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摘要: 电视发射天线是电视信号传输中的重要设备,天线工作状态的好坏决定着发射效果,因此,天线的安装和日常维护尤为重要,主要介绍天线的选配安装和维护及解决办法。
关键词: 层数;零点填充;增益;匹配
随着广播电视行业的改革,各省市先后成立了广播电视发射台,担负着无线覆盖率任务。但是长期以来存在着重宣传、轻技术、重播控、轻发射,重有线轻无线,重发射机、轻发射天线等问题。所以发射天线成为整个广播电视系统工程中的轻中之轻。除了专业部门外,很少有人重视了解研究发射天线,因而,天线系统存在着一些问题,从而造成了场型覆盖不好,发射效率低、资源能源浪费。为此,广播电视的天馈线系统存在一些误区。针对这个问题的提出,进行一下具体讨论和解决。
1 片面追求天线层数,而导致了垂直场型的变坏
不少电视台,为了尽量扩大本台的覆盖范围,在发射机功率被限定的情况下,片面的追求天线的层数,以增加天线增益而扩大本台的覆盖,有的台采用8层或8层以上偶极子天线,或8层蝙蝠翼天线,结果覆盖并不理想,造成远近地区都收看不好,在高山上,甚至在飞机上才能看好。有的在城区收看不好,而在区外非覆盖区反而能收看好。其主要原因是天线增益太高,造成垂直方向图主瓣过窄,零点太多,因此欲用多层增益天线,必须注意以下几个问题:
1.1 适当选择天线层数
天线层数(增益)并不是越多越好,必须根据实际覆盖要求,对天线层数进行合理的选择。在发射机输出功率相同的情况下,在低于水平面0-2.5度时,12层天线对应的服务场强要强。而2.5-7度之内的6层天线对应的服务场要强。即在近区内场强要强。这是因为当天线层数越多时,其垂直面的方向性越尖锐,因而远区场强增加,而近区场强减弱,所以并非层数越多越好,这样不仅浪费资金,同时还增加发射塔承重,一般情况下应该采取6-8层比较适宜。
1.2 做好波束下倾角及零点填充
当天线层数(特别是多层)选定后,必须进行波束下倾和零点填充,如不进行波束下倾,如前所述,高增益天线主波瓣太窄且最大辐射方向沿水平方向,则最大辐射方向和电波落不了地。造成能量的浪费。如不进行零点填充,近区的零点区场强太弱,出现“灯下黑”现象。此两项要求一般都由生产厂家,在天线设计生产中都已考虑到。用户在现场要由专业技术人员按厂家要求进行安装。
波束下倾及零点填充一般有两种方法。
1.2.1 机械方法
机械方法进行波束下倾及零点填充就是选择一层或几层反射板,使其沿水平方向下倾一定角度,因此此种方法较适合于超增益天线,反射板状天线,如偶极子天线、双环天线等等。
多层天线出现零点的原因是上下层天线等功率同相位馈电,需要算出不同天线层数的零点。天线上、下层功率同相位激励, 对于高山台,为了达到较好的覆盖效果,可使多层天线同时下倾一个角度,避免出现发射近距离死角,保障发射全覆盖。
1.2.2 电气方法
电气方法进行波束下倾及零点填充较适用于中大功率电视台。天线系统产生零点的条件是各天线单元在某一点产生的合成场强大小相等、方向相反。当上、下层天线之间的馈电相位改变时,使合成场为零处不再为零,从而达到零点填充的目的。确定各层,各振子,分馈电缆的电气长度。当然此项工作最好借助于计算机来完成,使其既能满足零点填充又能满足束下倾的要求。一般要求,第一个零点填充15%,第二个零点填充7%。一般大功率电视台的波束下倾控制在30以内。当N层天线分为两等分,采用电气方法波束下倾及零填充后,上、下层采用等功率,不同相激励。
2 共用一套天馈线系统存在的问题
