广电发射天线设计中计算机仿真技术应用

 　　近几年来, 调频广播与地面数字电视获得了迅猛发展, 广播电视发射台播出节目的任务更加艰巨, 发射塔不出的节目数量持续增加, 频率分布广、各个波段都会有使用情况存在。大部分情况下, 由于发射塔已经达到最大的荷载, 空间资源被消耗殆尽, 无法充分满足其它节目套数需求。因此就会发生发射塔中天线安装不合理的问题, 使天线覆盖无法达到目标, 最终造成巨大损失。综上所述, 本文将对计算机仿真技术在广播电视发射天线中的运用进行分析。

　　《计算机工程与应用》杂志是由中华人民共和国工业和信息化部华北计算技术研究所主办的、面向中高级计算机专业工作者的学术刊物。《计算机工程与应用》是一本面向计算机全行业的综合性学术刊物，覆盖面宽、信息量大、报道及时是本刊的服务宗旨。多年来，本刊坚持走学术与实践相结合的道路，在内容上既注重理论的先进性又兼顾实用技术的广泛性，在促进学术交流的同时，推进了科技成果的转化。

　　前言

　　在实际使用的天线中, 都会在简单的理想条件上进行计算, 从而获得最终的近似值, 因此在实际运行过程中, 由于环境因素较为复杂, 不能与理论计算中的要求完全相符, 例如实际的场形与理论场形之间就会存在较大差别, 甚至还会存在完全不一样的情况, 会极大地超出设想的预期。通常来说, 天线单元或天线系统的辐射场形主要为生厂商方面进行提供, 但这是基于理想安装环境基础上的场形图, 实际情况下铁塔中会安装过多的天线, 天线之间形成严重的影响, 还存在安装位置不合理, 使铁塔对天线产生不良影响, 造成天线实际场形最终发生变换, 使原本的设计场形要求发安生改变, 出现定向或严重的凹陷、垂直波束倾斜等情况, 减弱了部分服务区域的场强, 还会对盲区的节目收听与收视效果产生危害。因此, 将计算机仿真设计运用在广播电视天线覆盖规划与设计中十分重要, 利用计算机建模仿真计算, 结合对天线实际场形的分析, 可以提前知晓天线安装后的辐射效果。

　　会对实际天线场形产生影响的主要因素包含: (1) 铁塔的边宽大小, 会对天线场形产生影响。 (2) 天线之间的距离, 会对天线垂直方向的场形图产生影响。 (3) 相邻的天线之间会存在相互影响。 (4) 铁塔平台会对天线场形产生影响。 (5) 铁塔附近实际情况与建筑物会对天线场形产生影响。 (6) 地形因素会对天线造成影响。

　　由于上述因素的实际情况较为复杂, 天线的场形之间还存在较大差异, 还有部分是依靠传统方法无法准确计算与预测的。因此使用计算机仿真辅助设计, 可以加强仿真结果的精确性, 可以获取天线3D方向图与S参数等十分重要的相关数据[1], 从而将相关问题有效解决。将计算机仿真技术应用在广播电视发射天线设计中, 经过多次的实践与运用, 可以获得良好的印证。

　　1、 调频及数字电视垂直极化天线场形设计

　　天线使用了一体化的结构设计, 将六对半波对称振子天线以垂直的形式在一条线中进行排列, 利用陷波器提供支撑, 将其集中在同一根方形钢管中。在天线振子与钢管之间设置了不同的距离, 从而基于水平场形基础上, 会设置不同的半功率夹角, 从而满足不同的需求。

　　(1) 振子与钢管之间的距离为波长的2/1, 半功率的夹角为220°。 (2) 振子与钢管之间的距离为一个波长, 功率夹角为270°。 (3) 振子与钢管之间的距离为波长的3/4, 半功率的夹角为290°。

　　在铁塔角部分, 安装4副三单元定向调频天线, 馈电使用了相同相位的馈电与旋转90°相位差馈电时水平场形发生的变化。

　　2、 桅杆对半波单偶垂直极化天线产生的影响

　　桅杆对半波单偶垂直极化天线目前被广泛应用在调频段与数字电视分米波段。桅杆对半波单偶垂直极化天线的单元方向图表现为弱定向。天线的辐射最小方向比最大方向多5～7dB。但桅杆对半波单偶垂直极化天线安装在直径为159mm的铁塔桅杆上之后, 其方向图出现了变化, 桅杆对半波单偶垂直极化天线辐射的最大方向相比于最小方向来说, 其差距达到19dB。

　　3、 铁塔边框对双偶极子反射板天线产生的影响

　　将调频双偶极子反射板天线安装在铁塔边宽的2m位置上, 其水平场形的不圆度在2dB左右。但是将双偶极子反射板天线安装在铁塔边宽4m位置时, 水平场形的不圆度提升到10dB。

