一種用于移動接收地面數(shù)字電視的天線設(shè)計(jì)

前言
全球電視事業(yè)從模擬向數(shù)字化平移過程中，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；衛(wèi)星數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)DVB-S；有線數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)DVB-C。DVB組織最近又專門針對移動中接收數(shù)字電視的傳輸系統(tǒng)公布了DVB-H標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)不僅克服了以往采用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(diǎn)，而且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(diǎn)對多點(diǎn)”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)字電視從根本上改變了模擬電視的傳統(tǒng)概念，把消費(fèi)電子、個(gè)人計(jì)算機(jī)、通訊工具真正地融合在一起，把電視機(jī)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)（這塊集成電路包括了RISC CPU，MPEG音/視頻，各種接口、存儲器和可升級換代的視頻圖形卡VGA等），它可以直接使用計(jì)算機(jī)語言，能接入互聯(lián)網(wǎng)，加入視頻游戲以及多媒體業(yè)務(wù)，于是在美國最近宣布將要淘汰機(jī)頂盒和聯(lián)結(jié)它的額外電纜，它把數(shù)字電視信號直接插入數(shù)字電視機(jī)中（如果要收看收費(fèi)電視或條件接收CA電視，用戶只須面向電視機(jī)中插入由有線數(shù)字電視服務(wù)商提供的即插即用卡，即可收看電視）。
這樣的電視機(jī)沒有射頻調(diào)諧器、中放、制式解碼器、機(jī)頂盒，可以大幅度地降低高清晰度數(shù)字電視機(jī)的成本，更容易普及。
我國發(fā)展數(shù)字電視的時(shí)間表已定，借奧運(yùn)之風(fēng)2008年數(shù)字電視將在全國全面展開，2015年全國停止模擬電視的播送。
移動地面數(shù)字電視系統(tǒng)
發(fā)射系統(tǒng)
發(fā)射系統(tǒng)一般是采用歐洲的數(shù)字視頻廣播地面標(biāo)準(zhǔn)（DVB-T）組建成的單頻網(wǎng)系統(tǒng)SFN（Single Frequency Networks），也有采用專門為地面移動設(shè)備中接收數(shù)字電視的廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB-H。它是在一個(gè)城市建立3_4個(gè)不同功率的發(fā)射臺，然后用GPS上的原子鐘秒信號進(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)COFDM和保護(hù)間隔等概念。這樣保證在半徑50km左右和一個(gè)城市的90%覆蓋范圍內(nèi)，以及汽車以180km/h速度行駛中，安全穩(wěn)定地接收到地面數(shù)字電視信號。
接收系統(tǒng)
移動接收系統(tǒng)主要包括：移動接收天線、移動接收機(jī)、移動接收控制軟件、移動存儲軟硬件以及顯示器件。在機(jī)頂盒未淘汰之前，系統(tǒng)仍采用顯示器件。在機(jī)頂盒末淘汰之前，系統(tǒng)仍采用MPEG-4的視/音頻流和數(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。采有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)問題，也解決了在有限信道資源內(nèi)傳輸更多的節(jié)目。
移動接收地面數(shù)字電視的天線
當(dāng)淘汰了機(jī)頂盒，把電視機(jī)視為一種計(jì)算機(jī)以后，只要把全向天線直接插入數(shù)字電視機(jī)就能收看電視節(jié)目，在移動中接收數(shù)字電視，因?yàn)樾盘柺请S不同地理位置變化，而信道特性是作動態(tài)變化的，這就要求天線對不同信道的動態(tài)特性變化的穩(wěn)定可靠性作出實(shí)時(shí)反映，在移動中天線須在全方位范圍內(nèi)保證一定的帶寬和增益。為此我們設(shè)計(jì)出一種全方位圓柱體螺旋微帶天線，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，共微帶貼片與地板構(gòu)成同軸圓柱體，體積比較短小，可以和任何載體（例如汽車）共形，同時(shí)可以設(shè)計(jì)成任何規(guī)格（50Ω，75Ω）與同軸電纜聯(lián)結(jié)，不須匹配網(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天線的示意圖，其中（a）是λg/4的微笑諧振器，（b）是λg/4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(shí)給出，當(dāng)εr減小時(shí)介質(zhì)對場的“束縛”就減小，Qr值下降，頻帶加寬，但εr減小會使介質(zhì)基片尺寸加大，選擇大的損耗角正切才能使Qr下降頻帶加寬，但此時(shí)天線效率卻降低很多，所以要統(tǒng)籌考慮。
圖1λg/4全方位微帶螺旋天線示意圖
