圆极化天线在调频广播中的应用

张志昊

（福建省广播电视传输发射中心一〇一台，福建 福州 350001）

1 研究背景

如今，移动收听广播节目是受众主要的收听方式。我国的广播业务频段通常分布在UHF频段，受限于原有的接收天线长度等一系列因素，终端天线瓶颈难以突破，发射端的天线技术仍存在巨大的发展空间。目前，国内只有少数地区进行了针对线极化与圆极化天线在FM和DTMB系统的对比测试[1]，尚没有相应的技术标准。但目前开展相关研究的机构根据测试数据对比给出的报告显示，圆极化发射天线的覆盖效果普遍优于线极化天线。因此，进行圆极化天线的技术研究，也是广播电视发射台站一种技术尝试。对于覆盖效果提升，福建省广播电视传输发射中心一〇一台（以下简称台站）目前面临以下问题。

（1）台站地处福州市中心乌山顶，现有70 m发射塔一座，塔上架设两幅垂直极化调频发射天线，由于地理环境原因，无法加高发射塔。

（2）由于城市建设的不断扩容，居民生活居住地离市中心不断变远，居民在路上的通勤时间变长，移动收听成为受众主要的收听方式。特别是台站播出的调频三个频率节目，是有车一族必听的广播节目。

（3）随着城市建设的加大，建筑物高度和密度不断增大，给听众收听质量带来了很大的干扰。台站的三个频率节目都是满功率播出，受这一条件的限制，发射功率不能再加大。

（4）随着福建省应急广播项目的实施，其在现有的调频广播发射机中穿插了应急信号，当有需要在社会层面及时播出紧急信息时，直接切断原有广播节目，插入播出应急信号，这就对台站的广播覆盖面及强度有了更高的要求。

为此，台站必须进行技术改造，在现有发射条件下，从发射天线改造出发，利用现有设备改造发射天线，提升覆盖半径，增强抗干扰性，提高收听效果。

2 理论研究及技改方案选择

圆极化电磁波具有两大特点，分别介绍如下。

（1）圆极化波可以分解为两个相位相差90°的等幅正交线极化波，两个线极化波形成一个等幅旋转场。如图1所示。

图1 圆极化波

图1中，Ex是水平电场强度，Ey是垂直电场强度，其相位相差π/2；Ε为合成电场强度矢量的瞬时值，ω为角频率。E0为合成电场强度，合成电场强度瞬时值的表达式为

在XOY平面，当水平方向和垂直方向电场强度相等时：

因此，水平振子与垂直振子合成矢量Ε的大小不变，其空间指向则以角频率ω在XOY平面上作等角速度旋转，即形成圆极化电磁波，矢量Ε端点的轨迹为一圆，由于Ey滞后于Ex，故为右旋极化波（如图1所示）；反之，为左旋极化波。两个方向电场所合成的矢量大小是不会随着移动轨迹发生改变的，矢量端点的运动轨迹是一个圆形[2]。

（2）圆极化波抗干扰特点。圆极化波在传播过程中，能在遇到的物体表面形成与入射波旋级左右相反的反射波。反射波不能被接收天线接收，所以具有很强的抗多径干扰和抑制雨雾干扰。这对提高接收能力具有很好的效果。

基于以上特点，可以将圆极化天线的优点归纳如下。

（1）圆极化天线所发射的极化电磁波可以被线极化天线接收到，对于接收端来说不需要改变接收天线，相同口径的垂直极化天线改为圆极化天线后，信号的平均场强没有降低。

（2）圆极化波的电场矢量是不断旋转的，其优点是能有效地降低由于信号的多路径反射而造成多径衰落的影响[3]。

（3）圆极化天线受安装塔体影响小。实测数据表明，发射天线指向方向和塔体遮挡的背面方向的传播距离相差不是很大，比垂直极化天线受塔体的影响小。

（4）圆极化波具有很强的抗干扰能力，能显著地改善接收端的信噪比，提高信号质量，降低误码率。在室内及地下室等谐波干扰严重的环境下，圆极化天线能够更好地保证发射信号得到更好的接收，在广播领域的应用非常值得推广。

由此，台站从当前实际情况及资金、可行性等一系列的因素考量，通过使用电磁波仿真软件（HFSS）进行天线覆盖电磁波仿真，最终确定对原有的四层垂直极化天线进行改造，撤换成国产自主产权的单面八层圆极化天线（FM圆极化全向天线IF45）作为技改方案。