　　4、 计算机仿真设计在天线网络匹配中的运用

　　天线的匹配网络中含有r型、T型与Ⅱ型, 对于r型网络来说, 其设置办法较为简单, 很容易满足匹配需求, 但品质因数控制效果较差。T型与Ⅱ型网络比r型更复杂一点。其中增设了较多节点, 可以将节点阻抗进行改变, 从而加强匹配网络品质因数Q的控制效果, 从而获得与网络需求相符的带宽。通常来讲, 品质因数只有在2～6范围中, 才能使匹配网络整体含有合适的滤波度数, 本文将以T型网络的设计为例对计算机仿真设计在广播电视发射天线网络匹配中的应用进行分析。

　　在对匹配网络进行设计过程中, 经常会使用解析法与smith圆图图解法, smith圆图运算的速度很快, 可以更加迅速、准确地获取天线匹配网络。天线阻抗会基于电感作用基础上, 其表现的数值与传输馈线50Ω之间会存在一定误差数值, 匹配网络的重要价值就是将天线的阻值有效调整, 确保其与馈线阻值一致, T型网络的电路结构图可见图1。

　　从图1中可以看出, 待匹配的部分用ZL表示, 将其与元件Z1连接形成串联电路, ZLZ2之间以并联方式连接, 同时Z1、Z2构成的电路还与Z3进行串联, 与另一个待匹配点进行连接。在smith圆图中, 电抗元件互相串联可以使图中的阻抗点呈现出等电导圆的形式进行移动。因此使用计算机仿真设计对T型匹配网进行设计时, 首先基于待匹配点串联的基础上, 会沿着等电阻圆开始移动, 之后在并联的情况下进行移动, 最后Z1、Z2、ZL之间构成并联电路, 与Z3形成串联, 可以再次使用smith圆图获得等电阻圆的移动运行轨迹。结合Matlab软件进行编程与建模操作, 阻抗与导纳表现会在smith圆图中呈现出归一化的数值, 将50Ω当做标准的参考阻抗数值。在匹配网络中, Z1与Z3之间作为串联电路形式, 可以首先确定两个匹配点在圆图中, 之后勾勒出等电位的圆形。网络中的Z2与其他元器件的连接为并联形式。只能使用等势电导圆对电阻圆进行连接。品质因数会对等电导圆产生重要影响, 若Q的数值为5, 利用Matlab软件对品质因数的线路进行绘制, 线路与等电阻圆交点部分的电导数值就可以当做等电导圆的数值, 之后找到二者之间的交点, 就可以获得实际的电导数值, 将数值作为基础对等电导圆进行绘制。到此为止, 将所得到的smith圆图作为基础开展计算, 就可以获得准确的T型网络相关原件的具体电感参数。

　　使用计算机仿真技术对天线网络调配完成之后并不意味工作结束, 应构建模型的搭建实物, 若效果不理想, 还是需要重新返工, 会大幅提升劳动量。因此使用Multisim软件, 可以将该问题有效解决, 其中包含可以进行虚拟测试的相关工具, 对各种仿真电路高效执行, 还可以将电路的真实数据参数准确测出。

　　使用Multsim软件按照T型调配网络结构对各种元件进行连接, 在其两端部分利用网络分析仪连接, 使用网络分析仪可以对匹配网络的任意一支电路阻抗进行测试, 之后利用软件可以随意修改数值, 从而加强天线调配网络的设计效果。

　　5、 结语

　　本文叙述了利用计算机仿真技术, 对广播电视发射天线的安装与网络调配进行设计。因此可以看出天线的设计辐射场形与预想场形会存在较大差距, 利用计算机辅助仿真设计技术, 可以加强广播电视天线与覆盖规划设计的准确性与效率, 同时还可以对天线网络调配发挥至关重要的作用。另外对于发射塔在进行天线选择的过程中, 需要将服务区域的设计需求作为基础, 对设计进行优化, 只有获取天线的实际场形之后才能对覆盖效果进行更加准确的预测。

　　参考文献：

　　[1]胡永刚.基于WRAP软件的广播电视场强覆盖预测[J].科技创新导报, 2016, 13 (28) :77~78.

　　[2]檀杉.基于计算机仿真的中波天线调配网络设计[J].科技资讯, 2015, 13 (35) :66+68.

　　[3]张学明, 贾志鹏, 许云林, 鲁抗, 张洪顺.公众应急信息发布系统FM广播频率规划研究[J].中国无线电, 2014 (12) :38~41.

《广电发射天线设计中计算机仿真技术应用》

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