圆极化调频天线的设计与建设

冯洁 靖江广播电视台

1.引言

调频发射天线是无线电收发系统中，向空间辐射或从空间接收电磁波的装置。它把馈线传来的电信号转化为无线电波发射到空间或收集无线电波产生电信号。天线实质上是一个换能器，它把高频电流形式（或波导形式）的能量转换为同频率的电磁波能量。根据电场分量的方向，天线分为线极化和圆极化天线。线极化分为水平极化与垂直极化。常用的调频广播水平极化发射天线有双环天线、蝙蝠翼天线和双偶极子天线；常用的垂直极化发射天线有单偶极子和双偶极子；圆极化发射天线有单面多层布阵和四面多层布阵两种。对广播电台而言，天线的性能直接影响电台的播出质量和服务范围。因此，需正确选择和设计发射天线。

2.我台调频广播的现状

我台调频广播的现状如下：

（1）我台处于苏北沿江平原地区，广播电视台铁塔的高度受诸多因素的限制，线极化方式调频天线安装位置，受到天线的尺寸大小和铁塔外形的限制，难以挂高，128米高铁塔，调频天线挂高只能在80米处。

（2）调频广播车载收听人群、 随身携带收听的中老年人成为调频广播收听的主要群体。

（3）城乡一体化的发展，高层建筑越建越多，越建越高，影响了广播信号的传播。

（4）道路绿化，树木密集，造成信号多径衰落，导致对行进中的接收信号的干扰较为明显。

以上四点，导致调频广播在视距内，满足收听要求的半径变小，收听盲区变多，移动接收效果变差。并且，由于我市行政区域呈现东西长，南北短的蚌壳形，东、西边远地区难以正常收听调频广播。

3.无线电波圆极化原理

在空间正交（水平和垂直）的一对天线振子，馈以相位差为90°的等幅电流，此时的电磁波形成圆极化波。

图1中，Ex为水平振子的电场，Ey为垂直振子的电场，Ex与Ey相位相差π/2，合成电场矢量的瞬时表达式为：

图1 圆极化原理

这是一个向+Z方向传播的平面波，在XOY平面 当Ex与Ey振幅相等，Ex=Ey=E0时，则有：

因此，水平振子与垂直振子合成矢量E的大小不变，其空间指向则以角频率ω在XOY平面上作等角速度旋转，形成圆极化电磁波，矢量E端点的轨迹为一圆。由于Ey滞后于Ex，故为右旋极化波（见图1），反之，为左旋极化波。

圆极化波在垂直方向和水平方向都具有等效各向同性辐射功率。早在上世纪70年代，美国、德国等有关研究机构，就对线极化及圆极化波进行过测试比对，证实了圆极化天线具有以下优点：

（1）穿过障碍物（即绕射）能力较线极化波强，传播距离远。

（2）能有效抑制由反射引起的多径衰落现象。

圆极化波在欧美广播电视领域已广泛应用，尤其是美国，90%以上的调频广播台都采用圆极化波进行覆盖。由于线极化天线的生产技术成本的优势及当时的国情，我国在六七十年代从国外引进了线极化天线。近年来，少数省台已在广播发射领域采用圆极化天线进行传输覆盖。

4.调频发射天线选型

目前，我台使用的四层四面双偶极子天线已使用十年，四层四面双偶极子天线是目前使用最广泛的天线类型，双环天线、蝙蝠翼天线因为各种原因，已被淘汰。经过反复对比分析，我台最终采用了具有自主知识产权的国产单面六层圆极化天线。其性能特点如下：

（1）国产天线价格较进口天线要低，与正常四层四面线极化天线价格大抵相当。

（2）技术已达到国际水平。

（3）无论铁塔桅杆上有没有分米波天线，单面调频天线都可以侧挂在桅杆上。相比现有带反射板或四面多层的天线，单面六层圆极化天线挂高升高约20米，大大提高了覆盖视距范围。

（4）单面六层圆极化天线增益达到8.5dBd，水平场形不均匀度：＜±3dB，带宽达到10M以上，其余各项指标均附合要求。

图2 天线单元

图3 天线水平面方向性图

图4 垂直面场强测试

图5 垂直面场强测试

图6 安装示意图

图7 对应的场形图

5.圆极化天线的设计与安装

5.1 天线设计

由于天线必须悬挂于桅杆（塔身）的侧面，对于圆极化天线，存在一对垂直振子，塔身必将产生电磁散射，从而影响天线的辐射场形，随着桅杆的大小、相对距离的变化，覆盖场形呈现无规律严重畸变。

所以，常规振子结构的天线，难以形成圆形（或椭圆）覆盖场形。这是个关键问题，解决与否，直接影响工程的成败。为此，我们多次与供货方技术人员反复商讨，运用计算机仿真，确定采用鱼刺式振子双V型结构，通过改变振子外形，大大降低了金属桅杆对场形的影响，使得水平方向的覆盖圆图接近于正圆的椭圆形（此天线空间结构，已申请了知识产权）。

根据桅杆的尺寸大小，再次通过模拟与仿真，调整天线与桅杆的距离与相对位置，实现了覆盖场形接近于本行政区域形状的理想效果。

5.2 天线安装

经过计算机优化设计，在铁塔桅杆、安装杆、天线垂直振子相对位置满足相应条件时，对应的场形接近于我市行政区东西略长的蚌壳形外形。

6.覆盖场强测试

2017年3月和6月，靖江广播电视台技术人员使用NI-1000广播信号综合测试仪进行实地测试和主观收听效果的收听。测试分三组路线进行测试：东北线-深海高速南通至海安段，启扬高速海安至姜堰段；中线-沪陕高速南通到江都段，京沪高速无锡至姜堰段；西南线-沪宁高速丹阳至无锡段，锡通高速无锡至张家港段。

经现场测试，靖江FM102.4得到覆盖场强等势图和区域覆盖图。

图8 覆盖场强等势图

7.结束语

（1）改造后的天线场强，场形正常，呈东西略长的椭圆形。收听半径范围比原天线扩大了十五公里，有效覆盖半径能够达到35公里以上。

（2）实际收听效果。原来收听区域不佳的本市东片西来地区，收听效果明显改善，音质良好无噪声。东西两边的某些边缘阴影区域，收听不良现象明显消失。

（3）移动接收。特别是车载收音机，效果明显改善，断音、重音等现象明显消失。信号穿透力显著增强，在一些大型商业广场的地下停车库，可以收听到良好的音质。

综上所述，本次调频发射天线的圆极化技术升级改造达到了设计效果。

[1] 电磁场工程基础，林志瑗 杨铨让 沙玉钧合编，高等教育出版社 ISBN 7-04-000330-8/TM-49