螺旋微带贴片天线

螺旋微带贴片天线

1 综述
全球的电视事业在从模拟向数字化的平移过程中,产生了许多国际标准,比如：地面数字电视传输系统DVB-T标准,卫星数字电视传输系统DVB-S标准,有线数字电视传输系统DVB-C标准。DVB组织最近还专门针对移动中接收数字电视的便携式设备发布了传输标准DVB-H（H为Handhelds手持式的缩写）,它的发表克服了以往人们采用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,已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,这样数字电视就从根本上改变了模拟电视的传统概念,它把消费电子、个人计算机、通信工具（即3C）真正地融合在一起,把电视机变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。
这样的电视机不需要射频调谐器、中放、制式解码器、机顶盒,从而可以大幅度降低高清晰数字电视机的成本,更容易普及。而系统只需要的是一个全向螺旋微带贴片天线。
我国发展数字电视的时间表表明,2008年数字电视在全国将全面展开,2015年全国停止模拟电视的播送,所以我们应该抓住由模拟向数字化电视过渡的商机有所作为。
2 移动地面数字电视系统
2.1 发射系统
目前的发射系统一般采用欧洲的数字广播地面标准（DVB-T）组建成单频网系统 （Single Frequency Networks.SFN）,也有采用专门为地面移动设备接收地面数字电视的广播标准 DVB-H的。在一个城市建立3～4个不同功率的发射台（视地形而定）,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,以确保在不同点上同时同频同步播出,并引入编码正交频分复用调制技术和保护间隔等概念。这样就保证了在半径50km左右和一个城市的90％覆盖范围,以及汽车以180km/h速度行驶中,能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、移动数字电视接收机、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MPEG4的音/视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性,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,把一体化电视机视为一种计算机以后,只要把全方位螺旋微带贴片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,因为信号随地理位置而变化,信道特性作动态变化,这就要求天线对不同信道的动态特性变化的稳定可靠性做出实时反映,在移动中天线需在全方位范围内保持一定的带宽和增益。为此我们设计出一种全方位圆柱体螺旋微带贴片天线,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,体积比较小,可以和任何载体共形（例如汽车）,同时也能设计成任何规格（例如：50Ω,75Ω）的带线与同轴联结器联结,不需要匹配网络,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贴片天线的示意图,（a）是1/4波长微带谐振器,（b）是1/4波长全方位微带螺旋贴片天线的示意图。
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。当介质基片根据频率选定后介电常数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,但相对于天线的贮能就减小,Qr值下降,频带加宽,此时随εr的减小会使介质基片的尺寸加大,选择大的损耗角正切能使 Qr下降,频带加宽,但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还要进行实测,以免设计馈电点的位置出现偏差影响阻抗匹配。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成型,然后用蒸发,离子镀铜工艺镀好带线与地板。
3.2 对微带线宽度W的确定
因为带线的长度λg/4,与εe（等效介电常数,λg=λo/√εe）有关,当εr和n为已知时,W就取决于εe,W的取值可按下列公式计算

其中fr为工作频率
C为光速
εr为相对介电常数
fr选择的是该城市电视台工作频道的邻频道（例如上海电视台为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,接收天线的增益在4dB左右。
当选用小于上式计算的宽度时,其天线效率将会降低,大于上式时,虽然可提高天线效率,但易产生高次模,影响图像的清晰度。为了确保全向方向图,微带线的宽度应大于圆柱体的直径（D）为佳。
 

为避免工程上的复杂计算,在设计微带线时对不同的介质,不同的尺寸带线特性阻抗,可查微带天线工程手册中给出的不同W/n,√εe, Zo值。
3.3 对全向螺旋微带贴片天线的修正
我们设计好的螺旋微带线终端是开路的,从理论上讲终端开路是具有无限大的开路负载阻抗的,但实际上它不是真正的开路,由于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,为抵消这个终端电容的影响,开路端总要比理想设计的计算值缩短一个Δl长度。
因为λg/4微带线是呈螺旋状缠绕在圆柱体上的,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。
当终端负载阻抗为无限大的λ/4传输线时,其输入组抗为零,如果终端负载接有一个附加电容仍要保持输入阻抗为零,此时的微带线就要缩短一个Δl长度。
为了修正而去掉的Δl值与W、h、εr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经验的积累来修正,Δl一般取微带线长的0.2倍。
我们所设计的λg/4螺旋微带贴片天线是用切掉微带线一个角（例如图2中的T1）来抵消终端电容,附加电抗的影响的,同时它还能微调谐振频率,当切掉T1时会使谐振频率增加,对阻抗匹配影响甚微,当切掉T2能频率降低,但对阻抗影响很大,需重新调整阻抗匹配,所以设计时应将谐振频率略往低一点考虑比较有利。为使螺旋微带贴片天线容易辐射与接收,在边缘地带留有一定距离的辐射缝隙（图2中B）,经验证明两带之间的空间隔（图2中S）,至少为微带线宽度（W）的一半时,天线工作效率最好,由此可简单地确定螺旋圈数。馈电方式直接影响到微带线的辐射特性,我们选用50ΩBNC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。为使螺旋微带贴片天线不受外界环境影响,在天线外部设计安装了一个玻璃钢外罩加以保护,预防雨雪侵害。天线底部加一块磁铁供吸在汽车顶部用。

4 结束语
 

螺旋微带贴片天线具有全方位特性,所以它广泛地应用在移动接收地面数字电视广播和手持设备中,它可以直接插入车载一体化的数字电视接收机中收看电视节目,无需无线自动跟踪系统的昂贵设备,目前在国外发展很快。我国的地面数字电视起步较晚,市场特别大,但缺乏自己的专有产权技术标准,尽管清华正在研制数字多媒体广播地面（DMB-B）标准,交大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,中国需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公布我国自己的地面数字电视视频广播标准,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
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5 王家胜.“具有介质的微极天线理论研究”
微带天线专题会议,1983