用于移动接收地面数字电视的天线设计

2019-11-03 17:54:16

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供稿：网友

　　赵会平中国科学院国家天文台

　　摘要：本文介绍了近几年兴起的地面数字电视系统的结构，并着重叙述了移动中接收地面数字电视的全方位圆柱体微带螺旋天线的设计。

　　关键词：数字电视全方位微带螺旋天线 DVB-H

　　1 综述

　　全球电视事业从模拟向数字化平移过程中，产生了许多国际标准，比如：地面数字电视传输系统DVB-T；卫星数字电视传输系统DVB-S；有线数字电视传输系统DVB-C。DVB组织最近又专门针对移动中接收数字电视的传输系统公布了DVB-H标准，该标准不仅克服了以往采用DVB-T标准在移动中接收地面数字电视的局限性和功耗大等缺点，而且成为专门用来向移动设备中传输视音频、多媒体内容的“点对多点”的广播系统，为移动中接收数字电视开辟了一条广阔大道，这样数字电视从根本上改变了模拟电视的传统概念，把消费电子、个人计算机、通讯工具(即3C)真正地融合在一起，把电视机成为一个显示器加一块超大规模集成电路芯片的网络计算机(这块集成电路包括了RISC CPU，MPEG音/视频，各种接口、存储器和可升级换代的视频图形卡VGA等)，它可以直接使用计算机语言，能接入互联网，加入视频游戏以及多媒体业务，于是在美国最近宣布将要淘汰机顶盒和联结它的额外电缆，它把数字电视信号直接插入数字电视机中(如果要收看收费电视或条件接收CA电视，用户只须面向电视机中插入由有线数字电视服务商提供的即插即用卡，即可收看电视)。

　　这样的电视机没有射频调谐器、中放、制式解码器、机顶盒，可以大幅度地降低高清晰度数字电视机的成本，更容易普及。

　　我国发展数字电视的时间表已定，借奥运之风2008年数字电视将在全国全面展开，2015年全国停止模拟电视的播送。

　　2 移动地面数字电视系统

　　21 发射系统

　　发射系统一般是采用欧洲的数字视频广播地面标准(DVB-T)组建成的单频网系统SFN(Single Frequency Networks)，也有采用专门为地面移动设备中接收数字电视的广播标准DVB-H。它是在一个城市建立3～4个不同功率的发射台，然后用GPS上的原子钟秒信号进行同步和单频网适配器进行延时调整，以确保不同点上同时同频同步播出，并引入了编码正交频分复用调制技术COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)和保护间隔等概念。这样保证在半径50km左右和一个城市的90%覆盖范围内，以及汽车以180km/h速度行驶中，安全稳定地接收到地面数字电视信号。

　　22 接收系统

　　移动接收系统主要包括：移动接收天线、移动接收机、移动接收控制软件、移动存储软硬件以及显示器件。在机顶盒未淘汰之前，系统仍采用MPEG-4的视/音频流和数据流的接收与回放系统，使得在原有信道中传输更多的有用信息。采用大容量存储器是为了节目快速更新和节目的存取，从而改善在恶劣的地面环境中所带来的节目播放不连续问题，也解决了在有限信道资源内传输更多的节目。

　　3 移动接收地面数字电视的天线

　　31 当淘汰了机顶盒，把电视机视为一种计算机以后，只要把全向天线直接插入数字电视机就能收看电视节目，在移动中接收数字电视，因为信号是随不同地理位置变化，而信道特性是作动态变化的，这就要求天线对不同信道的动态特性变化的稳定可靠性作出实时反映，在移动中天线须在全方位范围内保证一定的带宽和增益。为此我们设计出一种全方位圆柱体螺旋微带天线，它把1/4波长的微带谐振器呈螺旋状地绕在具有一定厚度(h)的空心圆柱体上，其微带贴片与地板构成同轴圆柱体，体积比较短小，可以和任何载体(例如汽车)共形，同时可以设计成任何规格(50Ω，75Ω)与同轴电缆联结，不须匹配网络，且空芯内部可以安装有源电子器件，图1就是1/4波长全方位微带螺旋天线的示意图，其中(a)是λg/4的微带谐振器，(b)是λg/4微带螺旋贴片天线的示意图［1］。

　　选择具有一定厚度(h)的介质，是为了增加辐射电导使辐射对应的Qr值和总的QT值下降，从而增加带宽。当介质基片选定后介电常数εr和损耗角正切tanδ这一对数据就同时给出，当εr减小时介质对场的“束缚”就减小，此时天线就易于辐射，但相对于天线的储能就减小，Qr值下降，频带加宽，但εr的减小会使介质基片尺寸加大，选择大的损耗角正切才能使Qr下降频带加宽，但此时天线效率却降低很多，所以要统筹考虑。

　　因为εr和tanδ是频率的函数，所以选择好介质基片后要进行实测，以免设计馈电点的位置出现偏差而影响阻抗匹配。我们选用的介质材料是聚四氟乙烯(PTFE)，按设计尺寸一次冲压而成型，然后用蒸发，离子镀铜工艺镀带线和地板。

