螺旋微帶貼片天線

螺旋微帶貼片天線

1 綜述
全球的電視事業(yè)在從模擬向數(shù)字化的平移過程中,產(chǎn)生了許多國際標(biāo)準(zhǔn),比如：地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)DVB-T標(biāo)準(zhǔn),衛(wèi)星數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)DVB-S標(biāo)準(zhǔn),有線數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)DVB-C標(biāo)準(zhǔn)。DVB組織最近還專門針對移動中接收數(shù)字電視的便攜式設(shè)備發(fā)布了傳輸標(biāo)準(zhǔn)DVB-H（H為Handhelds手持式的縮寫）,它的發(fā)表克服了以往人們采用DVB-T標(biāo)準(zhǔn)在移動中接收地面數(shù)字電視的局限性和功耗大等缺點,已成為專門用來向移動設(shè)備中傳輸視音頻、多媒體內(nèi)容的“點對多點”的廣播系統(tǒng),為移動中接收數(shù)字電視開辟了一條廣闊大道,這樣數(shù)字電視就從根本上改變了模擬電視的傳統(tǒng)概念,它把消費電子、個人計算機、通信工具（即3C）真正地融合在一起,把電視機變成為一個顯示器加一塊超大規(guī)模集成電路芯片的網(wǎng)絡(luò)計算機。
這樣的電視機不需要射頻調(diào)諧器、中放、制式解碼器、機頂盒,從而可以大幅度降低高清晰數(shù)字電視機的成本,更容易普及。而系統(tǒng)只需要的是一個全向螺旋微帶貼片天線。
我國發(fā)展數(shù)字電視的時間表表明,2008年數(shù)字電視在全國將全面展開,2015年全國停止模擬電視的播送,所以我們應(yīng)該抓住由模擬向數(shù)字化電視過渡的商機有所作為。
2 移動地面數(shù)字電視系統(tǒng)
2.1 發(fā)射系統(tǒng)
目前的發(fā)射系統(tǒng)一般采用歐洲的數(shù)字廣播地面標(biāo)準(zhǔn)（DVB-T）組建成單頻網(wǎng)系統(tǒng) （Single Frequency Networks.SFN）,也有采用專門為地面移動設(shè)備接收地面數(shù)字電視的廣播標(biāo)準(zhǔn) DVB-H的。在一個城市建立3～4個不同功率的發(fā)射臺（視地形而定）,然后用GPS上的原子鐘秒信號進行同步和單頻網(wǎng)適配器進行延時調(diào)整,以確保在不同點上同時同頻同步播出,并引入編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)和保護間隔等概念。這樣就保證了在半徑50km左右和一個城市的90％覆蓋范圍,以及汽車以180km/h速度行駛中,能安全穩(wěn)定地接收到地面數(shù)字電視信號。
2.2接收系統(tǒng)
移動接收系統(tǒng)主要包括：移動接收天線、移動數(shù)字電視接收機、移動接收控制軟件、移動存儲軟硬件以及顯示器件。在機頂盒未淘汰之前,系統(tǒng)仍采用MPEG4的音/視頻流和數(shù)據(jù)流的接收與回放系統(tǒng),使得在原有信道中傳輸更多的有用信息。采用大容量存儲器是為了節(jié)目快速更新和節(jié)目的存取,從而改善在惡劣的地面環(huán)境中所帶來的節(jié)目播放不連續(xù)性,也解決了在有限信道資源內(nèi)傳輸更多的節(jié)目。

3 移動接收地面數(shù)字電視的天線
3.1當(dāng)淘汰了機頂盒,把一體化電視機視為一種計算機以后,只要把全方位螺旋微帶貼片天線直接插入數(shù)字電視機就能收看電視節(jié)目,在移動中接收數(shù)字電視,因為信號隨地理位置而變化,信道特性作動態(tài)變化,這就要求天線對不同信道的動態(tài)特性變化的穩(wěn)定可靠性做出實時反映,在移動中天線需在全方位范圍內(nèi)保持一定的帶寬和增益。為此我們設(shè)計出一種全方位圓柱體螺旋微帶貼片天線,它把1/4波長的微帶諧振器呈螺旋狀地繞在具有一定厚度（h）的空心圓柱體上,其微帶貼片與地板構(gòu)成同軸圓柱體,體積比較小,可以和任何載體共形（例如汽車）,同時也能設(shè)計成任何規(guī)格（例如：50Ω,75Ω）的帶線與同軸聯(lián)結(jié)器聯(lián)結(jié),不需要匹配網(wǎng)絡(luò),且空芯內(nèi)部可以安裝有源電子器件。圖1就是1/4波長全方位微帶螺旋貼片天線的示意圖,（a）是1/4波長微帶諧振器,（b）是1/4波長全方位微帶螺旋貼片天線的示意圖。
選擇具有一定厚度h的介質(zhì),是為了增加輻射電導(dǎo),使輻射對應(yīng)的Qr值和總的Qt值下降,從而增加帶寬。當(dāng)介質(zhì)基片根據(jù)頻率選定后介電常數(shù)εr和損耗角正切tanδ這一對數(shù)據(jù)就同時給出,當(dāng)εr減小時介質(zhì)對場的“束縛”就減小,此時天線就易于輻射,但相對于天線的貯能就減小,Qr值下降,頻帶加寬,此時隨εr的減小會使介質(zhì)基片的尺寸加大,選擇大的損耗角正切能使 Qr下降,頻帶加寬,但天線效率卻降低很多,所以要統(tǒng)籌考慮。
因為εr和tanδ是頻率的函數(shù),所以選擇好介質(zhì)基片后還要進行實測,以免設(shè)計饋電點的位置出現(xiàn)偏差影響阻抗匹配。我們選用的介質(zhì)材料是聚四氟乙烯（PTFE）,按設(shè)計尺寸一次沖壓成型,然后用蒸發(fā),離子鍍銅工藝鍍好帶線與地板。
3.2 對微帶線寬度W的確定
因為帶線的長度λg/4,與εe（等效介電常數(shù),λg=λo/√εe）有關(guān),當(dāng)εr和n為已知時,W就取決于εe,W的取值可按下列公式計算

