耗可達到L≤-30dB（既駐波比S≤1.06）。因此該天線深受用戶歡迎，成為調頻多工天饋系統首選天線形式之一。

2　寬帶雙偶極子反射板天線的構成及工作原理分析

2.1天線的構成

寬帶雙偶極子反射板天線由天線反射板、以及兩對振子（半波二偶極子）和支撐陷波器組成。如圖1所示。

圖1　寬帶雙偶極子反射板天線組成圖

天線反射板的邊框選用矩形無縫管制作，其外形美觀、強度好，相比之下，其強度比角鋼和圓管高，整個反射板不易變形，其邊框尺寸為：2400mm（長）×1800mm（寬）。振子用直徑Φ40無縫鋼管制成，兩對振子的支撐桿和陷波器用無縫方管制作，并兼作振子饋電線的外管，節省了材料。單片天線重量較輕（約35kg），天線振子上開有排水孔，在安裝時應注意排水孔向下。

2.2天線工作原理

天線饋電采用的是不平衡饋電方式，天線靠兩對半波雙偶極子（振子）獲得饋電電流而輻射能量，并通過反射板的作用使能量形成定向輻射。由于天線振子全長近似等于半個波長，饋電輸入點是電流波腹點，因此輻射阻抗也就是輸入阻抗。一個半波振子輸入阻抗歸為振子自輻射阻抗和振子間互阻抗以及振子鏡像阻抗之和，為一復阻抗ZΣ1。計算式如下：

式中：

Z11------振子1的自輻射阻抗

Z11′----振子1與其鏡像阻振子1′之間的互阻抗

Z21------振子2與振子1之間的互阻抗

Z2′1------振子2的鏡像振子2′與振子1間的互阻抗

通過計算，得知振子輸入阻抗約為84+j3Ω。此輸入阻抗通過支撐桿兼作阻抗變換器以及陷波器的作用可以達到良好匹配。其振子饋電原理圖如圖2：

圖2　振子饋電原理圖

A、B為對稱振子的兩個臂，饋以電流后輻射電磁能量；D為支撐桿，內含導體并作阻抗變換器給振子饋電，但此電流是不平衡的，還應轉換為平衡饋電；C為陷波器（虛線示意有防水密封盒），就是起作平衡與不平衡轉換作用。從E點向上看去，輸入阻抗設計為100Ω，該輸入阻抗通過阻抗變換器D與振子輸入阻抗相匹配，同時與另一半振子在E點并聯后形成為單片天線的標準接口輸入阻抗50Ω。從接口輸入內導體的電流在E點流向振子端口，因振子B內開路線長λ/4，相當于工作頻率電流在振子輸入端口呈現短路而直接送到振子B上，最終在振子上形成電流分布輻射電磁能量。

3　單片天線技術參數

（1）頻率范圍：87.5～108MHz

（2）功率容量：2.5kW

（3）天線增益：7.5dB（相對半波偶極子）

（4）極化方式：水平極化

（5）電壓輸入駐波比：調頻18MHz帶寬內，S≤1.10； 21MHz帶寬內，S≤1.12。其反射損耗特性曲線如圖3：（測試所使用儀器為天津德威公司DS7110A標量網絡分析儀）。

圖3　反射損耗特性曲線圖

（6）天線方向性

假設反射板是無窮大的理想導體平面，根據鏡像原理可求得天線水平方向性（E面）為：

天線垂直方向性（H面）為：

式中：l為半波振子一臂的長度；

H為振子與反射板的距離；

S為相鄰振子之間的距離。

β為相位常數，β=2π/λ

實際上，反射板為有限大小平面，振子輻射在反射板邊緣處存在著繞射場，這也是天線存在后瓣的原因。實測主瓣與計算基本相符，副瓣誤差約0.5～1dB。在E面，半功率夾角約為73°；在H面，半功率夾角約為57°。單片天線輻射場形圖如圖4。

圖4　單片天線輻射場形圖

天線水平場形經實驗測試后也可用一數學函數式近似模擬

為：FE（θ）=cos1.5θ

通過計算機計算并繪出天線水平垂直輻射場形圖如圖5。

圖5　天線水平垂直輻射場形圖

圖6

圖7　多層天線垂直場形圖

4　寬帶雙偶極子反射板天線的應用

單片天線具有一定的方向性，但通過天線組陣可以方便地組合成各種所需的任何水平場形，以滿足覆蓋服務區的要求。下面給出幾種典型組陣方式的水平方向性圖及垂直場形圖（見圖6），以供參考。

實際運用中通常采取塔上四層四面安裝。系統采用二次相位補償饋電方式，并要求天線在塔上偏置約0.16λ（480㎜）安裝。其安裝饋電示意圖如圖8。

圖8　安裝饋電示意圖

四面天線系統水平方向性可用下式計算（圖9）。

圖9

在第一象限0°＜Φ＜90°有：

d為塔寬的1/2；

通過計算機計算四層四面天線在

0°～360°四個象限內的水平方向性圖

（E面）如圖10所示：

由于塔寬條件限制，天線偏置量取到x=0.16λ=480㎜時，可滿足水平方向性圖不圓度＜±3dB。

圖10

H面（垂直面）方向圖。

每一塊二偶極子板天線單元看成有定向性的點源來代替，四層天線的層間距為S，豎直排列如圖11。

圖11

各層天線振子等幅同相饋電。如采取電氣波束下傾，則上三層電流同相位，最下層饋電電流滯后一個角度δ（一般為-40°），且等幅饋電時有I1=I2=I3=I4。因此，四層天線系統垂直場形可按下式計算。

式中：D—一塊板中二偶極子之間的距離（0.5λ）；

△—從天線 之法線方向量起的垂直面的仰角；

f。（△）—二偶極子板天線單元在H面的方向性函數。

通過計算機計算四層天線垂直場形（H面）如圖12所示。

圖12

圖13

調頻寬帶雙偶極子反射板天饋線系統一般采用四層四面偏置安裝，并通過二次相位補償饋電，系統經過實際測試，反射損耗在調頻87.5～108MHz范圍內為：駐波比S＜1.10，即系統電壓輸入駐波比達到廣播電影電視部GY/T-5051-94甲級標準，滿足調頻全段內多工（多頻點）使用要求。圖13是使用德威DS7110A標量網絡分析儀測試的某四層四面天線系統的反射損耗特性曲線，駐波比技術指標調頻全頻段內到達甲級。

因此寬帶雙偶極子反射板天線在調頻大功率多工系統中顯示出它的優越作用。