圓極化天線在調頻廣播中的應用

張志昊

（福建省廣播電視傳輸發射中心一〇一臺，福建 福州 350001）

1 研究背景

如今，移動收聽廣播節目是受眾主要的收聽方式。我國的廣播業務頻段通常分布在UHF頻段，受限于原有的接收天線長度等一系列因素，終端天線瓶頸難以突破，發射端的天線技術仍存在巨大的發展空間。目前，國內只有少數地區進行了針對線極化與圓極化天線在FM和DTMB系統的對比測試[1]，尚沒有相應的技術標準。但目前開展相關研究的機構根據測試數據對比給出的報告顯示，圓極化發射天線的覆蓋效果普遍優于線極化天線。因此，進行圓極化天線的技術研究，也是廣播電視發射臺站一種技術嘗試。對于覆蓋效果提升，福建省廣播電視傳輸發射中心一〇一臺（以下簡稱臺站）目前面臨以下問題。

（1）臺站地處福州市中心烏山頂，現有70 m發射塔一座，塔上架設兩幅垂直極化調頻發射天線，由于地理環境原因，無法加高發射塔。

（2）由于城市建設的不斷擴容，居民生活居住地離市中心不斷變遠，居民在路上的通勤時間變長，移動收聽成為受眾主要的收聽方式。特別是臺站播出的調頻三個頻率節目，是有車一族必聽的廣播節目。

（3）隨著城市建設的加大，建筑物高度和密度不斷增大，給聽眾收聽質量帶來了很大的干擾。臺站的三個頻率節目都是滿功率播出，受這一條件的限制，發射功率不能再加大。

（4）隨著福建省應急廣播項目的實施，其在現有的調頻廣播發射機中穿插了應急信號，當有需要在社會層面及時播出緊急信息時，直接切斷原有廣播節目，插入播出應急信號，這就對臺站的廣播覆蓋面及強度有了更高的要求。

為此，臺站必須進行技術改造，在現有發射條件下，從發射天線改造出發，利用現有設備改造發射天線，提升覆蓋半徑，增強抗干擾性，提高收聽效果。

2 理論研究及技改方案選擇

圓極化電磁波具有兩大特點，分別介紹如下。

（1）圓極化波可以分解為兩個相位相差90°的等幅正交線極化波，兩個線極化波形成一個等幅旋轉場。如圖1所示。

圖1 圓極化波

圖1中，Ex是水平電場強度，Ey是垂直電場強度，其相位相差π/2；Ε為合成電場強度矢量的瞬時值，ω為角頻率。E0為合成電場強度，合成電場強度瞬時值的表達式為

在XOY平面，當水平方向和垂直方向電場強度相等時：

因此，水平振子與垂直振子合成矢量Ε的大小不變，其空間指向則以角頻率ω在XOY平面上作等角速度旋轉，即形成圓極化電磁波，矢量Ε端點的軌跡為一圓，由于Ey滯后于Ex，故為右旋極化波（如圖1所示）；反之，為左旋極化波。兩個方向電場所合成的矢量大小是不會隨著移動軌跡發生改變的，矢量端點的運動軌跡是一個圓形[2]。

（2）圓極化波抗干擾特點。圓極化波在傳播過程中，能在遇到的物體表面形成與入射波旋級左右相反的反射波。反射波不能被接收天線接收，所以具有很強的抗多徑干擾和抑制雨霧干擾。這對提高接收能力具有很好的效果。

基于以上特點，可以將圓極化天線的優點歸納如下。

（1）圓極化天線所發射的極化電磁波可以被線極化天線接收到，對于接收端來說不需要改變接收天線，相同口徑的垂直極化天線改為圓極化天線后，信號的平均場強沒有降低。

（2）圓極化波的電場矢量是不斷旋轉的，其優點是能有效地降低由于信號的多路徑反射而造成多徑衰落的影響[3]。

（3）圓極化天線受安裝塔體影響小。實測數據表明，發射天線指向方向和塔體遮擋的背面方向的傳播距離相差不是很大，比垂直極化天線受塔體的影響小。

（4）圓極化波具有很強的抗干擾能力，能顯著地改善接收端的信噪比，提高信號質量，降低誤碼率。在室內及地下室等諧波干擾嚴重的環境下，圓極化天線能夠更好地保證發射信號得到更好的接收，在廣播領域的應用非常值得推廣。

由此，臺站從當前實際情況及資金、可行性等一系列的因素考量，通過使用電磁波仿真軟件（HFSS）進行天線覆蓋電磁波仿真，最終確定對原有的四層垂直極化天線進行改造，撤換成國產自主產權的單面八層圓極化天線（FM圓極化全向天線IF45）作為技改方案。

