1、发射塔体对垂直极化偶极子天线场形的影响分析TransmissionNetwork发射塔体对垂直极化偶极子天线场形的影响分析张立阳河南人民广播电台摘要:垂直极化偶极子天线具有结构简单,架设方便且效率高等优点,在广播电视无线覆盖中得到了广泛应用.本文通过对不同尺寸的塔身或桅杆上的感应电流进行理论分析,进而求得总辐射场,推导出垂直极化偶极子天线的水平方向性图随塔身截面尺寸及天线距塔身距离的不同的变化规律.并通过对发射塔体改变单偶垂直极化天线场形的实例分析,利用塔身的散射对场形进行赋形,充分利用电磁波的能量,达到理想的覆盖效果.关键词:垂直极化偶极子天线感应电流振子总辐射场一.落1 引言天线是各种无线
2、电系统,如通信,广播电视发射,雷达等系统中不可缺少的部件.对广播电视而言,主要是将发射机输出的声音图像信号转换成空间电磁波信号.并尽可能使电磁波能量向水平方向的服务区集中.目前,电视调频发射天线种类很多.如蝙蝠翼天线,双偶极板天线,单偶极子天线等.垂直极化偶极子天线具有结构简单,架设方便且效率高等优点已在广播电视无线覆盖中得到了广泛应用.通过对不同尺寸的塔身或桅杆上的感应电流进行理论计算进而求得总辐射场.推导出垂直极化偶极子天线的水平方向性图随塔身截面尺寸及天线距塔身距离的不同的变化规律,我们可利用这一特性对天线的水平场形进行赋形.充分利用电磁波的能量.以达到理想的覆盖效果.2 不同塔身或桅杆
3、对单偶垂直极化天线场形的影响分析由于垂直极化偶极子天线必须悬挂于桅杆或塔身的侧面,如图 1,图 2,图 3 所示,在应用时桅杆或塔身必将产生散射,从而影响天线的水平辐射场形,使得水平场形不圆,甚至起伏很大或成为定向辐射,这在要求全向覆盖中是要注意的.有时我们可以因势利导,利用塔身的散射对场形进行赋形,从而使服务区得到更好的收视效果.要达到此目的就要计算出塔身或桅杆上的感应电流,进而求得总辐射场.由于塔身是钢结构件组成的,我们可将其近似为一段段直径均匀一?026X,:一!E=l每:=ki!0.28jO.5;S一一图 20.28 -仁D0.0】一S图 1H0lf.?.:_.l.州-40l_!l争0
4、.5,图 394 广播与电视技术 2009 年第 9 期图 490270图 590270图 690270图 7的圆柱体,这样所要解决的问题.就成为空间任意放置的 N 个圆柱体(振子 )的p 散射.下面我们介绍如何求解任意个圆柱体上的电流分布,并结合塔身情况给出一些常见垂直极化天线悬挂方式的水平面辐射图(方向性图).O 如图 4 所示一副半径为 a,长度为 2h 的理想导电圆柱天线置于介电常数为,磁导率为的线性,均匀,各向同性媒质中.其局部坐标轴 s 与圆柱n 轴线重合原点(s=0)在振子中心.电流参考方向与 S 轴一致 .将空间电场分解成两个分量.即E=E-4-E.分量是由天线上的电流和.电荷
5、产生的散射场,分量是振子的激励场,由外加电压或电流产生,是一已知量.由理想导TransmissionNetwork体的边界条件:0,得到电场在导体表面上的切向分量等于零,即:(+Ef)tan=0(1)天线上的电流和电荷产生的散射场为:E=一,(1)一 V(2)式(2)中为天线上的电荷在空间产生的标量电位.V 为天线上的电荷的空间产生的标量电位,为梯度函数.振子的激励源 E 可用磁流环或 6 函数发生器逼近,在此不再赘述 .在进行单偶天线场形设计时,我们可以通过分析振子上的电流分布,在球坐标系中我们就能求得远处任一点(r,e)处的辐射场S=0.25 入时.水平方向性图如图 5 所示.当 D=0.
6、1,S=0.15 时.水平方向性图如图 6 所不.l80对图 2 所示塔身悬挂方式:当S=0.2 时.水平方向性图如图 7 所示.当 S=0.4 时.图 990270图 1002009 年第 9 期广播与电视技术 95180TransmissionNetwork270图 1190270图 12l8O270图 1390270图 14水平方向性图如图 8所示.对图 3 所示塔身悬挂方式:当0s=O2 时.水平方向性图如图 9 所示.当 s=O4 入时 ,水平方向性图如图 1O所示.计算中发现,在图 1,2,3 中,距离天线振子 028 的安装杆对水平方向性图的影响很大若不0 加安装杆,直接将天线用
7、水平支杆安装于桅杆或塔身.可得到完全不一样的水平方向性图.设此时天线振子与桅杆或塔身的距离为 d.下面我们给出计算结果.对图 1 所示桅杆悬挂方式当 D=0O5 入,0d=0.53 入时,水平方向性图如图 11 所示.当 D:O1,d=043 时,水平方向性图如图 12 所不.对图 2 所示塔身悬挂方式当d=048 时.水平0方向性图如图 13 所示.当 d-068 时,水平方向性图如图14 所示.对图 3 所示塔身悬挂方式:当d=048 时.水平方向性图如图 15 所示.当 d=0.68 时.水平方向性如图 16 所示.3 利用发射塔体改变单偶垂直极化天线场形实例分析我台在调频广播覆盖工程中
8、,由于各转播台站具体条件不同,根据当地发射塔具体情况和预期覆盖范围,利用塔体对单偶垂直极化天线场形的影响.采用灵活的架设安装方式.可以满足预期覆盖效果.在我台交通广播调频覆盖工程中.豫北地区有安阳,新乡,浚县三个发射站覆盖效果.我们依据以上分析和方法.对270图 16图 1796 广播与电视技术 2009 年第 9 期180图 1890浚县的垂直极化偶极子发射天线进行了场形赋形设计.在浚县转播台.我们采用的是四层单偶垂直极化天线.发射功率 3kW.为了满足预定覆盖范围,将功率分布到预定的覆盖区域,我们将四层单偶天线分为两部分.其中向西北方向架设两层另外两层向西南方向架设,西北和西南天线呈 9O
9、 度夹角.浚县的天线安装在边宽为 2500ram的塔身侧面(图 18),依据本文中不同塔身或桅杆对单偶垂直极n化天线场形的影响分析我们设定安装杆距离铁塔距离 S 取02 天线距离安装270 杆 O28,通过计算.机模拟我们可以得到天线的水平方向性图(图 19),我们可以看到天线的水平方向性图与实际需要覆盖的地形图较符合.依据以上分析.我们在浚县完成了单偶垂直极化天线安装.通过实际测试,与理论分析基本一致(主要去除部分地形影响因素).具体测试数据如表 1 所示.4 结论由于垂直极化偶极子天线必须悬挂于桅杆或塔身的侧面在应用时桅杆或塔身必将产生散射.从而影响天线的水平辐射场形,使得水平场形不圆,甚至起伏很大或成为定向辐射.这在要求全向覆盖中是要注意的.同时我们可以因势利导,通过对不同尺寸的塔身或桅杆上的感应电流进行理论计算,进而求得总辐射场.从以上计算分析可知.桅杆或方塔身对悬挂于其上的垂直极化偶极子天线的水平方向性图有TransmissionNetwork表 1 测试数据距离浚县转播台距位置经纬度场强值(dB)离(公里 )E1l4.2I80.汤阴 4668N35.9852.El14.1404.鹤壁新区 3865N35.7872.E4.O698.淇县 4366N35
