浅谈阵列天线辐射特性与维护要点

□ 李 健 谭 源 戚桂东 曾鹏晟 杨柳胜

一、引言

保障广播电视信号的传输，是广播电视系统运行的关键。发射天线是信号传输的重要媒介，其工作状态的好坏直接关系到广播电视的覆盖效果，进而影响到节目的实际播出质量。然而，在我们广播电视台站的实际维护工作中，由于种种原因，机房中的设备维护占了绝大部分，发射天线的维护工作涉及较少，维护人员对发射天线相关原理更是缺乏重视。天线发生故障时，往往不能得到正确有效的处理。本文通过天线方向图分析与仿真，详细论述了广播电视发射阵列天线的辐射特性，并提出了对应的维护要点，希望对广大从事广播电视无线发射台站维护工作的人员有所启发。

二、阵列天线原理

广播电视发射天线分为四个扇区来对周边地区进行信号的覆盖，高山台站的覆盖范围较大，通常采用多根天线组成直线型天线阵列对单个扇区进行信号覆盖。阵列天线的工作原理可以看成是各天线单元的电磁波（电磁场）的叠加。对于几根天线的电磁波来讲，当它们传到同一区域时，按照叠加原理，电磁场将产生矢量叠加。叠加结果不仅与各天线单元电磁波的振幅大小有关，还与它们在相遇区间相互之间的相位差有关。因此，高山台站中单个扇区的四根天线并不是单独工作，而是作为一个整体，组成一个天线阵列来进行信号覆盖。

阵列天线的主要作用是加强和改善辐射场的方向性、加强辐射场的强度。由于阵列天线的辐射性能与各个天线单元的幅度和相位有关，为了让阵列天线方向性以及强度达到广播电视发射台的覆盖性能，可以认为阵列天线各个单元间具有特定的幅度比与特定的相位差。

三、阵列天线构造

因为发射台站阵列天线每个扇区的辐射性能都是相同的，所以本文仅对其中一个扇区来进行分析。根据图1分析，天线故障通常是由于馈线、天线功分器和天线单元的损坏造成的。

图1 四单元阵列天线连接示意图

根据阵列天线辐射特性可知决定台站单个扇区四单元阵列天线的辐射方向性的两个因素为图1中天线功分器2以及其到四个天线单元的同轴馈线。天线功分器2的四个输出口的功率比决定了四个天线单元的幅度比，而四根连接到天线单元的同轴馈线长度差决定了天线单元的相位差。

四、阵列天线方向图仿真与分析

在阵列天线系统方向图中，主瓣宽度和副瓣电平的关系为：主瓣宽度窄，则副瓣电平高；主瓣宽度宽，则副瓣电平低。对天线设计而言，提高天线增益需要降低副瓣电平；但降低副瓣电平会增大主瓣宽度，反而导致天线增益降低。因此，阵列天线的主瓣宽度和副瓣电平之间需要进行合适的取舍。

为了平衡阵列天线工程设计中主瓣宽度和副瓣电平之间的关系，人们提出了道尔夫-切比雪夫（Dolph-Chebyshev）多项式阵列天线。切比雪夫阵列天线是将傅立叶多项式与相当幂次的道尔夫-切比雪夫多项式相匹配，以产生所有副瓣等于指定电平（SLL）的最佳幅度分布。主要有以下三个特点：1.所有副瓣电平相等；2.指定副瓣电平时，主瓣宽度能够达到最窄；3.指定主瓣宽度时，副瓣电平达到最低。因此切比雪夫阵列天线有最优的副瓣电平和波束宽度设计，给天线设计带来极大方便，目前阵列天线一般都采用道尔夫切比雪夫多项式设计。

PCAAD是一款天线辅助设计分析软件，下面使用PCAAD5.0对四单元直线型阵列天线进行仿真分析。对阵列天线的四个天线单元，分别设定不同的幅度比和相位差，仿真得到天线方向图。再根据得出的方向图，对天线辐射方向性进行简要分析。

1.幅度比为0.5761:1:1:0.5761，相位差为0天线方向图

在PCADD软件中，选择幅度分布类型为“Chebyshev”，设定副瓣电平比主瓣电平低20dB，天线单元数量选择4单元，通过软件计算得出切比雪夫理想四单元幅度比为0.5761:1:1:0.5761。在软件中设四单元天线的幅度比为0.5761:1:1:0.5761，各天线单元相位一致，相位差为0，得到如图2所示的垂直面方向图。

图2 幅度比为0.5761:1:1:0.5761，相位差为0的天线垂直方向图

2.幅度比为1:1:1:1，相位差为0天线方向图

在PCAAD软件设定四单元天线的幅度比为1:1:1:1，各天线单元间相位一致，相位差为0，经过仿真得到如图3所示的垂直面方向图。

图3 幅度比为1:1:1:1，相位差为0的垂直方向图

对比图2与图3的方向图，图2的垂直面主瓣的3dB波瓣宽度要比图3的要大（覆盖的范围相对较大），且图3中的副瓣明显较强，导致其主瓣的增益变低（覆盖的距离相应较近）。因此，图3的设计并非最优解，阵列天线的天线功分器的功分比不应设为1:1:1:1。我们维护人员在连接天线功分器2时，必须根据功分器接口与四个天线单元对应的次序连接。

3.幅度比为1:0.5761:1:0.5761，相位差为0天线方向图

在实际天线维护工作中，若维护人员不小心将天线单元的连接顺序弄错，例如将天线单元1和天线单元2的馈线对换。原理想的天线单元幅度比为0.5761:1:1:0.5761，馈线连接错误时，幅度比变为1:0.5761:1:0.5761。经过仿真得到的垂直面方向图如图4所示，从图中可知，辐射方向性比图3的还差。可见，天线功分器2和天线单元馈线连接顺序错误会导致天线的辐射效率大幅度降低。

图4 天线单元连接错误时天线垂直方向图

4.幅度比为0.5761:1:1:0.5761，相位差为50°天线方向图

在PCAAD软件设定四个天线单元幅度比为理想的0.5761:1:1:0.5761，相位差为50°。即四个天线单元的相位依次为0°:50°:100°:150°，得到的垂直面方向图如图5所示。从图5中可知，垂直面方向图的主瓣上翘了，导致原本朝地面发射的电波变成朝空中发射，从而影响天线覆盖效果。与之相反，天线单元相位的递减将导致主瓣下沉，从而增大阵列天线的下倾角，导致天线覆盖范围缩小。在阵列天线结构中，相位差由天线功分器2到各天线单元的馈线长度决定。馈线过长，则相位减小；馈线过短，则相位增大。

图5 相位对垂直方向图的影响

五、结论

综上所述，结合直线型阵列天线的构造原理和PCAAD软件仿真分析，得知天线单元幅度与相位对天线方向图、天线增益、天线辐射范围等有着重要影响。结合广播电视天线实际维护经验，总结出发射天线维护的两大要点：一是天线单元连接其前端的天线功分器时，一定要按照特定的顺序进行连接，否则会破坏天线单元之间的振幅比；二是每个天线单元连接到其前端的天线功分器的射频电缆长度是固定的，不能随意改变，否则会破坏天线单元之间的相位，导致方向图变坏，辐射效果变差。