定向短波天線分析

張 華

（作者單位：四川省廣播電視局若爾蓋臺）

改革開放以來，我國廣播電視事業迅速發展，廣播電視通過有線傳輸、無線發射及衛星傳輸等技術手段進行傳播，聽廣播、看電視成為人民群眾了解黨和國家的路線方針政策、國內外大事、學習科學技術、文化娛樂的重要方式。特別是近年來隨著媒體融合高速發展，5G傳輸網絡，4K、8K高清電視等更加深入融入百姓日常工作生活，智慧廣電走進了千家萬戶，成為人們生活中不可缺少的部分。同時，廣播電視作為黨和政府的喉舌，是重要的思想文化傳播陣地，是宣傳、弘揚黨和國家的路線方針政策、中華文化的重要手段。隨著人民群眾對精神文明以及廣播電視的需求迅速增長，各級政府、各級廣播電視機構均加大了對廣播電視事業和新聞媒體建設的投入，無線覆蓋傳輸發射臺從原來單一功能向多功能綜合性發射傳輸臺發展。無線覆蓋是廣播電視提供基本服務的手段，也是有線傳輸無法覆蓋區域的技術補充，更是各級政府為人民群眾提供公共文化服務的重要組成部分，短波覆蓋也成為部分臺站特有的職能職責。

1 定向短波天線分析

短波垂直極化地面波天線廣泛用于無線發射轉播臺，由于單個天線增益只有3～3.7 dBi，在發射機功率為2 kW時，對抗敵臺有效半徑為3～8 km（敵臺信號場強值根據高原測試結果最大設為70 dBμV/m）。因此，在城市區域，為提高覆蓋效果，有時需要考慮采用定向天線發射節目頻率，垂直極化地面波短波天線實現定向有兩種方式，即無源定向和有源定向。無源定向即是在單個源天線旁樹立反射條和引向條形成八木天線式的定向天線，當單元增加時可取得較高天線增益，三單元天線增益約為5～9 dBi，但這種方式的增益帶寬較窄，約為2 MHz，適合固定頻率發射；有源定向就是將兩個單源天線饋以相差90°的饋電，實現定向天線發射，此種方式可以獲得5～10 dBi增益，增益帶寬較寬約＞10 MHz。

無源定向可設計有較高天線增益，但頻帶窄、建設場地大、成本較高；有源定向雖然增益提高只有2～4 dBi，但頻帶較寬、更便于實施。通過理論計算分析后，可建議采用有源定向天線，天線增益增加2～7 dBi，將增加對抗作用距離約3 km以上，作用距離以單個12 m天線為參考，按照70 dBμV/m為邊界場強值計算。

2 計算原理

本文將通過天線仿真分析系統軟件MMANA-GAL和FEKO對3款天線進行天線場型、阻抗特性、駐波比特性和增益特性的理論仿真計算，總結和分析出3款天線的優勢。

2.1 阻抗特性計算原理

天線特性阻抗是指電流在傳輸線中電壓振幅和電流振幅之比。特性阻抗是由天線的電導率、電容以及阻值組合后的綜合特性。天線的特性阻抗取決于天線的尺寸、結構、導體間的距離以及絕緣材料等物理參數。傳輸電纜標準匹配阻抗一般取值為50 Ω或75 Ω，在廣電常用天線的設計中，發射頻率的特性阻抗應與傳輸電纜的標準匹配阻抗相匹配。

天線特性阻抗計算公式為：

式（1）中，Rin為輸入電阻，Xin為輸入電抗。

天線輸入阻抗是指天線饋電點呈現的阻抗值。它直接決定與饋電系統的匹配狀態，從而影響饋入天線的功率及饋電系統的效率等。天線的輸入阻抗取決于天線本身的結構與尺寸、工作頻率以及鄰近天線周圍物體的影響等。一般通過近似值計算和工程試驗來確定（阻抗網絡分析儀測試）。

輸入阻抗、輸入電壓和電流的關系同式（1）。

2.2 增益特性計算原理

增益（G）是發射天線在最大輻射方向上某空間點的電場功率（E1）密度與標準天線理想狀態下點電源（E0）的電場功率密度之比：

增益（G）還可以表示為標準天線理想電源（Pin0）輸入功率與發射天線輸入功率（Pin1）之比，前提條件為在某一方向、某一點產生了相等的電場強度。即增益（G）的計算公式也可表示為：

在相同輸入功率條件下，天線在最大輻射方向上某點產生的功率密度（或）與理想點源（效率100%）在同一點處產生的功率密度之比：

應注意與方向系數的區別，方向系數是從輻射功率出發的，而增益系數則是以輸入功率作為參考點，即G=DηA，其中D表示天線效率，DηA表示方向性。當天線效率為1時，天線的增益系數就是該天線的方向系數。阻抗特性及增益特性理論計算示意圖，右圖為理論計算值，如圖1所示：

