电视椭圆形园极化

     广播机构已经看到相比有线电视观众或卫星电视观众数量，无线电视观众数量正在下降。不过，在如笔记本电脑、媒体播放器、手机、车载显示器这样的便携式装置上收看电视的兴趣正在增长。为推动对便携式/手持式装置的电视广播，广播机构组成了开放移动视频联盟（OMVC），而ATSC M/H也已经顺利成为一个候选移动电视标准。对固定接收行之有效的传统发射系统设计不一定是使RF信号进入这些移动/手持装置的最佳方式。

现在很少使用椭圆或圆极化
     现在大多数电视台仅仅采用水平极化发射信号。在美国1237个特许数字电视台中，只有6.2%采用任何的垂直极化，而699个后转换建设许可证中13.7%至少有一些功率是垂直极化。由于FCC干扰和分配调查只以水平极化为基础，修改原有建设许可指定椭圆或圆极化相对容易，因此我们可以看到随着越来越多的广播机构检查其无线信号的使用情况，此百分百将增大。
     在讨论采用椭圆极化（EP）或圆极化（CP）的好处和折衷前，值得指出的是并非所有有水平和垂直信号的天线都是CP或EP，相反有可能是偏极化。偏极化或倾斜极化的天线发射兼有垂直和水平极化的信号。这样一种天线的使用似乎违反FCC规则第73.682(a)节，它要求CP或EP天线右极化。使用一发射一个偏离垂直面45°的偏极化信号的天线的电视台，当信号在倾斜面确实为200kW时，可能需要100kW水平极化（“h-pol”）和100kW垂直极化（“v-pol”）。

          图1 试验结果——大散射、去极化环境，CP提供所有可能服务的裕度改善

     虽然偏极化天线提供更多的耦合进入垂直极化接收天线，并提供CP天线的2倍功率耦合进朝向相同极化角的偶极天线，但在视线路径很容易看到，在偶极天线被旋转到偏离发射极化90°时，信号显著减弱。对一个真正的CP或EP天线，应无接收天线减弱信号的角度。将发射信号描述为一个旋转矢量，这与只针对偏极化的平面内的一个矢量相对比。偏极化天线不可能提供与CP或EP天线相同的优点。
     设计一种CP或EP的天线比把水平极化天线和垂直极化天线之间的发射功率分离要复杂。Antenna Concepts公司在其Blaster系列天线中采用多层螺旋天线作为辐射体。它们产生真正的CP信号。
     Dielectric Communications公司在其新型TUM宽带板状天线中采用正交偶极子，用一个分配器控制功率分离，实现可变数量的真正EP或CP。这确保分离偶极子的相位关系在不同频率保持不变，而且每块板只需要一根馈电线。在缝隙天线中，垂直缝隙产生一个水平极化信号。向缝隙加入一个外部偶极子，可产生一个垂直极化信号，它在与水平极化信号有恰当的相位关系时，产生EP或CP信号。
     我在与ERI和Dielectric公司合作设计数字电视转换后的EP天线过程中了解到让垂直极化方位图与方向性水平极化方位图相配很难。水平极化图内一个小变化可能允许与垂直极化图有更好的匹配。天线制造商有能精确模仿两种极化图的软件，使他们能修改天线物理设计，实现最佳匹配。
     发射EP或CP需要某些折衷。如果水平极化ERP和极化图方向性不被改变，将需要额外的发射功率。CP运作将要求双倍的发射功率，从而增加资金和运行成本。通过变窄水平面辐射场型或垂直辐射场型而提高总天线增益，可以降低发射机要求。采用更有方向性的垂直极化方位图也可能有益。它不改变FCC覆盖。更有方向性的垂直辐射场型增加增益，但可能降低某些区域的场强而要求更多的发射塔空间。最坏情况下，可能有必要减少水平极化覆盖，增加垂直极化。这值得吗？

