关于FM广播天线系统方向图赋形设计的研究.pdf
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1、广播与电视技术 2023年 第50卷 第6期107Wireless Coverage 无线覆盖传输覆盖关于FM广播天线系统方向图 赋形设计的研究【摘 要】本文从阵列天线方向图的设计出发,分别对调频发射天线系统的水平面及垂直面的方向图赋形技术展开研究,提出了多种方向图赋形的技术方法,不仅可以提升天线系统的技术保障能力,同时也可以达到节能增效的目的。【关键词】广播天线,方向图,赋形设计【中图分类号】TN834.3 【文献标识码】B 【DOI编码】10.16171/ki.rtbe.20230006019【本文献信息】刘敏.关于FM广播天线系统方向图赋形设计的研究J.广播与电视技术,2023,Vol.
2、50(6).Research on the Beamforming Techniques of FM Broadcasting Antenna SystemLiu Min(China Media Group,Beijing 100866,China)Abstract Starting from the design of the antenna array pattern,this paper studies the beamforming techniques of the FM transmitting antenna system in horizontal and vertical p
3、lanes respectively,and proposes a variety of beamforming algorithm,which can improve the technical support capability of the antenna system,save energy and increase efficiency.Keywords Broadcasting antenna,Pattern,Beamforming techniques刘敏(中央广播电视总台,北京 100866)0 引言调频广播作为传统广播业务,在传播信息、舆论监督、应急广播等公共服务方面发挥重
4、要作用。在私家车日益普及的今天,车载调频广播成为人们出行的好伴侣,同时也成为受众了解国内大事、参与文化娱乐的方式之一。随着城市建设的快速发展,城区面积不断扩大,同时在某些区域和方向上有了重点发展,原有天线系统覆盖范围已无法满足正常的收听需求,对此可以通过调频天线阵列方向图的调整来完成对城区重点区域的增强覆盖。另外,面对日益发展的新媒体冲击,节能增效也是调频广播各个台站需要考虑的首要问题,在降低发射机输出功率等级的情况下,天线系统方向图赋形可以通过牺牲次要方向的方式来保证重点区域的覆盖效果,尤其适合地处城区周边的发射 台站。1 阵列天线方向图阵列天线作为一种组合的天线形式,相比于单个天线单元,其
5、具有可实现多波束、高增益、低副瓣以及某一个特定波束等特点,能很好地满足特定工作环境下的任务需求。阵列天线把多个具有相同尺寸及结构形式的天线阵元,按照某一拓扑形式排列,根据干涉叠加原理,使所有单元的辐射方向图在自由空间中进行叠加或抵消,最终形成特定波束的方向图。阵列天线具有比单个天线更高的自由度,方向图不仅取决于辐射单元的类型、数目和辐射单元空间排布规则,还取决于各个单元馈电的幅度和相位。这些因素都决定了阵列天线最终的辐射方向图。由叠加定理演化出来的乘积定理可以很好地解释单元与阵列的方向图构成方式。如果设天线阵的场强方向图函数为 f(,),则一种简化的乘积定理可以表述为:广播与电视技术 2023
6、年 第50卷 第6期108无线覆盖 Wireless Coverage传输覆盖|f(,)|=|fl(,)|*|fa(,)|式中,fl(,)为天线单元的方向图函数,只与天线单元的结构和尺寸因素有关,称为单元因子,简化过程中忽略了单元的不一致性;fa(,)为阵列天线的阵因子,与天线单元的馈电幅相、空间排布和单元个数有关,与单元类型无关,通常使用中也用 AF 来表示。由此,阵列天线的方向图乘积定理可描述为“在各天线为相似元的条件下,天线阵的方向图函数为单元因子与阵因子之积”。如图 1 所示,N 个各向同性的点源以间距 d 排列组成一维线阵,电磁波的射线与阵轴夹角为,将 0 号单元设置为零相位参考面。
7、设阵元激励幅度为 I0,I1,IN1,激励相位随着阵元增加,依次递增,则阵因子为:AF=I0ej0+I1ej+I1ej2+IN1ej(N1)其中=kdcos+。令阵元的激励幅度均为 I0,则可知均匀直线阵的阵因 子为:AF=I0(ej0+ej+ej2+IN1ej(N1)利用级数求和公式并取模值可得:|22 0.0556=2从上式可以看出,阵因子是以 2 为周期的周期函数,最大值发生在=2m(m=0,1,2,),我们将=0 时的最大值对应的波瓣称为主瓣,其余的最大值对应的波瓣称为栅瓣。从公式可知,天线阵因子的最大辐射方向会随着天线单元之间依次递增的相位 的变化而变化,通过控制改变 的值,可以实现
8、主瓣在一定空域范围的扫描,这也是移动通信和雷达常用相控阵工作原理。而在广电行业的广播天线阵列中,最多的使用方法是改变每片天线的激励幅度或者改变某一个方向上天线的数量,来实现天线阵列水平面方向图的设计,同时在设计上主要采用相位差等方式来调整垂直面方向图,实现下倾角的调整及零点 填充。2 FM双偶极板天线场型研究FM 双偶极板天线是调频发射系统的主要天线类型,其由两对对称振子天线组成,可以通过改变安装方向实现垂直极化和水平极化。对称振子天线是应用最广泛的天线形式之一,在通信、雷达侦察、电视广播等领域中均被大量应用,对称振子由于结构简单,辐射原理清晰,调试方便,深受广大设计师青睐。FM 双偶极板天线
9、单元设计为双偶振子加装反射板,开路式馈电,将振子双支撑短路形成 U 型电流回路,完成平衡与不平衡的转换,同时对天线振子形成无穷大阻抗值,阻止振子上电流沿支撑管回流,形成振子对空间的辐射。振子选取 1/2 处于谐振状态,振子输入阻抗趋近 73,经同轴线变阻为 100,两路并联后输入端口阻抗接近 50。确定天线结构方式后,建立仿真模型,调整振子与反射板距离,可以得到双偶极板天线单元场型图,图 2 图 4 分别给出了双偶极板天线单元 3D 以及水平面垂直面场型图,可以得到水平面半功率夹角为 72,垂直面半功率夹角为 59。3 FM阵列天线水平面方向图赋形设计在调频天线系统设计阶段,在考虑覆盖区域等条
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