3 技改方案實施

技改方案的實施，主要包括以下步驟。

（1）拆除原有4層垂直極化天線，并將UHF數字電視偶極子天線下移，加裝8層魚刺式振子結構的全向圓極化天線，如圖2所示。

圖2 實際安裝圖

（2）圓極化天線采用魚刺式振子結構，懸掛于桅桿的側面，有一對垂直振子，大大降低了金屬桅桿對場形的影響，使得水平方向的覆蓋圓圖接近于正圓的橢圓形。通過調整桅桿的大小和距離，也能對覆蓋場型進行調整，如圖3所示。

圖3 單個振子

（3）安裝桿與桅桿以及安裝桿與振子之間的距離可以在0.2λ～0.7λ范圍內進行調整，本方案設計安裝桿和桅桿之間為0.32λ，安裝桿和振子之間為0.5λ，如圖4所示，可以使得覆蓋場形接近于任務覆蓋區的區域形狀，如圖5所示。

圖4 安裝示意圖

圖5 對應場形圖

（4）8層單面全向天線的增益為9.5 dBd，水平場形不勻度小于±3 dB，帶寬達到10 MHz以上，每項技術指標均符合國家行業標準。

4 技改后覆蓋效果場強路測

為了測試技改后的效果，臺站組織技術人員分別于2020年11月天線改造前、2021年4月天線改造后以及2021年11月三個時間點，對三個播出頻率（88.3 MHz，91.8 MHz，98.7 MHz）的場強覆蓋進行了測試。

4.1 路測條件

本次路測，使用天津德力電子公司的S7000設備做為路測工具，利用車載的方式進行路測。三個播出頻率全部滿功率播出，88.3 MHz的功率為1 kW，91.3 MHz的功率為5 kW，98.7 MHz的功率為5 kW。

以臺區為中心，前兩次測試沿著福州市三環道路進行測試，測試路程達到110 km左右，已經超過了臺站覆蓋的任務區間。第三次測試以臺站覆蓋任務區福州市二環道路進行測試，測試路程為60 km左右。

隨車使用德生收音機進行人工收聽，用耳朵聽力判斷。場強在30 dBμV以下時，雜波較多，影響收聽效果；在30～40 dBμV區間，能正常收聽節目；場強超過40 dBμV以上，能完全清晰地接聽到廣播節目。

4.2 測試結果

三個播出頻率地場強覆蓋都有顯著提高。現以88.3 MHz為例進行說明。改造前，88.3MHz的信號強度統計如圖6所示。

圖6 88.3 MHz改造前的信號強度統計圖

改造前，對88.3 MHz測試，共采集樣本點11 188 個，測試總路程為110.53 km，測試樣本的平均信號強度為41.15 dBμV。比重最大的是（40.00，50.00]區間。信號強度在40 dBμV區間以上的樣本點數占比為47.98%。

改造后，共采集樣本點11 838個，測試總路程為119.69 km，測試樣本的平均信號強度為50.08 dBμV。 比重最大的是（50.00，60.00]區間，信號強度在 40 dBμV區間以上的樣本點數占比達到73.14%，如圖7所示。

圖7 88.3 MHz改造后信號強度統計圖

2021年11月，再次對任務覆蓋區福州市二環內進行第三次測試，測試總路程為60 km，測試樣本點的平均信號強度為66.736 dBμV，其中比重最大的是[70.00，80.00]區間，信號強度70 dBμV區間以上的樣本點數占比達到84.4%。收測指標證明，覆蓋效果完全達到設計標準，也完全優于天線改造前的效果。特別是在室內及隧道的改善特別明顯。效果對比如表1所示。

表1 室內及隧道收聽效果對比表

基于以上測試結果可判定，本次對于天線的圓極化改造達到了預期效果。

5 技改經驗總結

使用垂直極化天線發射時，由于多徑反射，會出現某些場強足夠的城市路段聽起來效果不好的現象，有滋啦聲等雜音[4]。改為圓極化天線后，電波在城市樓群產生的多徑衰弱影響大大降低，實測具體表現為聲音幅度穩定、聲音還原度高，聲音質量非常好。

圓極化波具有較強的繞射能力，對于建筑與收測距離相對較近、高度與橫亙寬度相對較小的山丘遮擋造成的影響有明顯削弱。用垂直極化天線發射時，這些路段場強較低，收聽時聲音背景噪聲較大。改為圓極化天線后，這些路段收聽聲音良好，背景噪聲大幅降低。

圓極化波穿透能力強，在商場和某些地下車庫及隧道，圓極化天線發射較垂直極化發射有很大改善，覆蓋范圍也明顯擴大[5]。

6 結 語

本文詳細介紹了圓極化天線在調頻廣播中的實際應用，通過采用圓極化天線替換原有垂直極化天線，在不改變發射機現有條件下，提高了天線覆蓋場強，增強了抗干擾能力，保證了廣播電視發射臺站的播出效果。本項目選用國內使用較少的圓極化發射天線作為技改措施，是一種大膽的嘗試。隨著將來廣電行業5G技術的廣泛應用，本次嘗試將為臺站將來適應技術發展提升打下基礎。