因?yàn)棣舝和tanδ是頻率的函數(shù)，所以選擇好介質(zhì)基片后要進(jìn)行實(shí)測，以免設(shè)計(jì)饋電點(diǎn)的位置出現(xiàn)偏差而影響阻抗匹配。我們選用的介質(zhì)材料是聚四氟乙烯（PTFE），按設(shè)計(jì)尺寸一次沖壓而成型，然后用蒸發(fā)，離子鍍銅工藝鍍帶線和地板。
微帶帶寬W的確定
因?yàn)閹Ь€長度λg/4與εe（等效介電常數(shù)，λg=λ0/）有關(guān)，當(dāng)εr和h為已知時(shí)，W就取決于εe，可按下列公式計(jì)算：
W=（）
式中，_r——工作頻率；
C——光速
εr—相對介電常數(shù)。
_r選擇的是該城市電視臺的工作頻道的鄰頻道（例如上海臺為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)，只需鄰頻道數(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，增益在4dB左右。
當(dāng)選用小于上式計(jì)算出的寬度時(shí)，其天線效率將會降低，大于上式時(shí)雖然效率較高但易產(chǎn)生高次模影響圖像的清晰度。
為避免工程上的復(fù)雜計(jì)算，在設(shè)計(jì)微帶線時(shí)對不同介質(zhì)、不同尺寸的帶線特性阻抗，可查閱微帶天線工程手冊中給出的W/h，,Zo。
螺旋微帶線的修正
因?yàn)槁菪Ь€的終端是開路的，我們理論上認(rèn)為終端開路具有無限大的開路負(fù)載阻抗，實(shí)際上它不是真正的開路，在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(gè)終端電容，為了低消這個(gè)終端電容的影響，開路端要比理想設(shè)計(jì)計(jì)算值縮短一個(gè)△ι長度。
因?yàn)榻K端負(fù)載阻抗為無窮大λg/4傳輸線的輸入阻抗為零，當(dāng)終端負(fù)載接有一個(gè)附加電容時(shí)，如果仍要保持輸入阻抗為零，此時(shí)微帶線就要縮短一個(gè)△ι長度。
因?yàn)棣薵/4微帶線是呈螺旋狀纏繞在圓柱體上，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(jìn)行修正來抵消這種電抗的影響。
其修正值所去掉的△ι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)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)與積累的經(jīng)驗(yàn)來修正，△ι一般取微帶線的0.2倍。
我們設(shè)計(jì)的λg/4螺旋巾片天線用切掉微帶線的一個(gè)角（例如圖2中的T1）來抵消終端電容，附加電抗的影響，同時(shí)它還能微調(diào)諧振頻率，當(dāng)切掉T1時(shí)會使頻率增加，對阻抗匹配影響甚微。當(dāng)切掉T2時(shí)也使頻率降低，但對阻抗影響很大，需重新調(diào)整，所以設(shè)計(jì)時(shí)將諧振工作頻率略往低一點(diǎn)考慮，比較有利。為使螺旋微帶天線容易輻射和接收，在邊緣地帶留有一定距離的輻射縫隙（B）。經(jīng)驗(yàn)證明兩帶之間（S）的空間間隔至少為微帶寬度（W）的一半時(shí)，天線工作效率最好，因此可簡單地確定螺旋圈數(shù)，為了保證全向方向圖，微帶寬度不應(yīng)小于圓柱的直徑（D）。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。為使螺旋微帶線不受外界環(huán)境的影響，在螺旋貼片微帶天線外部加一個(gè)玻璃鋼外罩保護(hù)預(yù)防雨雪侵害。天線底部加一塊磁鐵吸在汽車頂部。
圖2是螺旋微帶貼片天線的平面展開圖和切角的部位圖。

圖2螺旋微帶貼片天線的平面展開圖及切角的部位圖
結(jié)語
我國發(fā)展移動數(shù)字電視較晚，但發(fā)展速度非?？?，這對中國的電視制造商來說，正面臨著一個(gè)巨大的商機(jī)。因?yàn)楦咔逦鹊臄?shù)字圖象和完美的家庭影院的音頻效果，是驅(qū)動消費(fèi)群體更新?lián)Q代電視機(jī)的主要因素，現(xiàn)在正處在“周期更新階段”，尤其在移動數(shù)字地面電視系統(tǒng)。
接收地面數(shù)字電視是未來手機(jī)中的一個(gè)重要功能，我們可以借助于本文中的設(shè)計(jì)方法，提供出一種更小型的內(nèi)置于手機(jī)內(nèi)部的移動數(shù)字電視接收天線，來滿足體育愛好者在手機(jī)屏上觀看地面數(shù)字移動電視廣播的進(jìn)球鏡頭，并可即時(shí)回放。如果手機(jī)用戶每天花費(fèi)10分鐘時(shí)間，觀看手機(jī)電視，那么手機(jī)的使用時(shí)間就會翻番，效益非?？捎^，且接聽電話不會中斷電視廣播，收看電視也不會阻塞電話網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)楸銛y式數(shù)據(jù)視頻廣播網(wǎng)（DVB-H）是與IP數(shù)據(jù)網(wǎng)融合在一起的。
中國必須有自己的自主知識產(chǎn)權(quán)的移動接收地面數(shù)字視頻廣播的便攜式標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)國內(nèi)發(fā)展數(shù)字電視的需要，目前國內(nèi)廠商已經(jīng)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，所以有關(guān)部門應(yīng)該盡快公布我國自己的移動地面數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)造更好的數(shù)字電視環(huán)境，讓人們在不同環(huán)境中都能享受到高科技帶來的高清晰度電視節(jié)目。