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(guò)程中,產(chǎn)生了許多國(guó)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(zhuān)門(mén)針對(duì)移動(dòng)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(xiě)）,它的發(fā)表克服了以往人們采用DVB-T標(biāo)準(zhǔn)在移動(dòng)中接收地面數(shù)字電視的局限性和功耗大等缺點(diǎn),已成為專(zhuān)門(mén)用來(lái)向移動(dòng)設(shè)備中傳輸視音頻、多媒體內(nèi)容的“點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的廣播系統(tǒng),為移動(dòng)中接收數(shù)字電視開(kāi)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(fèi)電子、個(gè)人計(jì)算機(jī)、通信工具（即3C）真正地融合在一起,把電視機(jī)變成為一個(gè)顯示器加一塊超大規(guī)模集成電路芯片的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)。
這樣的電視機(jī)不需要射頻調(diào)諧器、中放、制式解碼器、機(jī)頂盒,從而可以大幅度降低高清晰數(shù)字電視機(jī)的成本,更容易普及。而系統(tǒng)只需要的是一個(gè)全向螺旋微帶貼片天線。
我國(guó)發(fā)展數(shù)字電視的時(shí)間表表明,2008年數(shù)字電視在全國(guó)將全面展開(kāi),2015年全國(guó)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(guò)渡的商機(jī)有所作為。
2 移動(dòng)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(zhuān)門(mén)為地面移動(dòng)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(gè)城市建立3～4個(gè)不同功率的發(fā)射臺(tái)（視地形而定）,然后用GPS上的原子鐘秒信號(hào)進(jìn)行同步和單頻網(wǎng)適配器進(jìn)行延時(shí)調(diào)整,以確保在不同點(diǎn)上同時(shí)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(hù)間隔等概念。這樣就保證了在半徑50km左右和一個(gè)城市的90％覆蓋范圍,以及汽車(chē)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(hào)。
2.2接收系統(tǒng)
移動(dòng)接收系統(tǒng)主要包括：移動(dòng)接收天線、移動(dòng)數(shù)字電視接收機(jī)、移動(dòng)接收控制軟件、移動(dòng)存儲(chǔ)軟硬件以及顯示器件。在機(jī)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(chǔ)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(lái)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(dòng)接收地面數(shù)字電視的天線
3.1當(dāng)淘汰了機(jī)頂盒,把一體化電視機(jī)視為一種計(jì)算機(jī)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(jī)就能收看電視節(jié)目,在移動(dòng)中接收數(shù)字電視,因?yàn)樾盘?hào)隨地理位置而變化,信道特性作動(dòng)態(tài)變化,這就要求天線對(duì)不同信道的動(dòng)態(tài)特性變化的穩(wěn)定可靠性做出實(shí)時(shí)反映,在移動(dòng)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?cè)O(shè)計(jì)出一種全方位圓柱體螺旋微帶貼片天線,它把1/4波長(zhǎng)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(chē)）,同時(shí)也能設(shè)計(jì)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(zhǎng)全方位微帶螺旋貼片天線的示意圖,（a）是1/4波長(zhǎng)微帶諧振器,（b）是1/4波長(zhǎng)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(duì)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(duì)數(shù)據(jù)就同時(shí)給出,當(dāng)εr減小時(shí)介質(zhì)對(duì)場(chǎng)的“束縛”就減小,此時(shí)天線就易于輻射,但相對(duì)于天線的貯能就減小,Qr值下降,頻帶加寬,此時(shí)隨εr的減小會(huì)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?yàn)棣舝和tanδ是頻率的函數(shù),所以選擇好介質(zhì)基片后還要進(jìn)行實(shí)測(cè),以免設(shè)計(jì)饋電點(diǎn)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(jì)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(duì)微帶線寬度W的確定
因?yàn)閹Ь€的長(zhǎng)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(shí),W就取決于εe,W的取值可按下列公式計(jì)算

其中fr為工作頻率
C為光速
εr為相對(duì)介電常數(shù)
fr選擇的是該城市電視臺(tái)工作頻道的鄰頻道（例如上海電視臺(tái)為CH38,我們選擇CH39）,其目的是共用一個(gè)發(fā)射塔的天饋系統(tǒng),只需增加一個(gè)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(jì)算的寬度時(shí),其天線效率將會(huì)降低,大于上式時(shí),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(jì)算,在設(shè)計(jì)微帶線時(shí)對(duì)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(cè)中給出的不同W/n,√εe, Zo值。
3.3 對(duì)全向螺旋微帶貼片天線的修正
我們?cè)O(shè)計(jì)好的螺旋微帶線終端是開(kāi)路的,從理論上講終端開(kāi)路是具有無(wú)限大的開(kāi)路負(fù)載阻抗的,但實(shí)際上它不是真正的開(kāi)路,由于開(kāi)路端存在著電場(chǎng)的邊緣效應(yīng),相當(dāng)于在終端附加了一個(gè)終端電容,為抵消這個(gè)終端電容的影響,開(kāi)路端總要比理想設(shè)計(jì)的計(jì)算值縮短一個(gè)Δl長(zhǎng)度。
因?yàn)棣薵/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(huì)引入附加的電抗,所以要針對(duì)這種突變對(duì)微帶線進(jìn)行修正來(lái)抵消這種電抗的影響。
當(dāng)終端負(fù)載阻抗為無(wú)限大的λ/4傳輸線時(shí),其輸入組抗為零,如果終端負(fù)載接有一個(gè)附加電容仍要保持輸入阻抗為零,此時(shí)的微帶線就要縮短一個(gè)Δl長(zhǎng)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(jì)算要引入許多復(fù)變函數(shù)極為復(fù)雜,同時(shí)又給出許多假設(shè)條件,不易得出準(zhǔn)確的結(jié)果,實(shí)際工作中要經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)的積累來(lái)修正,Δl一般取微帶線長(zhǎng)的0.2倍。
我們所設(shè)計(jì)的λg/4螺旋微帶貼片天線是用切掉微帶線一個(gè)角（例如圖2中的T1）來(lái)抵消終端電容,附加電抗的影響的,同時(shí)它還能微調(diào)諧振頻率,當(dāng)切掉T1時(shí)會(huì)使諧振頻率增加,對(duì)阻抗匹配影響甚微,當(dāng)切掉T2能頻率降低,但對(duì)阻抗影響很大,需重新調(diào)整阻抗匹配,所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將諧振頻率略往低一點(diǎn)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(yàn)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(shí),天線工作效率最好,由此可簡(jiǎn)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(diǎn)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(jì)安裝了一個(gè)玻璃鋼外罩加以保護(hù),預(yù)防雨雪侵害。天線底部加一塊磁鐵供吸在汽車(chē)頂部用。

4 結(jié)束語(yǔ)
 

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(dòng)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(chē)載一體化的數(shù)字電視接收機(jī)中收看電視節(jié)目,無(wú)需無(wú)線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的昂貴設(shè)備,目前在國(guó)外發(fā)展很快。我國(guó)的地面數(shù)字電視起步較晚,市場(chǎng)特別大,但缺乏自己的專(zhuān)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(kāi)發(fā)高級(jí)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(guó)需要有自己的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn),目前國(guó)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(kāi)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(mén)盡快公布我國(guó)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(lái)的高清晰度數(shù)字電視節(jié)目。

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