专利名称:优化甚高频/超高频电视接收天线的制作方法
本实用新型涉及一种室外彩色，黑白电视接收天线，特别是一种频带宽，增益高的甚高频／超高频电视接收天线。
随着电视广播的发展和普及，特别是超高频(UHF)频段电视频道的开发和利用，在大中城市里都用几个电视频道播出节目。随着各地彩色电视中心的建成使用，还会用一些新的频道播出电视节目。如果安装几副天线来接收几个频道的节目，不但造价高，安装不方便；同时还需要解决几副天线相互间的电磁兼容问题。因此，广大用户急需具有增益高，收看频道多等特点的彩色电视接收天线。
目前，一些厂家生产出几种甚高频／超高频电视接收天线，但因它们或是结构复杂(天线单元多达10到20个)，或是增益低，兼容性差，在距电视台中等距离的地方，就不能较好地接收到超高频(UHF)频段的电视节目，因而不适于一般家庭用户的普及使用。而本实用新型是针对我国电视频道分布的具体情况，研制出来的一种甚高频(VHF)／超高频(UHF)电视接收天线，其特点是结构和尺寸合理，具有经过计算机优化计算的引向振子(1)，(2)，X型对称馈电振子(3)(以后简称优化X型对称馈电振子)和反射振子(4)，故本实用新型具有增益高，频带宽(能接收到1－48频道满意的电视图像，特别适于距电视台50公里范围内接收我国电视频道最集中的2－36频道的电视节目)，主瓣强，方向性好，结构合理，造价低的优点。
一般甚高频(VHF)／超高频(UHF)电视接收天线，均有各自频段的半波馈电振子，通过馈电点间的匹配装置来实现组合，因此这一类天线需要较多的天线单元和复杂的匹配组合装置，而本实用新型的馈电振子－－优化X型对称馈电振子(3)，在设计各尺寸参数上兼顾了甚高频(VHF)和超高频(UHF)两个频段，在甚高频(VHF)频段上，优化X型对称馈电振子(3)设计成宽频带半波天线馈电振子；在超高频(UHF)频段上，优化X型对称馈电振子(3)设计成高增益1.5倍波长天线馈电振子，最大增益可达10.2db。这些结果是利用现代最新的线天线计算机辅助设计方法－－矩量法，进行分析和优化设计后取得的。这种方法改变了以往X型对称馈电振子的四条边同处在与天线主杆相垂直的平面内，以及反射振子在天线主杆两侧的边与天线主杆垂直的传统设计方法。
通过计算机数值计算，对本实用新型各振子长度，相互间距和角度进行优化。现简要地把用矩量法分析和优化设计天线的过程叙述如下根据电磁场理论中的麦克斯韦方程
首先求解天线振子上的电流分布，只要电流分布求出，天线的方向图，输入阻抗，增益就容易求出，因天线是理想导体所以由边界条件可知天线表面总电场的切向分量为零。
其中
为天线表面单位矢量，
为天线表面总电场，令入射到细线天线上的电场为
，线轴向感应电流为Ie，则二者关系可用微分积分方程描述
式中
是座标原点分别到场点和源点的矢径，e′表示在线天线某一振子(如主馈电振子)的轴线上座标为(x′，y′，
)的点，如图3所示，L表示在线天线的整个轴线上的积分路径。
用线性矢量空间和算子的概念，把(7)式写成算子方程
式中Lop是算子，对所给定的天线振子各分段单元的位置和尺寸而言，它应当是确定的。(
)是已知的激励函数或源，而
是待确定的未知响应函数。一旦电流分布