CP的好处
     ERI和Dielectric在NAB08发表了阐述CP优点的论文。ERI高级射频工程师Myron Fanton表示垂直和水平极化信号是非相关的，原因是主要的传播效应—视线接收、障碍物绕射、反射和折射（某种程度上）都是极化敏感的。在水平极化信号内发射一个空值的地方，垂直极化信号内不可能出现，反之亦然。使用恰当的分集接收系统，对瑞利（非视线）传播，分集增益为9-11dB。在这种情形，降低水平极化3dB以产生CP，依然导致系统性能有6-8dB的总增益。
     Dielectric工程和技术高级副总裁Kerry Cozad指出上世纪90年代初期进行的现场试验显示垂直极化增加10%-15%，图像质量有显著的提高。不过，WRAL-TV电视台的数字电视试验发现增加一个垂直极化信号对图像质量没有改善。Dielectric的EP天线出货量在1995年达到顶峰，一直到去年他们销量急剧增加时出货量才减少。Dielectric售出的移动媒体（700MHz）天线100%为圆极化。为确定CP与线性极化的可比程度，DielectricZ先进天线系统开发总监John Schadler在测试室一头安排了一面有水平极化、垂直极化或CP能力的发射天线，在中间放置了大量散射物体，而在另一头放置了安装在轮子上（表示会自由移动的手机或便携式媒体装置）的一面天线。在手机旋转时，记录不同发射天线结构的场强。结构显示，相比单纯的水平极化或垂直极化天线，CP在信号可变性方面有4-5dB的提高。有趣的是，在可变性方面，单纯的垂直极化信号要比单纯的水平极化信号差1dB。降低可变性等效于增加SNR裕量。Dielectric的测试显示对手持式接收，为获得CP或EP而牺牲一些水平极化ERP也许是值得的。

必须有垂直极化
     在新天线设计中包括垂直极化还有另一个理由。在市区，手机/手持式装置可能没有对准发射天线的可视通路，而且就算有，周围的建筑物将提供对信号去极化的反射——反射将改变信号极性。这意味着即使接收天线和发射天线为正交极化，接收机都可能找到一条提供接收的路径。到市区外的有对发射天线的可视通路的高架快车道，可能有少量的反射，提供车载天线需要的垂直极化信号。
     至此，如果室内、移动或便携式接收是重要的话，需要一些量的垂直极化的有效辐射功率（ERP）应该是显而易见的了。难以做出的决定是需要多少ERP?完全CP可能是最佳的，而且对于VHF数字电视台也不过于困难。确实，如果干扰或FCC功率/高度管制限制水平极化ERP，转向全CP不失为一种获得更多发射的RF的途径。
     对于工作于1000kW ERP的UHF电视台，倍增发射机规模和功率账单的理由不太成立。在该情况下需估计受众的位置。如果移动电视是重要的话，不要忘记公路。用一种更有方向性的水平场型提供对主要人口居住区的覆盖，用分布式传输覆盖其它方向单独的社区吗？例如，全方向性场型可能并非威尔逊山上洛杉矶UHF台的最佳选择，因为对北方的覆盖除了几个方向外全部方向都被几座山阻挡。威尔逊山另一边上的一部中等功率分布式发射机是服务此人口的一种更佳方式。如果发射机位于服务区的中心，若移动/手持/便携式接收是电视台的核心商业模式，不采用最大发射功率1000kW ERP水平极化，而是降低水平极化ERP到750kW，并把其它250kW注入垂直极化信号或甚至降至500kW和转向全CP，也许更佳。此方案的优点是在将来如果需要更多的功率，可以在无需更换天线费用和中断服务的情况下增加放大器机柜。