　　32 对微带带宽W的确定

　　因为带线长度λg/4与εe(等效介电常数，λg＝λ0／εe)有关，当εr和h为已知时，W就取决于εe，可按下列公式计算：W＝C2fr(εr＋12)－12［2］式中，fr——工作频率；

　　C——光速；

　　 r——相对介电常数。

　　fr选择的是该城市电视台的工作频道的邻频道(例如上海台为CH38，我们选择CH39，其目的是共用一个发射塔的天馈系统，只需增加一个邻频道数字双工器就可接入)。

　　数字电视一般工作在470～860MHz范围内，带宽为6～8MHz，增益在4dB左右。

　　当选用小于上式计算出的宽度时，其天线效率将会降低，大于上式时虽然效率较高但易产生高次模影响图像的清晰度。

　　为避免工程上的复杂计算，在设计微带线时对不同介质、不同尺寸的带线特性阻抗，可查阅微带天线工程手册中给出的W/h，εe，Z0值［3］。

　　33 对螺旋微带线的修正

　　因为螺旋微带线的终端是开路的，我们理论上认为终端开路具有无限大的开路负载阻抗，实际上它不是真正的开路，在开路端存在着电场的边缘效应，相当于在终端附加了一个终端电容，为了抵消这个终端电容的影响，开路端要比理想设计计算值缩短一个Δl长度。因为终端负载阻抗为无穷大λg/4传输线的输入阻抗为零，当终端负载接有一个附加电容时，如果仍要保持输入阻抗为零，此时微带线就要缩短一个Δl长度。

　　因为λg/4微带线是呈螺旋状缠绕在圆柱体上，在末端产生突变(变尖)，这种突变会引入附加的电抗，所以要针对这种突变对微带线进行修正来抵消这种电抗的影响。

　　其修正值所去掉的Δl值与W，h，εr值有关，用微带线修正理论分析与计算要引入许多复变函数极为复杂，同时又给出许多假设条件，不易得出准确的结果，实际工作中要经过反复实验与积累的经验来修正，Δl一般取微带线的02倍。

　　我们设计的λg/4螺旋贴片天线用切掉微带线的一个角(例如图2中的T1)来抵消终端电容，附加电抗的影响，同时它还能微调谐振频率，当切掉T1时会使频率增加，对阻抗匹配影响甚微。当切掉T2时也使频率降低，但对阻抗影响很大，需重新调整，所以设计时将谐振工作频率略往低一点考虑，比较有利。为使螺旋微带天线容易辐射和接收，在边缘地带留有一定距离的辐射缝隙(B)。经验证明两带之间(S)的空间间隔至少为微带宽度(W)的一半时，天线工作效率最好，因此可简单地确定螺旋圈数，为了保证全向方向图，微带宽度不应小于圆柱的直径(D)。馈电方式直接影响到微带线的辐射特性，我们选用50Ω BNC型接插件，背馈输出，接插头的中心线与微带线馈电点联结，接地端与圆柱体内壁地板相连。为使螺旋微带线不受外界环境的影响，在螺旋贴片微带天线外部加一个玻璃外罩保护，预防雨雪侵害。天线底部加一块磁铁吸在汽车顶部［4、5］

　　４结束语

　　我国发展数字电视起步较晚，但发展速度非常快，市场特别大，但是缺乏自己专有产权的技术标准，尽管清华正在研制数字多媒体广播地面(DMB-T)标准，交大也正在开发高级数字电视广播地面(ADTB-T)标准，但都还在不断完善之中，中国必须要有自己的自主知识产权的标准。目前，国内厂商已有能力提供业内人士认可的DVB核心设备，也开播了不少数字电视频道的试播节目，所以希望有关部门尽快地公布我国自己的地面数字视频广播标准，创造更好的数字电视环境，让人们享受高科技带来的高清晰度数字电视节目。

　　参考文献

　　［1］Krall，A•D••The Omni Microstrip Antenna，A New Small Antenna•IEEE Tras On Antennas and PRopagation.Vol,AP-27,1979,pp,850～853

　　［2］Schroeder，K•G••Miniature Slotted -Cylinder Antennas•Mincrowaves，Vol，3，Dec，1964，pp，28～37

　　［3］Handbook of Microstrip Antennas Vol•1,2.Ed,by J R James & P S Hall,1990

　　［4］方大纲•嵌入不同介质层微带衬底水平偶极子的张量格林函数•微带天线专题会议，1983

　　［5］王家胜•具有介质层的微带偶极天线理论研究•微带天线专题会议，1983

　　作者简介：赵会平，系中国科学院国家天文台高级工程师，中国电子学会高级会员。主要研究移动接收卫星电视的天线自动跟踪系统，移动接收地面数字电视的螺旋微带贴片天线，GPS的民间应用等方面内容。

摘自西部广播电视

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