其中fr為工作頻率
C為光速
εr為相對介電常數(shù)
fr選擇的是該城市電視臺工作頻道的鄰頻道（例如上海電視臺為CH38,我們選擇CH39）,其目的是共用一個發(fā)射塔的天饋系統(tǒng),只需增加一個鄰頻數(shù)字雙工器就可接入。
數(shù)字電視一般工作在470～860MHz范圍內(nèi),帶寬為6～8MHz,接收天線的增益在4dB左右。
當(dāng)選用小于上式計算的寬度時,其天線效率將會降低,大于上式時,雖然可提高天線效率,但易產(chǎn)生高次模,影響圖像的清晰度。為了確保全向方向圖,微帶線的寬度應(yīng)大于圓柱體的直徑（D）為佳。
 

為避免工程上的復(fù)雜計算,在設(shè)計微帶線時對不同的介質(zhì),不同的尺寸帶線特性阻抗,可查微帶天線工程手冊中給出的不同W/n,√εe, Zo值。
3.3 對全向螺旋微帶貼片天線的修正
我們設(shè)計好的螺旋微帶線終端是開路的,從理論上講終端開路是具有無限大的開路負(fù)載阻抗的,但實際上它不是真正的開路,由于開路端存在著電場的邊緣效應(yīng),相當(dāng)于在終端附加了一個終端電容,為抵消這個終端電容的影響,開路端總要比理想設(shè)計的計算值縮短一個Δl長度。
因為λg/4微帶線是呈螺旋狀纏繞在圓柱體上的,在末端產(chǎn)生突變（變尖）,這種突變會引入附加的電抗,所以要針對這種突變對微帶線進行修正來抵消這種電抗的影響。
當(dāng)終端負(fù)載阻抗為無限大的λ/4傳輸線時,其輸入組抗為零,如果終端負(fù)載接有一個附加電容仍要保持輸入阻抗為零,此時的微帶線就要縮短一個Δl長度。
為了修正而去掉的Δl值與W、h、εr值有關(guān),用微帶線修正理論分析與計算要引入許多復(fù)變函數(shù)極為復(fù)雜,同時又給出許多假設(shè)條件,不易得出準(zhǔn)確的結(jié)果,實際工作中要經(jīng)過反復(fù)實驗與經(jīng)驗的積累來修正,Δl一般取微帶線長的0.2倍。
我們所設(shè)計的λg/4螺旋微帶貼片天線是用切掉微帶線一個角（例如圖2中的T1）來抵消終端電容,附加電抗的影響的,同時它還能微調(diào)諧振頻率,當(dāng)切掉T1時會使諧振頻率增加,對阻抗匹配影響甚微,當(dāng)切掉T2能頻率降低,但對阻抗影響很大,需重新調(diào)整阻抗匹配,所以設(shè)計時應(yīng)將諧振頻率略往低一點考慮比較有利。為使螺旋微帶貼片天線容易輻射與接收,在邊緣地帶留有一定距離的輻射縫隙（圖2中B）,經(jīng)驗證明兩帶之間的空間隔（圖2中S）,至少為微帶線寬度（W）的一半時,天線工作效率最好,由此可簡單地確定螺旋圈數(shù)。饋電方式直接影響到微帶線的輻射特性,我們選用50ΩBNC型接插件,背饋輸出、接插頭的中心線與微帶線饋電點聯(lián)結(jié),接地端與圓柱體內(nèi)壁地板相連。為使螺旋微帶貼片天線不受外界環(huán)境影響,在天線外部設(shè)計安裝了一個玻璃鋼外罩加以保護,預(yù)防雨雪侵害。天線底部加一塊磁鐵供吸在汽車頂部用。

4 結(jié)束語
 

螺旋微帶貼片天線具有全方位特性,所以它廣泛地應(yīng)用在移動接收地面數(shù)字電視廣播和手持設(shè)備中,它可以直接插入車載一體化的數(shù)字電視接收機中收看電視節(jié)目,無需無線自動跟蹤系統(tǒng)的昂貴設(shè)備,目前在國外發(fā)展很快。我國的地面數(shù)字電視起步較晚,市場特別大,但缺乏自己的專有產(chǎn)權(quán)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),盡管清華正在研制數(shù)字多媒體廣播地面（DMB-B）標(biāo)準(zhǔn),交大在開發(fā)高級數(shù)字電視廣播地面（ADTB-T）標(biāo)準(zhǔn) ,但都還在不斷完善之中,中國需要有自己的自主知識產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn),目前國內(nèi)廠商已有能力提供業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可的DVB 核心設(shè)備,也開播了不少數(shù)字電視頻道的試播節(jié)目,所以希望有關(guān)部門盡快公布我國自己的地面數(shù)字電視視頻廣播標(biāo)準(zhǔn),創(chuàng)造更好的數(shù)字電視環(huán)境,讓人們享受高科技帶來的高清晰度數(shù)字電視節(jié)目。

參考文獻
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