定向短波天线分析

张 华

（作者单位：四川省广播电视局若尔盖台）

改革开放以来，我国广播电视事业迅速发展，广播电视通过有线传输、无线发射及卫星传输等技术手段进行传播，听广播、看电视成为人民群众了解党和国家的路线方针政策、国内外大事、学习科学技术、文化娱乐的重要方式。特别是近年来随着媒体融合高速发展，5G传输网络，4K、8K高清电视等更加深入融入百姓日常工作生活，智慧广电走进了千家万户，成为人们生活中不可缺少的部分。同时，广播电视作为党和政府的喉舌，是重要的思想文化传播阵地，是宣传、弘扬党和国家的路线方针政策、中华文化的重要手段。随着人民群众对精神文明以及广播电视的需求迅速增长，各级政府、各级广播电视机构均加大了对广播电视事业和新闻媒体建设的投入，无线覆盖传输发射台从原来单一功能向多功能综合性发射传输台发展。无线覆盖是广播电视提供基本服务的手段，也是有线传输无法覆盖区域的技术补充，更是各级政府为人民群众提供公共文化服务的重要组成部分，短波覆盖也成为部分台站特有的职能职责。

1 定向短波天线分析

短波垂直极化地面波天线广泛用于无线发射转播台，由于单个天线增益只有3～3.7 dBi，在发射机功率为2 kW时，对抗敌台有效半径为3～8 km（敌台信号场强值根据高原测试结果最大设为70 dBμV/m）。因此，在城市区域，为提高覆盖效果，有时需要考虑采用定向天线发射节目频率，垂直极化地面波短波天线实现定向有两种方式，即无源定向和有源定向。无源定向即是在单个源天线旁树立反射条和引向条形成八木天线式的定向天线，当单元增加时可取得较高天线增益，三单元天线增益约为5～9 dBi，但这种方式的增益带宽较窄，约为2 MHz，适合固定频率发射；有源定向就是将两个单源天线馈以相差90°的馈电，实现定向天线发射，此种方式可以获得5～10 dBi增益，增益带宽较宽约＞10 MHz。

无源定向可设计有较高天线增益，但频带窄、建设场地大、成本较高；有源定向虽然增益提高只有2～4 dBi，但频带较宽、更便于实施。通过理论计算分析后，可建议采用有源定向天线，天线增益增加2～7 dBi，将增加对抗作用距离约3 km以上，作用距离以单个12 m天线为参考，按照70 dBμV/m为边界场强值计算。

2 计算原理

本文将通过天线仿真分析系统软件MMANA-GAL和FEKO对3款天线进行天线场型、阻抗特性、驻波比特性和增益特性的理论仿真计算，总结和分析出3款天线的优势。

2.1 阻抗特性计算原理

天线特性阻抗是指电流在传输线中电压振幅和电流振幅之比。特性阻抗是由天线的电导率、电容以及阻值组合后的综合特性。天线的特性阻抗取决于天线的尺寸、结构、导体间的距离以及绝缘材料等物理参数。传输电缆标准匹配阻抗一般取值为50 Ω或75 Ω，在广电常用天线的设计中，发射频率的特性阻抗应与传输电缆的标准匹配阻抗相匹配。

天线特性阻抗计算公式为：

式（1）中，Rin为输入电阻，Xin为输入电抗。

天线输入阻抗是指天线馈电点呈现的阻抗值。它直接决定与馈电系统的匹配状态，从而影响馈入天线的功率及馈电系统的效率等。天线的输入阻抗取决于天线本身的结构与尺寸、工作频率以及邻近天线周围物体的影响等。一般通过近似值计算和工程试验来确定（阻抗网络分析仪测试）。

输入阻抗、输入电压和电流的关系同式（1）。

2.2 增益特性计算原理

增益（G）是发射天线在最大辐射方向上某空间点的电场功率（E1）密度与标准天线理想状态下点电源（E0）的电场功率密度之比：

增益（G）还可以表示为标准天线理想电源（Pin0）输入功率与发射天线输入功率（Pin1）之比，前提条件为在某一方向、某一点产生了相等的电场强度。即增益（G）的计算公式也可表示为：

在相同输入功率条件下，天线在最大辐射方向上某点产生的功率密度（或）与理想点源（效率100%）在同一点处产生的功率密度之比：

应注意与方向系数的区别，方向系数是从辐射功率出发的，而增益系数则是以输入功率作为参考点，即G=DηA，其中D表示天线效率，DηA表示方向性。当天线效率为1时，天线的增益系数就是该天线的方向系数。阻抗特性及增益特性理论计算示意图，右图为理论计算值，如图1所示：