求出，天线的方向图，输入阻抗，增益都可以算出，要解出(8)式的电流分布，必须作如下的数学处理对天线各振子进行分段，即把轴线L分成几段，建立矩量法计算模型，采用著名的伽略金(Galerkin)法(可参见〔计算机技术在电磁学中的应用〕，美国R.米特拉，人民邮电出版社出版)取脉冲函数为电流基函数，δ函数 为权函数，把(8)式从电流算子方程化为矩阵方程［Z］［I］＝［V］ (9)并根据天线振子各分段单元的位置和尺寸，应用上述方法，计算出天线的广义阻抗矩阵〔Z〕，〔Z〕表示天线振子各分段单元之间的互阻抗或自阻抗，它只与(8)式的算子Lop和采用的基函数，权函数有关。〔I〕为天线的电流矩阵，表示天线振子各分段单元的电流值，为未知的响应矩阵。〔V〕为天线的电压矩阵，表示天线振子各分段单元的外加电压值，为已知的激励矩阵或源矩阵。已知馈电点两端的电压Uin＝1(归一化值)，则电压矩阵〔V〕可知，那麽，天线上的电流分布为［I］＝［Z］－1［V］ 〔10〕天线馈电点的输入阻抗可由下式求出Zin＝Uin／Iin
其中Uin为馈电点两端的电压，计算时取归一化电压值Uin＝1；Iin为馈电点的输入电流，由(10)式求出的电流分布中得出。
根据由(10)式求出的电流分布，远场方向图为
其中γ，θ，φ为远区场点的座标
为已知的天线振子的电流分布。
天线辐射功率增益为G＝30K2(E2θ＋E2φ)／Re(Uin·Iin＊) (12)在天线优化过程中，选择天线最大增益和馈线特性阻抗作天线优化的约束，改变天线的各尺寸参数和角度参数使目标函数(F)达到最小值。
F＝a(1／GM)2＋［(R0＋Rin)2＋(X0－Xin)2］ 〔13〕式中馈线特性阻抗Z0＝R0＋jX0，取Z0＝300欧姆从(12)式求出天线的最大增益，a为天线优化的加权系数，一般取2.5。
下面以对本实用新型的优化X型对称馈电振子(3)的角度参数的优化为例说明优化过程(各振子长度和间距保持不变)。如图3所示优化X型对称馈电振子有四条等长的边D，E，F，G，边D，边E构成的平面与边F，边G构成的平面之间的夹角为β，边D，边E之间的夹角和边F，边G之间的夹角均为α，由β，α可以定出天线轴线上任意一点的座标e′(x′，y′，
)，因此对应不同的β，α由公式(7)可知，天线振子的电流分布Ie(e′)随之变化，则整个天线的方向图，输入阻抗和增益也发生变化，我们的目的是找出一对β和α，使天线具有最高的增益，并且输入阻抗易与馈线的特性阻抗相匹配。
优化角度参量输入初值为β＝180，α＝40在初值条件下，根据上述方法和给出公式(7)－(13)，计算结果为在甚高频段最大增益可达7.08db，波瓣宽度为34；在超高频段最大增益可达7.8db，波瓣宽度为29，在目标函数约束下，改变角度参数β，α，使目标函数F值逐渐减小，直至达到最小值，最后优化结果为当β＝120.4°，α＝44.7°时，本实用新型在甚高频段最大增益可达8.1db，波瓣宽度为29°；在超高频段最大增益可达10.2db，波瓣宽度为21°。经过上述优化过程，最终得到优化X型对称馈电振子(3)的角度参数β，α。一般我们取α等于43°－47°；取β小于180°，等于118°－122°。
结合附图1对本实用新型的结构作以下详细地描述在天线主杆(5)上开有四组定位孔，从端部算起的两组定位孔供平行安装两个引向振子(1)，(2)，并分别用固定件固定在天线主杆(5)上，引向振子(1)，(2)的长度分别为216－218毫米，218－222毫米；第三组定位孔用于对称地固定上述优化X型对称馈电振子(3)，其优化X型对称馈电振子(3)的各边长度均为453－457毫米。第四组定位孔用于对称地固定反射振子(4)，反射振子(4)在天线主杆(5)两侧的边之间的夹角β′小于180°，我们取β′等于118°－122°，在天线主杆(5)上四个单元的相互间距A，B，C依次为125－128毫米，88－92毫米，318－322毫米。