3 技改方案实施

技改方案的实施，主要包括以下步骤。

（1）拆除原有4层垂直极化天线，并将UHF数字电视偶极子天线下移，加装8层鱼刺式振子结构的全向圆极化天线，如图2所示。

图2 实际安装图

（2）圆极化天线采用鱼刺式振子结构，悬挂于桅杆的侧面，有一对垂直振子，大大降低了金属桅杆对场形的影响，使得水平方向的覆盖圆图接近于正圆的椭圆形。通过调整桅杆的大小和距离，也能对覆盖场型进行调整，如图3所示。

图3 单个振子

（3）安装杆与桅杆以及安装杆与振子之间的距离可以在0.2λ～0.7λ范围内进行调整，本方案设计安装杆和桅杆之间为0.32λ，安装杆和振子之间为0.5λ，如图4所示，可以使得覆盖场形接近于任务覆盖区的区域形状，如图5所示。

图4 安装示意图

图5 对应场形图

（4）8层单面全向天线的增益为9.5 dBd，水平场形不匀度小于±3 dB，带宽达到10 MHz以上，每项技术指标均符合国家行业标准。

4 技改后覆盖效果场强路测

为了测试技改后的效果，台站组织技术人员分别于2020年11月天线改造前、2021年4月天线改造后以及2021年11月三个时间点，对三个播出频率（88.3 MHz，91.8 MHz，98.7 MHz）的场强覆盖进行了测试。

4.1 路测条件

本次路测，使用天津德力电子公司的S7000设备做为路测工具，利用车载的方式进行路测。三个播出频率全部满功率播出，88.3 MHz的功率为1 kW，91.3 MHz的功率为5 kW，98.7 MHz的功率为5 kW。

以台区为中心，前两次测试沿着福州市三环道路进行测试，测试路程达到110 km左右，已经超过了台站覆盖的任务区间。第三次测试以台站覆盖任务区福州市二环道路进行测试，测试路程为60 km左右。

随车使用德生收音机进行人工收听，用耳朵听力判断。场强在30 dBμV以下时，杂波较多，影响收听效果；在30～40 dBμV区间，能正常收听节目；场强超过40 dBμV以上，能完全清晰地接听到广播节目。

4.2 测试结果

三个播出频率地场强覆盖都有显著提高。现以88.3 MHz为例进行说明。改造前，88.3MHz的信号强度统计如图6所示。

图6 88.3 MHz改造前的信号强度统计图

改造前，对88.3 MHz测试，共采集样本点11 188 个，测试总路程为110.53 km，测试样本的平均信号强度为41.15 dBμV。比重最大的是（40.00，50.00]区间。信号强度在40 dBμV区间以上的样本点数占比为47.98%。

改造后，共采集样本点11 838个，测试总路程为119.69 km，测试样本的平均信号强度为50.08 dBμV。 比重最大的是（50.00，60.00]区间，信号强度在 40 dBμV区间以上的样本点数占比达到73.14%，如图7所示。

图7 88.3 MHz改造后信号强度统计图

2021年11月，再次对任务覆盖区福州市二环内进行第三次测试，测试总路程为60 km，测试样本点的平均信号强度为66.736 dBμV，其中比重最大的是[70.00，80.00]区间，信号强度70 dBμV区间以上的样本点数占比达到84.4%。收测指标证明，覆盖效果完全达到设计标准，也完全优于天线改造前的效果。特别是在室内及隧道的改善特别明显。效果对比如表1所示。

表1 室内及隧道收听效果对比表

基于以上测试结果可判定，本次对于天线的圆极化改造达到了预期效果。

5 技改经验总结

使用垂直极化天线发射时，由于多径反射，会出现某些场强足够的城市路段听起来效果不好的现象，有滋啦声等杂音[4]。改为圆极化天线后，电波在城市楼群产生的多径衰弱影响大大降低，实测具体表现为声音幅度稳定、声音还原度高，声音质量非常好。

圆极化波具有较强的绕射能力，对于建筑与收测距离相对较近、高度与横亘宽度相对较小的山丘遮挡造成的影响有明显削弱。用垂直极化天线发射时，这些路段场强较低，收听时声音背景噪声较大。改为圆极化天线后，这些路段收听声音良好，背景噪声大幅降低。

圆极化波穿透能力强，在商场和某些地下车库及隧道，圆极化天线发射较垂直极化发射有很大改善，覆盖范围也明显扩大[5]。

6 结 语

本文详细介绍了圆极化天线在调频广播中的实际应用，通过采用圆极化天线替换原有垂直极化天线，在不改变发射机现有条件下，提高了天线覆盖场强，增强了抗干扰能力，保证了广播电视发射台站的播出效果。本项目选用国内使用较少的圆极化发射天线作为技改措施，是一种大胆的尝试。随着将来广电行业5G技术的广泛应用，本次尝试将为台站将来适应技术发展提升打下基础。