由天线双工器而引起的场型及驻波比变坏,目前在分米波电视频段,有不少电视台为了节省天线采用多部发射机共用一套天馈线系统,但没有注意到会产生两个问题,一是水平方向性不好,二是驻波比不好。这主要是天馈系统设计不合理造成的。天线系统有两种馈电方式,一种是等幅同相馈电,即一层天线四个方向的振子馈电相位相同,另一种是90°相位差馈电,即一层天线四个面振子的馈电相位差分别是90°,一般等幅同相位馈电,由于反射波的相位相同互相叠加,使驻波比变坏,即使加上其它的补偿手段,匹配带宽也不易展宽。而90°相位差馈电,使系统的反射波相位相反,互相抵消,因而其驻波比匹配带宽是比较宽的,但其方向性图带宽即是很窄的,只能用单一频道,有些用户并没有注意到这一点,盲目使用天线多工器,致使服务区水平方向性图变坏。为什么其水平方向会变成窄带呢?因为90°相位差仅对单频而言的,当频率左右变化时,四个方向的相位不再是90°相位差关系,积累到第三个方向,相位差得更多,同时安装偏置尺寸,也是对于某一单频的,随着频率的变化,偏置尺寸相对也变,因此水平方向性图变坏。如果在实用中取两频道的中间频率制造分馈电缆来产生相位差及安装天线的偏置尺寸,则两频道的方向图都不好,如果取单一频道来制造分馈电缆及安装偏置尺寸,则一个频道方向性图好,另一个频道则不好,如果三个频道三工,问题会更大。在实用中如何来解决这一问题呢?既能照顾到系统的水平方向性又能展宽系统的驻比带宽。我们做如下讨论:如果我们把N层天线分成上、下两部分,下层天线的支架比上层天线支架长,而上层天线分馈电缆比下层短,而功分器输出口各分馈电缆上的相位相同,因而对远区某一点的合成场相位是相同的。对于天线系统来说,由于电缆的波程差造成了反射波的相位差,使反射波相互抵消。从而达到了展宽驻波比带宽的目的。当工作频率左右移动时,合成场相位始终是同相的。因此这种安装方法具有较宽的方向性图带宽和驻波比带宽。是多部发射机共用一套天线较理想的一种安装方法。
3 忽略了系统匹配而导致了系统效率与增益下降
众所周知,天线增益系数与天线的型式、工作波长、层数、层间距等因素有关。特别是整个系统的阻抗匹配有很大关系。理想情况下即天线的方向性系数等于增益系数,但实际情况下会有变化,使天线增益下降。在实际工作中有一些厂家及用户并没有注意系统内各环节的阻抗匹配。在调试天线时只关心系统总驻波比,没有充分注意到从主馈线、功分器、分馈线、振子之间的阻抗匹配,特别不注意分馈线与单元振子之间的阻抗匹配,只凭理论设计的馈电铜皮及槽宽,不加任何调整,系统联接好后稍微调一下功分器电容盘即交工完事。表面上系统驻波比可能达到要求,但各分馈电缆并没有与振子达到真正的阻抗匹配。从功分器输出的功率有相当大一部分浪费。另外有些厂家对分馈电缆也没有给予足够的重视,分馈线在整个天线系统中起到很重要的能量传输作用,从功分器输出的功率靠分馈电缆传递给各振子。如分馈电缆本身质量不佳,也会造成天线效率降低。另外有的厂家测量分馈线长度是取机械长度,用米尺量,而不是电长度。分馈线电线的电长度不精确这就很难保证各振子之间的准确的相位差,特别是U频段。因而影响天线的方向性及场型。所以为提高天线系统的增益及效率,应注意以下几个问题: 3.1 首先精选分馈电缆及其电长度
对分馈电缆要求要损耗小,驻波小,条件允许的话尽量选直径大一点的电缆做分馈线,以尽量减小损耗,如一波段四层翼型天线,每根分馈线约10M,16根分馈线共计160M,如分馈线质量不好或直径太小将有很大一部分功率白白消耗在160M的电缆上。最好每根分馈线逐个测量,要求驻波比S为1.1。为保证分馈线的电长度,基准起始分馈电缆要尽量取其半波长的整数倍(介质波长),因为半波长阻抗的重复性,可避免了由于分馈线本身的驻波比对整个系统的不良影响。取分馈线的电长度可用扫描仪测量,有条件的话最好用网络分析仪。
3.2 仔细调整系统匹配
当天线系统运到用户工地后,调试人员当认真地按步骤开展系统调试工作。天线安装好后。特别是蝙蝠翼天线,首先应对每对振子进行匹配调试,使每对振子达到最佳匹配,有的厂家要求分馈系统驻波比S≤1.2,这样要求太低,根据实际调试经验,翼型天线分馈系统驻波比完全可达到S≤1.1,偶极子天线更不成问题,只要分馈系统驻波比达到S=1.1,变阻器以上的系统指标肯定大大小于1.1,所以分馈系统的调试非常关键。对于偶极子天线出厂前已调好,但经过运输,最好上塔前进行一次检验测试,使分馈系统驻波比都保证在S≤1.1。
