柔 洛

调频宽带双偶极子板天线的分析和应用

柔 洛

（作者单位：四川省新闻出版广电局）

随着广播事业的迅猛发展，一些中波台除了传播传统中波调幅广播节目外，同时还增加了调频广播和数字电视节目的播出，特别是调频广播多套节目在同一副调频天线中通过运用多工器进行多工发射。由于藏区中波台的广播电视塔普遍矮小，铁塔用于安装天线的空间有限，所以要求调频天线必须具有较宽的频率带宽和富足的功率容量，以便进行多工发射。本文介绍一种性能优异的形似宽带支撑结构的双偶极子反射板天线，主要运用于调频广播多工天馈系统。这种双偶极子板天线用不锈钢制作，结构简单，电气技术指标高、性能稳定，在国内被广泛使用。

调频宽带双偶极子板天线；特点；工作原理；应用

1　宽带双偶极子反射板天线的特点

该天线具有两大特点：一是天线结构设计简单、先进合理，无任何可调部件，极大地提高了运行稳定性，同时现场无需调试，给安装使用带来方便；二是频带宽、驻波比特性好，其单片天线的驻波比在调频段87.5～108MHz内基本上达到S≤1.10，特别适用于多频节目传输的多工天馈线系统。该天线在系统组阵设计时，通过相位补偿馈电，系统的输入电压驻波比还可以做到更好。在实际运用中，四层四面宽带二偶极子反射板天线系统在87.5～108MHz频率范围内，系统反射损耗可达到L≤-30dB（既驻波比S≤1.06）。因此该天线深受用户欢迎，成为调频多工天馈系统首选天线形式之一。

2　宽带双偶极子反射板天线的构成及工作原理分析

2.1天线的构成

宽带双偶极子反射板天线由天线反射板、以及两对振子（半波二偶极子）和支撑陷波器组成。如图1所示。

图1　宽带双偶极子反射板天线组成图

天线反射板的边框选用矩形无缝管制作，其外形美观、强度好，相比之下，其强度比角钢和圆管高，整个反射板不易变形，其边框尺寸为：2400mm（长）×1800mm（宽）。振子用直径Φ40无缝钢管制成，两对振子的支撑杆和陷波器用无缝方管制作，并兼作振子馈电线的外管，节省了材料。单片天线重量较轻（约35kg），天线振子上开有排水孔，在安装时应注意排水孔向下。

2.2天线工作原理

天线馈电采用的是不平衡馈电方式，天线靠两对半波双偶极子（振子）获得馈电电流而辐射能量，并通过反射板的作用使能量形成定向辐射。由于天线振子全长近似等于半个波长，馈电输入点是电流波腹点，因此辐射阻抗也就是输入阻抗。一个半波振子输入阻抗归为振子自辐射阻抗和振子间互阻抗以及振子镜像阻抗之和，为一复阻抗ZΣ1。计算式如下：

式中：

Z11------振子1的自辐射阻抗

Z11′----振子1与其镜像阻振子1′之间的互阻抗

Z21------振子2与振子1之间的互阻抗

Z2′1------振子2的镜像振子2′与振子1间的互阻抗

通过计算，得知振子输入阻抗约为84+j3Ω。此输入阻抗通过支撑杆兼作阻抗变换器以及陷波器的作用可以达到良好匹配。其振子馈电原理图如图2：

图2　振子馈电原理图

A、B为对称振子的两个臂，馈以电流后辐射电磁能量；D为支撑杆，内含导体并作阻抗变换器给振子馈电，但此电流是不平衡的，还应转换为平衡馈电；C为陷波器（虚线示意有防水密封盒），就是起作平衡与不平衡转换作用。从E点向上看去，输入阻抗设计为100Ω，该输入阻抗通过阻抗变换器D与振子输入阻抗相匹配，同时与另一半振子在E点并联后形成为单片天线的标准接口输入阻抗50Ω。从接口输入内导体的电流在E点流向振子端口，因振子B内开路线长λ/4，相当于工作频率电流在振子输入端口呈现短路而直接送到振子B上，最终在振子上形成电流分布辐射电磁能量。

3　单片天线技术参数

（1）频率范围：87.5～108MHz

（2）功率容量：2.5kW

（3）天线增益：7.5dB（相对半波偶极子）

（4）极化方式：水平极化

（5）电压输入驻波比：调频18MHz带宽内，S≤1.10； 21MHz带宽内，S≤1.12。其反射损耗特性曲线如图3：（测试所使用仪器为天津德威公司DS7110A标量网络分析仪）。

图3　反射损耗特性曲线图

（6）天线方向性

假设反射板是无穷大的理想导体平面，根据镜像原理可求得天线水平方向性（E面）为：

天线垂直方向性（H面）为：

式中：l为半波振子一臂的长度；

H为振子与反射板的距离；

S为相邻振子之间的距离。

β为相位常数，β=2π/λ

实际上，反射板为有限大小平面，振子辐射在反射板边缘处存在着绕射场，这也是天线存在后瓣的原因。实测主瓣与计算基本相符，副瓣误差约0.5～1dB。在E面，半功率夹角约为73°；在H面，半功率夹角约为57°。单片天线辐射场形图如图4。

图4　单片天线辐射场形图

天线水平场形经实验测试后也可用一数学函数式近似模拟

为：FE（θ）=cos1.5θ

通过计算机计算并绘出天线水平垂直辐射场形图如图5。

图5　天线水平垂直辐射场形图

图6

图7　多层天线垂直场形图

4　宽带双偶极子反射板天线的应用

单片天线具有一定的方向性，但通过天线组阵可以方便地组合成各种所需的任何水平场形，以满足覆盖服务区的要求。下面给出几种典型组阵方式的水平方向性图及垂直场形图（见图6），以供参考。

实际运用中通常采取塔上四层四面安装。系统采用二次相位补偿馈电方式，并要求天线在塔上偏置约0.16λ（480㎜）安装。其安装馈电示意图如图8。

图8　安装馈电示意图

四面天线系统水平方向性可用下式计算（图9）。

图9

在第一象限0°＜Φ＜90°有：

d为塔宽的1/2；

通过计算机计算四层四面天线在

0°～360°四个象限内的水平方向性图

（E面）如图10所示：

由于塔宽条件限制，天线偏置量取到x=0.16λ=480㎜时，可满足水平方向性图不圆度＜±3dB。

图10

H面（垂直面）方向图。

每一块二偶极子板天线单元看成有定向性的点源来代替，四层天线的层间距为S，竖直排列如图11。

图11

各层天线振子等幅同相馈电。如采取电气波束下倾，则上三层电流同相位，最下层馈电电流滞后一个角度δ（一般为-40°），且等幅馈电时有I1=I2=I3=I4。因此，四层天线系统垂直场形可按下式计算。

式中：D—一块板中二偶极子之间的距离（0.5λ）；

△—从天线 之法线方向量起的垂直面的仰角；

f。（△）—二偶极子板天线单元在H面的方向性函数。

通过计算机计算四层天线垂直场形（H面）如图12所示。

图12

图13

调频宽带双偶极子反射板天馈线系统一般采用四层四面偏置安装，并通过二次相位补偿馈电，系统经过实际测试，反射损耗在调频87.5～108MHz范围内为：驻波比S＜1.10，即系统电压输入驻波比达到广播电影电视部GY/T-5051-94甲级标准，满足调频全段内多工（多频点）使用要求。图13是使用德威DS7110A标量网络分析仪测试的某四层四面天线系统的反射损耗特性曲线，驻波比技术指标调频全频段内到达甲级。

因此宽带双偶极子反射板天线在调频大功率多工系统中显示出它的优越作用。