图1 阻抗特性及增益特性理论计算示意图

3 无源定向天线

以三单元无源天线模型为例，通过在几何中心频率10 MHz，范围5～18 MHz的计算，综合比较后得出结论：在10～11 MHz频率带宽范围内可用。

3.1 场型分析

在中心频率10.3 MHz时的场型图，从左到右依次为3D场型图、水平场型图和垂直场型图，如图2所示。

图2 场型图

3.2 阻抗特性及驻波比特性分析

3.2.1 阻抗特性

通过天线仿真分析系统软件MMANA-GAL进行理论计算，设置中心频率为10.3 MHz，阻抗曲线计算范围为10.26～10.46 MHz，即在0.2 MHz的区间内，Rin的计算值范围为52～60.5 Ω，匹配值为50 Ω的点在10.3 MHz。

设置中心频率为10 MHz，阻抗曲线计算范围为1～19 MHz，即在18 MHz的区间内，Rin在10～11 MHz 最佳。

3.2.2 驻波比特性

通过软件将理论计算得出的阻抗值进行换算后，得出在10.26～10.46 MHz内，驻波呈V字型。在10.3 MHz处，驻波值SWR最低，为1.0。在1～19 MHz内，SWR在10～11 MHz最接近于1.0。

3.3 增益特性分析

经理论计算，在10.26～10.46 MHz内，增益G的取值范围为8.13～8.25 dBi。在10.3 MHz处，增益为8.17 dBi。增益分析理论计算，如图3所示。

图3 增益分析理论计算图

4 有源定向天线

以高12 m直径2 m的筒线天线模型为例，通过在几何中心频率14 MHz，范围5～21 MHz的计算，综合比较后得出结论：在5～21 MHz频率带宽范围内适用。计算结果值如下。

4.1 场型分析

在中心频率14 MHz时的场型图，分别为3D场型图、水平场型图和垂直场型图。

4.2 阻抗特性及驻波比特性

（1）阻抗特性：通过天线仿真分析系统软件MMANA-GAL进行理论计算，设置中心频率为14.1 MHz，阻抗曲线计算范围为14.05～14.25 MHz，即在0.2 MHz的区间内，Rin的计算值范围为3.2～3.9 Ω，阻抗特性曲线呈直线上升的趋势。

阻抗曲线计算范围为4.15～24.15 MHz时，Rin的计算值范围为10～170 Ω。

（2）驻波比特性：通过软件将理论计算得出的阻抗值进行换算后，得出在14.05～14.25 MHz内，SWR的计算值范围为12.2～16.1，驻波呈直线上升的趋势。在5～21 MHz绝大部分的频率的SWR在4左右。

天线阻抗及驻波比特性理论计算，如图4所示：

图4 天线阻抗及驻波比特性理论计算图

4.3 增益特性分析

经理论计算，在14.05～14.25 MHz内，增益G的取值范围为17.3～17.8 dBi。增益分析理论计算。如图5所示：

图5 增益分析理论计算

5 纺锤形短波天线

当以12 m纺锤形短波天线模型为例，通过在几何中心频率10 MHz，范围5～21 MHz的计算，综合比较后得出结论：在10～19 MHz频率带宽范围内适用。计算结果值如下。

5.1 场型分析

通过天线仿真分析系统软件FEKO进行理论计算，分别将中心频率设置为5、10、19和21 MHz进行计算。从场型上看，21 MHz时，波束上翘，形成天波，不利于覆盖，因此不可选用。在5、10和19 MHz处，天线以地面波传输，可选用。如图6所示。

图6 场型分析

5.2 驻波比特性分析

从驻波比特性图来观察，10～19 MHz的驻波值最佳，因此该天线可在10～19 MHz频率带宽范围内适用。如图7所示。

图7 驻波比特性分析

6 结语

本文通过天线仿真分析系统软件理论计算了3款短波天线的物理特性，充分展示了各类天线的优势所在。但在实际场景中，为了保证无线发射转播台短波频率的覆盖效果，还应综合发射台场区建设情况、发射机房情况、台站地理位置、台站周边地理环境、覆盖受众情况等因素作出分析和判断，并选定天线形式。利用天线仿真分析系统软件和场强覆盖软件开展实际场景的仿真计算分析，模拟实际覆盖效果情况，以求最大化服务受众需求。