变阻器与主馈线之间的阻抗匹配也应给予足够的重视,因为国产电缆指标相对较差,使变阻器与主馈电缆线之间需匹配器,或者精确选择主馈线的电长度,也可以解决,即主馈线的电长度也选择在介质工作波的半波长的整数倍,以避免主馈线的驻波影响系统驻波比。经这样调试,系统指标很容易达到甲级指标。
4 难以解决的遗留问题
由施工质量差,造成的天馈系统指标下降,天馈线即使在厂里设计、加工中保证了质量,到用户工地实地安装调试中没有很好的安装调试服务,也会使前期的一切努力化为泡影。因天线工程高空作业,用户很少派人上塔进行工程监督,个别施工人员责任心不强,在施工中粗心马虎,给用户留下许多以后很难解决的遗留问题,可总结为以下方面的问题。
4.1 密封不严,造成漏水停播
天馈线漏水是经常遇到也是最普遍的问题。大多数是分馈线电缆头没拧紧,或是硅胶没密封好,造成漏雨。由于分馈线长期漏水,雨水沿变阻器下行到主馈线,使发射机负载短路,造成严重后果。
4.2 天线工作一段时间后,指标严重下降
经上塔逐一检查,经常出现的故障是分馈电缆头没做好,造成电缆外皮接触不良,或者是因材料质量不好使振子、螺钉、部件生锈造成接触不良,使指标下降。
4.3 测试手段落后,测试误差较大
目前因国内大部分天线生产厂家,在工地天线调试仪器普遍比较落后,一般采用测试电缆法或驻波比电桥法。测试电缆法用的大部分测试电缆本身的驻波比就比较大,配上匹配校正小盒在V频段还勉强可用,但在U频段,因视频率太高,会引入较大的误差,只好使用驻波电桥,但国产驻波电桥及衰减器引入的误差甚至会更大,所以欲把天线调整到最佳匹配状态非常困难。至于网络分析仪,大部分厂家及电视台都因价格太高问题放弃。
总之,根据目前国内天馈线系统存在的一些问题,有关部门首先应该加强对天馈线系统的重视,因为天线质量不好或出问题造成电视台全台人员的一切努力将化为泡影。应确立天线系统是广播电视系统工程中最后一个也是最重要的一个环节的观念,加强对天线厂的投入,引进先进的天线设计、生产、测试设备,加强内部管理,才能生产出高质量的天馈线,才能使我们的广播电视设备更好地为广大观众服务。
参考文献:
[1]《广播电视技术手册》第七分册.
关键词: 层数;零点填充;增益;匹配
随着广播电视行业的改革,各省市先后成立了广播电视发射台,担负着无线覆盖率任务。但是长期以来存在着重宣传、轻技术、重播控、轻发射,重有线轻无线,重发射机、轻发射天线等问题。所以发射天线成为整个广播电视系统工程中的轻中之轻。除了专业部门外,很少有人重视了解研究发射天线,因而,天线系统存在着一些问题,从而造成了场型覆盖不好,发射效率低、资源能源浪费。为此,广播电视的天馈线系统存在一些误区。针对这个问题的提出,进行一下具体讨论和解决。
1 片面追求天线层数,而导致了垂直场型的变坏
不少电视台,为了尽量扩大本台的覆盖范围,在发射机功率被限定的情况下,片面的追求天线的层数,以增加天线增益而扩大本台的覆盖,有的台采用8层或8层以上偶极子天线,或8层蝙蝠翼天线,结果覆盖并不理想,造成远近地区都收看不好,在高山上,甚至在飞机上才能看好。有的在城区收看不好,而在区外非覆盖区反而能收看好。其主要原因是天线增益太高,造成垂直方向图主瓣过窄,零点太多,因此欲用多层增益天线,必须注意以下几个问题:
1.1 适当选择天线层数
天线层数(增益)并不是越多越好,必须根据实际覆盖要求,对天线层数进行合理的选择。在发射机输出功率相同的情况下,在低于水平面0-2.5度时,12层天线对应的服务场强要强。而2.5-7度之内的6层天线对应的服务场要强。即在近区内场强要强。这是因为当天线层数越多时,其垂直面的方向性越尖锐,因而远区场强增加,而近区场强减弱,所以并非层数越多越好,这样不仅浪费资金,同时还增加发射塔承重,一般情况下应该采取6-8层比较适宜。
1.2 做好波束下倾角及零点填充
