武夷山广播电视发射天线场型覆盖优化的仿真分析

徐建炳

（作者单位：武夷山广播电视台）

武夷山广播电视发射天线场型覆盖优化的仿真分析

徐建炳

（作者单位：武夷山广播电视台）

随着地面数字广播电视的发展，为保证广播电视发射设备正常运行，发射天线系统的性能起着至关重要的作用。本文对广播电视发射天线场型覆盖优化进行研究，利用电磁软件HFSS仿真分析了天线的方向性图赋形，提出了天线水平面方向性图圆度控制和垂直面方向性图波束下倾及零点填充的实现方法，对于合理选择天线形式和空间布局，优化配置天线的波束覆盖具有重要意义。

广播电视；发射天线；方向性图赋形；波束下倾

随着人们生活水平的提高，对广播电视信号传输质量要求也不断提高，人们希望获取更加清晰、稳定和快捷的个性化服务，这就需要加强无线发射技术应用。发射天线作为无线发射系统的最末端部件，其性能将直接影响到所传输广播电视节目的效果与质量。在广播电视系统中存在不够重视研究发射天线的问题，致使天线系统中普遍存在一些问题，造成了覆盖场形不尽如人意，必须良好收视的区域却收不好，甚至收不到广播电视节目信号。利用计算机软件对方向性图进行处理，得到天线场形的可视化结果，这对利用天线布阵，进行科学覆盖规划及最大限度地利用天线场型达到覆盖目的具有十分重要的作用。

1　广播电视发射天线概述

随着地面数字广播电视的发展，实施无线数字化覆盖工程，为广大人民群众提供质量更高、种类更多的广播电视节目，将会大大提升广播电视公众服务水平，是利国利民的大好事。福建省新闻出版广电局根据国家新闻出版广电总局、财政部《关于实施中央广播电视节目无线数字化覆盖工程的通知》精神，将黄石头山发射台作为南平地区电视节目无线数字化覆盖工程的试点发射台，要求在发射塔上新增2个频道的数字电视频道节目。为此，必须改造现有的天馈线系统，以改善广播电视发射天线对服务区的覆盖场形。

广播电视发射台的天馈线系统主要由多工器、馈线、功分器和发射天线等设备组成。在天馈线系统改造方案确定后，就要在合理选择天馈线设备的同时，根据广播电视服务区范围和发射塔的相对位置，使用天线场形赋形技术，确定最适合服务区需要的天线水平面方向性图；并通过计算机等辅助设备及其配套软件优化设计天线系统的天线垂直面方向性图，合理利用电波能量，妥善解决波束下倾和零点填充两个关键技术问题。

分米波段四偶极子宽带数字电视发射天线是根据数字电视发射特点而设计的新型电视发射天线，如图1所示。

图1　四偶极子电视天线实物

该类型天线不仅具有频带宽、损耗低、增益高的特点，而且可以根据发射台服务范围的需要，很容易地组合成具有所需形状的水平面场型的发射天线阵，并可以将其安装在小截面的正方形或圆形发射塔直线段或者桅杆的侧面。垂直极化和水平极化是天线的两种基本极化方式。水平极化天线具有良好的远区场强分布，在同样的发射功率下可以覆盖更大的范围，所以基本采用水平极化的发射天线。

2　广播电视发射天线场形仿真优化

本文以水平极化四偶极板天线为单元天线，通过在垂直面上增加多层单元板组成天线阵以提高天线增益，并通过在发射塔的四面布置不同数目的单元天线，以实现辐射的全向性及需要的波束形状。现以三层四面分米波全波段四偶极板发射天线为例进行分析，天线阵HFSS仿真模型如图2所示。

图2　天线阵HFSS仿真模型

为了既覆盖好需要服务的区域，又要避免同频、邻频的干扰，就需要对电视发射天线的水平面方向性图进行赋形设计。另外，为了解决增加天线单元板层数，出现邻近发射塔的地区将形成零辐射环带，减弱覆盖场强，直接影响收视效果的问题，就需要对电视天线的垂直面辐射方向性图进行赋形设计。

图3　水平面辐射的方向性图

图3给出了不同塔宽情况下，水平面方向图的仿真分析结果。从图3中可以看出，分米波四偶极板发射天线的水平面间距1m和0.7m都能实现全向性辐射，但水平面辐射的方向性图不圆度却明显改变。另外，水平面天线的方向性图控制还可以通过天线的正置、偏置、斜置安装的方式，详见参考文献，此处不再赘述。

多层天线排列时，在等幅同相馈电的情况下，垂直方向性总是要产生零点。通常采用对各单元天线不等功率和线性移相的馈电方法，来达到零点填充的目的，这样势必要有一套相当复杂的硬馈系统。实际工程中，为了降低成本，通过采用机械下倾的方法，改变不同层单元天线的倾斜角度，就可使垂直面的波束下倾，同时对波瓣的零点进行填充。图4为最上层单元天线采用机械下倾10°和各层均未采用机械下倾时的方向性对比图。从图4中可以看出对最上层采用机械下倾后，主瓣位置下倾偏移，同时方向性图的零点被填充。因此，可根据实际需要，通过软件仿真进行波束倾斜角度和零点填充的优化设计，把问题解决在施工安装之前。

图4　垂直面辐射的方向性图

图5　不等功率分配水平面辐射的方向性图(南40%，东西北各20%)方向：上北下南

3　武夷山黄石头发射台电视发射天线场形仿真优化

武夷山市东连浦城，南接建阳，西临光泽，北与江西省铅山县毗邻。全境东西宽70km，南北长72.5km。武夷山市境内东、西、北部群山环抱，峰峦叠嶂，地广人稀；中南部较平坦，为山地丘陵区，是居民、村民密集居住区。黄石头山发射台（海拔882m）西面和北面距江西省的最近距离分别是22.5km和18km，南面距兴田镇约34.6km，东北面距浦城腾云尖发射台约42km。如果按照标准的等功率分配发射，则在南面居民、村民密集居住区电视信号覆盖场强将不足。如果更改天线阵设置方式，又有可能出现不好的副瓣场型，且不利于四偶极子天线的安装。知道使用天线阵发射时，一般均采用等功率分配激励到天线振子上，如果采用不等功率分配方式激励天线振子是否能有好的效果。图5是用仿真软件采取东西北各20%南面40%不等功率分配方式激励取得的仿真图。

从增益方向性图可以看出，南方能量更为集中，符合地区覆盖分布。通过不同的架设间距可优化赋形水平面方向性图场强覆盖。

4　结论

随着数字广播电视的普及，天馈线系统的改造和更新成为必然。在实际工程中，可预先利用天线理论结合实际环境边界建立电磁仿真模型，利用计算机对天线场型进行处理，得到最优结果。仿真分析调整天线阵的参数以获得较好的水平和垂直辐射特性，指导工程安装应用。计算机仿真结果与实际测试结果基本吻合，在实际中发挥了很大的作用，为高山发射台实施无线电视数字化覆盖工程提供了可借鉴的改造思路。

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