圖1 阻抗特性及增益特性理論計算示意圖

3 無源定向天線

以三單元無源天線模型為例，通過在幾何中心頻率10 MHz，范圍5～18 MHz的計算，綜合比較后得出結論：在10～11 MHz頻率帶寬范圍內可用。

3.1 場型分析

在中心頻率10.3 MHz時的場型圖，從左到右依次為3D場型圖、水平場型圖和垂直場型圖，如圖2所示。

圖2 場型圖

3.2 阻抗特性及駐波比特性分析

3.2.1 阻抗特性

通過天線仿真分析系統軟件MMANA-GAL進行理論計算，設置中心頻率為10.3 MHz，阻抗曲線計算范圍為10.26～10.46 MHz，即在0.2 MHz的區間內，Rin的計算值范圍為52～60.5 Ω，匹配值為50 Ω的點在10.3 MHz。

設置中心頻率為10 MHz，阻抗曲線計算范圍為1～19 MHz，即在18 MHz的區間內，Rin在10～11 MHz 最佳。

3.2.2 駐波比特性

通過軟件將理論計算得出的阻抗值進行換算后，得出在10.26～10.46 MHz內，駐波呈V字型。在10.3 MHz處，駐波值SWR最低，為1.0。在1～19 MHz內，SWR在10～11 MHz最接近于1.0。

3.3 增益特性分析

經理論計算，在10.26～10.46 MHz內，增益G的取值范圍為8.13～8.25 dBi。在10.3 MHz處，增益為8.17 dBi。增益分析理論計算，如圖3所示。

圖3 增益分析理論計算圖

4 有源定向天線

以高12 m直徑2 m的筒線天線模型為例，通過在幾何中心頻率14 MHz，范圍5～21 MHz的計算，綜合比較后得出結論：在5～21 MHz頻率帶寬范圍內適用。計算結果值如下。

4.1 場型分析

在中心頻率14 MHz時的場型圖，分別為3D場型圖、水平場型圖和垂直場型圖。

4.2 阻抗特性及駐波比特性

（1）阻抗特性：通過天線仿真分析系統軟件MMANA-GAL進行理論計算，設置中心頻率為14.1 MHz，阻抗曲線計算范圍為14.05～14.25 MHz，即在0.2 MHz的區間內，Rin的計算值范圍為3.2～3.9 Ω，阻抗特性曲線呈直線上升的趨勢。

阻抗曲線計算范圍為4.15～24.15 MHz時，Rin的計算值范圍為10～170 Ω。

（2）駐波比特性：通過軟件將理論計算得出的阻抗值進行換算后，得出在14.05～14.25 MHz內，SWR的計算值范圍為12.2～16.1，駐波呈直線上升的趨勢。在5～21 MHz絕大部分的頻率的SWR在4左右。

天線阻抗及駐波比特性理論計算，如圖4所示：

圖4 天線阻抗及駐波比特性理論計算圖

4.3 增益特性分析

經理論計算，在14.05～14.25 MHz內，增益G的取值范圍為17.3～17.8 dBi。增益分析理論計算。如圖5所示：

圖5 增益分析理論計算

5 紡錘形短波天線

當以12 m紡錘形短波天線模型為例，通過在幾何中心頻率10 MHz，范圍5～21 MHz的計算，綜合比較后得出結論：在10～19 MHz頻率帶寬范圍內適用。計算結果值如下。

5.1 場型分析

通過天線仿真分析系統軟件FEKO進行理論計算，分別將中心頻率設置為5、10、19和21 MHz進行計算。從場型上看，21 MHz時，波束上翹，形成天波，不利于覆蓋，因此不可選用。在5、10和19 MHz處，天線以地面波傳輸，可選用。如圖6所示。

圖6 場型分析

5.2 駐波比特性分析

從駐波比特性圖來觀察，10～19 MHz的駐波值最佳，因此該天線可在10～19 MHz頻率帶寬范圍內適用。如圖7所示。

圖7 駐波比特性分析

6 結語

本文通過天線仿真分析系統軟件理論計算了3款短波天線的物理特性，充分展示了各類天線的優勢所在。但在實際場景中，為了保證無線發射轉播臺短波頻率的覆蓋效果，還應綜合發射臺場區建設情況、發射機房情況、臺站地理位置、臺站周邊地理環境、覆蓋受眾情況等因素作出分析和判斷，并選定天線形式。利用天線仿真分析系統軟件和場強覆蓋軟件開展實際場景的仿真計算分析，模擬實際覆蓋效果情況，以求最大化服務受眾需求。