本实用新型在北京距电视发射台50公里处的平原地带，天气条件不限，天线高度5米以上，引向振子指向电视发射台，采用8米300欧姆扁馈线，用金星牌14吋彩色电视机可接收到2，6，8，21频道(10千瓦发射台)和15频道(1千瓦发射台)满意的电视图像。其效果优于市场上现有的八木，鱼骨，及对数周期等天线在同一条件下使用的收看效果。本实用新型在甚高频(VHF)频段的增益最高可达8.1db，在超高频(UHF)频段的增益最高可达10.2db。
结合附图3说明本实用新型馈线的联接方法优化X型对称馈电振子(3)中，边D，边E与一个馈电点(6)相接，边F，边G与另一个馈电点(7)相接。天线馈线两端分别与馈电点(6)，(7)相接。
当使用300欧姆扁馈线时，馈线应与金属物体离开一定距离，减少电磁干扰，但在超高频(UHF)频段上扁馈线损耗剧增，故馈线不宜太长；为达到较好的收看效果，应选用75欧姆的同轴线。
由于高频对金属物体产生趋肤效应，本实用新型的优化X型对称馈电振子(3)可用铜，铝，铝合金管材，带状材料或镀金属膜的各种条状材料制成。
图1.甚高频／超高频电视接收天线三视图(一)主视图，(二)俯视图，(三)左视图。
1，2为引向振子，3为优化X型对称馈电振子，4为反射振子，5为天线主杆，β′表示反射振子在天线主杆两侧的边之间的夹角。
图2.甚高频／超高频电视接收天线立体图图3.优化X型对称馈电振子立体图D，E，F，G为该馈电振子的四个边，6，7为馈电点。
l′是该馈电振子上座标为(x′，y′，
)的一点。
分别是座标原点到场点和源点的矢经。
α既表示边D，边E之间的夹角，也表示边F，边G之间的夹角β表示边D，边E构成的平面与边F，边G构成的平面之间的夹角。
权利要求
1.室外彩色，黑白电视接收天线，特别是高增益的甚高频(VHF)/超高频(UHF)电视接收天线，该天线有四个单元，在天线主杆(5)上，开有四组定位孔，从端部算起的两组定位孔供平行地安装两个引向振子(1)，(2)，第三组和第四组定位孔分别用于固定优化X型对称馈电振子(3)和反射振子(4)，本实用新型的特征在于天线主杆(5)上四个单元的相互间距A，B，C依次为125--128毫米，88-92毫米，318-322毫米，引向振子(1)，(2)的长度分别为216-218毫米，218-222毫米，优化X型对称馈电振子(3)有四条等长的边D，E，F，G，边长均为453-457毫米，边D与边E之间的夹角α，边F与边G之间的夹角α均为43-47度，边D，边E构成的平面与边F，边G构成的平面之间的夹角β，以及反射振子(4)在天线主杆(5)两侧的边之间的夹角β′均小于180度。
2.根据权利要求
1所述的甚高频(VHF)／超高频(UHF)电视接收天线其特征是，优化X型对称馈电振子(3)中边D，边E构成的平面与边F，边G构成的平面之间的夹角β，以及反射振子(4)在天线主杆(5)两侧的边之间的夹角β′均为118度－122度
3.根据权利要求
1所述的甚高频(VHF)／超高频(UHF)电视接收天线其特征是，优化X型对称馈电振子(3)可用铜，铝，铝合金管材，带状材料或镀金属膜的各种材料制成。
专利摘要
本实用新型涉及一种甚高频/超高频电视接收天线，在天线主杆上固定有两个相互平行的引向振子和优化X型对称馈电振子以及反射振子，优化X型对称馈电振子的四条边和反射振子在天线主杆两侧的边不与天线主杆垂直，并且结构设计合理。本天线在甚高频段和超高频段内增益最高分别达8.1db和10.2db，接收频率从1到48。特别适于距电视台50公里内接收2—36频道的电视节目。
文档编号H01Q9/04GK87209289SQ87209289
公开日1988年9月14日 申请日期1987年6月20日
发明者王芃 申请人:王芃导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan