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廣電發射天線設計中計算機仿真技術應用

作者:2019-06-05 01:10文章來源:未知

  摘    要: 近幾年來, 調頻廣播與地面數字電視獲得了迅猛發展, 廣播電視發射臺播出節目的任務更加艱巨, 發射塔不出的節目數量持續增加, 頻率分布廣、各個波段都會有使用情況存在。大部分情況下, 由于發射塔已經達到最大的荷載, 空間資源被消耗殆盡, 無法充分滿足其它節目套數需求。因此就會發生發射塔中天線安裝不合理的問題, 使天線覆蓋無法達到目標, 最終造成巨大損失。綜上所述, 本文將對計算機仿真技術在廣播電視發射天線中的運用進行分析。

  關鍵詞: 計算機仿真技術; 廣播電視; 發射天線; 運用策略;

  前言

  在實際使用的天線中, 都會在簡單的理想條件上進行計算, 從而獲得最終的近似值, 因此在實際運行過程中, 由于環境因素較為復雜, 不能與理論計算中的要求完全相符, 例如實際的場形與理論場形之間就會存在較大差別, 甚至還會存在完全不一樣的情況, 會極大地超出設想的預期。通常來說, 天線單元或天線系統的輻射場形主要為生廠商方面進行提供, 但這是基于理想安裝環境基礎上的場形圖, 實際情況下鐵塔中會安裝過多的天線, 天線之間形成嚴重的影響, 還存在安裝位置不合理, 使鐵塔對天線產生不良影響, 造成天線實際場形最終發生變換, 使原本的設計場形要求發安生改變, 出現定向或嚴重的凹陷、垂直波束傾斜等情況, 減弱了部分服務區域的場強, 還會對盲區的節目收聽與收視效果產生危害。因此, 將計算機仿真設計運用在廣播電視天線覆蓋規劃與設計中十分重要, 利用計算機建模仿真計算, 結合對天線實際場形的分析, 可以提前知曉天線安裝后的輻射效果。

  會對實際天線場形產生影響的主要因素包含: (1) 鐵塔的邊寬大小, 會對天線場形產生影響。 (2) 天線之間的距離, 會對天線垂直方向的場形圖產生影響。 (3) 相鄰的天線之間會存在相互影響。 (4) 鐵塔平臺會對天線場形產生影響。 (5) 鐵塔附近實際情況與建筑物會對天線場形產生影響。 (6) 地形因素會對天線造成影響。

廣電發射天線設計中計算機仿真技術應用

  由于上述因素的實際情況較為復雜, 天線的場形之間還存在較大差異, 還有部分是依靠傳統方法無法準確計算與預測的。因此使用計算機仿真輔助設計, 可以加強仿真結果的精確性, 可以獲取天線3D方向圖與S參數等十分重要的相關數據[1], 從而將相關問題有效解決。將計算機仿真技術應用在廣播電視發射天線設計中, 經過多次的實踐與運用, 可以獲得良好的印證。

  1、 調頻及數字電視垂直極化天線場形設計

  天線使用了一體化的結構設計, 將六對半波對稱振子天線以垂直的形式在一條線中進行排列, 利用陷波器提供支撐, 將其集中在同一根方形鋼管中。在天線振子與鋼管之間設置了不同的距離, 從而基于水平場形基礎上, 會設置不同的半功率夾角, 從而滿足不同的需求。

  (1) 振子與鋼管之間的距離為波長的2/1, 半功率的夾角為220°。 (2) 振子與鋼管之間的距離為一個波長, 功率夾角為270°。 (3) 振子與鋼管之間的距離為波長的3/4, 半功率的夾角為290°。

  在鐵塔角部分, 安裝4副三單元定向調頻天線, 饋電使用了相同相位的饋電與旋轉90°相位差饋電時水平場形發生的變化。

  2、 桅桿對半波單偶垂直極化天線產生的影響

  桅桿對半波單偶垂直極化天線目前被廣泛應用在調頻段與數字電視分米波段。桅桿對半波單偶垂直極化天線的單元方向圖表現為弱定向。天線的輻射最小方向比最大方向多5~7dB。但桅桿對半波單偶垂直極化天線安裝在直徑為159mm的鐵塔桅桿上之后, 其方向圖出現了變化, 桅桿對半波單偶垂直極化天線輻射的最大方向相比于最小方向來說, 其差距達到19dB。

  3、 鐵塔邊框對雙偶極子反射板天線產生的影響

  將調頻雙偶極子反射板天線安裝在鐵塔邊寬的2m位置上, 其水平場形的不圓度在2dB左右。但是將雙偶極子反射板天線安裝在鐵塔邊寬4m位置時, 水平場形的不圓度提升到10dB。

  4、 計算機仿真設計在天線網絡匹配中的運用

  天線的匹配網絡中含有r型、T型與Ⅱ型, 對于r型網絡來說, 其設置辦法較為簡單, 很容易滿足匹配需求, 但品質因數控制效果較差。T型與Ⅱ型網絡比r型更復雜一點。其中增設了較多節點, 可以將節點阻抗進行改變, 從而加強匹配網絡品質因數Q的控制效果, 從而獲得與網絡需求相符的帶寬。通常來講, 品質因數只有在2~6范圍中, 才能使匹配網絡整體含有合適的濾波度數, 本文將以T型網絡的設計為例對計算機仿真設計在廣播電視發射天線網絡匹配中的應用進行分析。

  在對匹配網絡進行設計過程中, 經常會使用解析法與smith圓圖圖解法, smith圓圖運算的速度很快, 可以更加迅速、準確地獲取天線匹配網絡。天線阻抗會基于電感作用基礎上, 其表現的數值與傳輸饋線50Ω之間會存在一定誤差數值, 匹配網絡的重要價值就是將天線的阻值有效調整, 確保其與饋線阻值一致, T型網絡的電路結構圖可見圖1。

  圖1 T型網絡結構示意圖
圖1 T型網絡結構示意圖

  從圖1中可以看出, 待匹配的部分用ZL表示, 將其與元件Z1連接形成串聯電路, ZLZ2之間以并聯方式連接, 同時Z1、Z2構成的電路還與Z3進行串聯, 與另一個待匹配點進行連接。在smith圓圖中, 電抗元件互相串聯可以使圖中的阻抗點呈現出等電導圓的形式進行移動。因此使用計算機仿真設計對T型匹配網進行設計時, 首先基于待匹配點串聯的基礎上, 會沿著等電阻圓開始移動, 之后在并聯的情況下進行移動, 最后Z1、Z2、ZL之間構成并聯電路, 與Z3形成串聯, 可以再次使用smith圓圖獲得等電阻圓的移動運行軌跡。結合Matlab軟件進行編程與建模操作, 阻抗與導納表現會在smith圓圖中呈現出歸一化的數值, 將50Ω當做標準的參考阻抗數值。在匹配網絡中, Z1與Z3之間作為串聯電路形式, 可以首先確定兩個匹配點在圓圖中, 之后勾勒出等電位的圓形。網絡中的Z2與其他元器件的連接為并聯形式。只能使用等勢電導圓對電阻圓進行連接。品質因數會對等電導圓產生重要影響, 若Q的數值為5, 利用Matlab軟件對品質因數的線路進行繪制, 線路與等電阻圓交點部分的電導數值就可以當做等電導圓的數值, 之后找到二者之間的交點, 就可以獲得實際的電導數值, 將數值作為基礎對等電導圓進行繪制。到此為止, 將所得到的smith圓圖作為基礎開展計算, 就可以獲得準確的T型網絡相關原件的具體電感參數。

  使用計算機仿真技術對天線網絡調配完成之后并不意味工作結束, 應構建模型的搭建實物, 若效果不理想, 還是需要重新返工, 會大幅提升勞動量。因此使用Multisim軟件, 可以將該問題有效解決, 其中包含可以進行虛擬測試的相關工具, 對各種仿真電路高效執行, 還可以將電路的真實數據參數準確測出。

  使用Multsim軟件按照T型調配網絡結構對各種元件進行連接, 在其兩端部分利用網絡分析儀連接, 使用網絡分析儀可以對匹配網絡的任意一支電路阻抗進行測試, 之后利用軟件可以隨意修改數值, 從而加強天線調配網絡的設計效果。

  5、 結語

  本文敘述了利用計算機仿真技術, 對廣播電視發射天線的安裝與網絡調配進行設計。因此可以看出天線的設計輻射場形與預想場形會存在較大差距, 利用計算機輔助仿真設計技術, 可以加強廣播電視天線與覆蓋規劃設計的準確性與效率, 同時還可以對天線網絡調配發揮至關重要的作用。另外對于發射塔在進行天線選擇的過程中, 需要將服務區域的設計需求作為基礎, 對設計進行優化, 只有獲取天線的實際場形之后才能對覆蓋效果進行更加準確的預測。

  參考文獻:

  [1]胡永剛.基于WRAP軟件的廣播電視場強覆蓋預測[J].科技創新導報, 2016, 13 (28) :77~78.
  [2]檀杉.基于計算機仿真的中波天線調配網絡設計[J].科技資訊, 2015, 13 (35) :66+68.
  [3]張學明, 賈志鵬, 許云林, 魯抗, 張洪順.公眾應急信息發布系統FM廣播頻率規劃研究[J].中國無線電, 2014 (12) :38~41.

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