当天线层数(特别是多层)选定后,必须进行波束下倾和零点填充,如不进行波束下倾,如前所述,高增益天线主波瓣太窄且最大辐射方向沿水平方向,则最大辐射方向和电波落不了地。造成能量的浪费。如不进行零点填充,近区的零点区场强太弱,出现“灯下黑”现象。此两项要求一般都由生产厂家,在天线设计生产中都已考虑到。用户在现场要由专业技术人员按厂家要求进行安装。
波束下倾及零点填充一般有两种方法。
1.2.1 机械方法
机械方法进行波束下倾及零点填充就是选择一层或几层反射板,使其沿水平方向下倾一定角度,因此此种方法较适合于超增益天线,反射板状天线,如偶极子天线、双环天线等等。
多层天线出现零点的原因是上下层天线等功率同相位馈电,需要算出不同天线层数的零点。天线上、下层功率同相位激励, 对于高山台,为了达到较好的覆盖效果,可使多层天线同时下倾一个角度,避免出现发射近距离死角,保障发射全覆盖。
1.2.2 电气方法
电气方法进行波束下倾及零点填充较适用于中大功率电视台。天线系统产生零点的条件是各天线单元在某一点产生的合成场强大小相等、方向相反。当上、下层天线之间的馈电相位改变时,使合成场为零处不再为零,从而达到零点填充的目的。确定各层,各振子,分馈电缆的电气长度。当然此项工作最好借助于计算机来完成,使其既能满足零点填充又能满足束下倾的要求。一般要求,第一个零点填充15%,第二个零点填充7%。一般大功率电视台的波束下倾控制在30以内。当N层天线分为两等分,采用电气方法波束下倾及零填充后,上、下层采用等功率,不同相激励。
2 共用一套天馈线系统存在的问题
由天线双工器而引起的场型及驻波比变坏,目前在分米波电视频段,有不少电视台为了节省天线采用多部发射机共用一套天馈线系统,但没有注意到会产生两个问题,一是水平方向性不好,二是驻波比不好。这主要是天馈系统设计不合理造成的。天线系统有两种馈电方式,一种是等幅同相馈电,即一层天线四个方向的振子馈电相位相同,另一种是90°相位差馈电,即一层天线四个面振子的馈电相位差分别是90°,一般等幅同相位馈电,由于反射波的相位相同互相叠加,使驻波比变坏,即使加上其它的补偿手段,匹配带宽也不易展宽。而90°相位差馈电,使系统的反射波相位相反,互相抵消,因而其驻波比匹配带宽是比较宽的,但其方向性图带宽即是很窄的,只能用单一频道,有些用户并没有注意到这一点,盲目使用天线多工器,致使服务区水平方向性图变坏。为什么其水平方向会变成窄带呢?因为90°相位差仅对单频而言的,当频率左右变化时,四个方向的相位不再是90°相位差关系,积累到第三个方向,相位差得更多,同时安装偏置尺寸,也是对于某一单频的,随着频率的变化,偏置尺寸相对也变,因此水平方向性图变坏。如果在实用中取两频道的中间频率制造分馈电缆来产生相位差及安装天线的偏置尺寸,则两频道的方向图都不好,如果取单一频道来制造分馈电缆及安装偏置尺寸,则一个频道方向性图好,另一个频道则不好,如果三个频道三工,问题会更大。在实用中如何来解决这一问题呢?既能照顾到系统的水平方向性又能展宽系统的驻比带宽。我们做如下讨论:如果我们把N层天线分成上、下两部分,下层天线的支架比上层天线支架长,而上层天线分馈电缆比下层短,而功分器输出口各分馈电缆上的相位相同,因而对远区某一点的合成场相位是相同的。对于天线系统来说,由于电缆的波程差造成了反射波的相位差,使反射波相互抵消。从而达到了展宽驻波比带宽的目的。当工作频率左右移动时,合成场相位始终是同相的。因此这种安装方法具有较宽的方向性图带宽和驻波比带宽。是多部发射机共用一套天线较理想的一种安装方法。
3 忽略了系统匹配而导致了系统效率与增益下降
众所周知,天线增益系数与天线的型式、工作波长、层数、层间距等因素有关。特别是整个系统的阻抗匹配有很大关系。理想情况下即天线的方向性系数等于增益系数,但实际情况下会有变化,使天线增益下降。在实际工作中有一些厂家及用户并没有注意系统内各环节的阻抗匹配。在调试天线时只关心系统总驻波比,没有充分注意到从主馈线、功分器、分馈线、振子之间的阻抗匹配,特别不注意分馈线与单元振子之间的阻抗匹配,只凭理论设计的馈电铜皮及槽宽,不加任何调整,系统联接好后稍微调一下功分器电容盘即交工完事。表面上系统驻波比可能达到要求,但各分馈电缆并没有与振子达到真正的阻抗匹配。从功分器输出的功率有相当大一部分浪费。另外有些厂家对分馈电缆也没有给予足够的重视,分馈线在整个天线系统中起到很重要的能量传输作用,从功分器输出的功率靠分馈电缆传递给各振子。如分馈电缆本身质量不佳,也会造成天线效率降低。另外有的厂家测量分馈线长度是取机械长度,用米尺量,而不是电长度。分馈线电线的电长度不精确这就很难保证各振子之间的准确的相位差,特别是U频段。因而影响天线的方向性及场型。所以为提高天线系统的增益及效率,应注意以下几个问题: 3.1 首先精选分馈电缆及其电长度
对分馈电缆要求要损耗小,驻波小,条件允许的话尽量选直径大一点的电缆做分馈线,以尽量减小损耗,如一波段四层翼型天线,每根分馈线约10M,16根分馈线共计160M,如分馈线质量不好或直径太小将有很大一部分功率白白消耗在160M的电缆上。最好每根分馈线逐个测量,要求驻波比S为1.1。为保证分馈线的电长度,基准起始分馈电缆要尽量取其半波长的整数倍(介质波长),因为半波长阻抗的重复性,可避免了由于分馈线本身的驻波比对整个系统的不良影响。取分馈线的电长度可用扫描仪测量,有条件的话最好用网络分析仪。
3.2 仔细调整系统匹配
当天线系统运到用户工地后,调试人员当认真地按步骤开展系统调试工作。天线安装好后。特别是蝙蝠翼天线,首先应对每对振子进行匹配调试,使每对振子达到最佳匹配,有的厂家要求分馈系统驻波比S≤1.2,这样要求太低,根据实际调试经验,翼型天线分馈系统驻波比完全可达到S≤1.1,偶极子天线更不成问题,只要分馈系统驻波比达到S=1.1,变阻器以上的系统指标肯定大大小于1.1,所以分馈系统的调试非常关键。对于偶极子天线出厂前已调好,但经过运输,最好上塔前进行一次检验测试,使分馈系统驻波比都保证在S≤1.1。
变阻器与主馈线之间的阻抗匹配也应给予足够的重视,因为国产电缆指标相对较差,使变阻器与主馈电缆线之间需匹配器,或者精确选择主馈线的电长度,也可以解决,即主馈线的电长度也选择在介质工作波的半波长的整数倍,以避免主馈线的驻波影响系统驻波比。经这样调试,系统指标很容易达到甲级指标。
4 难以解决的遗留问题
由施工质量差,造成的天馈系统指标下降,天馈线即使在厂里设计、加工中保证了质量,到用户工地实地安装调试中没有很好的安装调试服务,也会使前期的一切努力化为泡影。因天线工程高空作业,用户很少派人上塔进行工程监督,个别施工人员责任心不强,在施工中粗心马虎,给用户留下许多以后很难解决的遗留问题,可总结为以下方面的问题。
4.1 密封不严,造成漏水停播
天馈线漏水是经常遇到也是最普遍的问题。大多数是分馈线电缆头没拧紧,或是硅胶没密封好,造成漏雨。由于分馈线长期漏水,雨水沿变阻器下行到主馈线,使发射机负载短路,造成严重后果。
4.2 天线工作一段时间后,指标严重下降
经上塔逐一检查,经常出现的故障是分馈电缆头没做好,造成电缆外皮接触不良,或者是因材料质量不好使振子、螺钉、部件生锈造成接触不良,使指标下降。
4.3 测试手段落后,测试误差较大
目前因国内大部分天线生产厂家,在工地天线调试仪器普遍比较落后,一般采用测试电缆法或驻波比电桥法。测试电缆法用的大部分测试电缆本身的驻波比就比较大,配上匹配校正小盒在V频段还勉强可用,但在U频段,因视频率太高,会引入较大的误差,只好使用驻波电桥,但国产驻波电桥及衰减器引入的误差甚至会更大,所以欲把天线调整到最佳匹配状态非常困难。至于网络分析仪,大部分厂家及电视台都因价格太高问题放弃。
总之,根据目前国内天馈线系统存在的一些问题,有关部门首先应该加强对天馈线系统的重视,因为天线质量不好或出问题造成电视台全台人员的一切努力将化为泡影。应确立天线系统是广播电视系统工程中最后一个也是最重要的一个环节的观念,加强对天线厂的投入,引进先进的天线设计、生产、测试设备,加强内部管理,才能生产出高质量的天馈线,才能使我们的广播电视设备更好地为广大观众服务。
参考文献:
[1]《广播电视技术手册》第七分册.