最佳极化比
     一旦作出发射椭圆极化信号的决定，下一个决定是专用于垂直极化信号的功率到底要多大。许多情况下，垂直极化功率量基于在要求的水平极化ERP达到后可用的额外发射功率量。可以证明部分垂直功率是极其有用的（即使它只有水平极化信号功率的15%），它提供受阻路径的极化分集，并避免使用交叉极化移动天线而引起的巨大信号损失。
     对于受阻路径，使用垂直极化接收天线的覆盖主要由垂直功率决定。如果移动电视是电视台的主要商业模式，在可以达到的最高ERP的真正的圆极化（1:1 H/V比）应是目标。
     对于受阻路径，与无阻碍路径相比，信号场强更是一个问题，从图1可以看到在裕量比率相对变化性方面，纯水平极化信号优于纯垂直极化信号1dB。这意味着如果发射功率有限制的话，存在阻碍时，在某一点降低水平极化ERP以增加垂直极化ERP将降低裕度和服务可能性。
     Dielectric的研究发现，对于固定的水平极化及垂直极化功率，最佳的垂直极化/水平极化比为总功率的33%，这等于50%的水平极化功率（参见图2）。值得指出的是此比率基于固定的混合ERP—发射功率和天线增益是固定的。只要水平极化功率不减少，这并不意味着更多的垂直极化功率对覆盖有害或提供很少的额外改善。对于运行在最高水平极化ERP的电视台，额外的垂直极化ERP将改善垂直极化天线的接收。VHF电视台可能发现它也改善UHF天线的接收。

图2 试验结果—超过4dB的裕度改善，20%<垂直极化<50%

椭圆极化特别应用
     即使移动/便携接收不是主要目标，也有增加一些垂直极化ERP将改善接收的情形。一种情形是两面发射天线在建筑物/天线杆上稍稍不同的位置，需要混合以提供全覆盖。纽约帝国大厦和芝加哥西尔斯大厦就是这方面的例子。由于天线不在同一位置，每当从这两面天线接收的信号电平相等且两个信号180°反相时，会有两面天线相组合抵消信号的重叠位置。谨慎设计天线能令干扰区最小，及把干扰挪到人口稀少的地区。在其中一面天线上采用椭圆或理想的圆极化，而另一面不用，干扰区的观众仍可在垂直极化接收天线上接收。
     增加垂直极化也可能改善单纯UHF天线上的VHF接收。EDN资深技术编辑Brian Dipert描述了他在内华达郊外地区接收数字电视碰到的问题。
他试用了Antennas Direct C-2（反射器前有两个圆环），虽然此天线的增益图从400MHz开始，但其宣称在整个数字电视频道频谱都有一致的增益。Antennas Direct总裁Richard Schneider解释说，由于不可能在不牺牲UHF性能（电耦合和插入损耗）的前提下把VHF元素采用到设计中，工程师想出来的此解决方案是重新设计PCB平衡—不平衡转换器，让馈线充当一个高VHF辐射体。这给出在174-216MHz之间适中的VHF性能。我们发现它比我们传统的UHF/VHF组合设计有显著的改进。
     当然，大多数情形下天线馈线垂直朝向，对垂直极化更敏感。Meintel的Dennis Wallace在其论文“消费室内天线测量结果”中表示RCA ANT585室内天线与水平极化信号相比，对垂直极化信号更敏感。
     这些例子表明，在某些情形下，某些天线对垂直极化信号比对水平极化信号有更出色的表现。

读者自制的G-H天线
     俄亥俄利玛WOHL-WLQP-WLMO-WFND-TV总工程师Ray Tanner称在他制造了G-H天线后，1964年他受雇于Doyt Hoverman维修电视机。Ray表示原始的Hoverman天线有黄色绝缘体，而AntennaCraft则有黑色塑料绝缘体。

图3                                          图4

     Ray说：“此外，Doyt还称他的天线每面仅仅使用一根导线，这使对连接点的腐蚀损害较小。”
     不少读者自制了天线，如果颁奖给G-H天线的话，那么充分利用可获得材料奖将颁给George Morisette，他把废弃的8281同轴电缆用作反射器，从电气设备拆下来的12AWG铜线用作激励单元，废弃泡沫用作隔离片。图2表示其天线的图片。比较从他的伊利诺斯州Sycamore家对模拟视频载波的响应，他发现信号场强优于Channel Master的四单元蝴蝶结天线0-2dB。
     业余无线电员Tomas Colon将荣获最佳外观奖。图3示出其天线。他发现此天线在VHF及UHF频道都有不错的性能，在VHF方向性较差（当然）。它甚至在低VHF频道提供令人满意的信号！Tomas还用PVC管材支持的一种金属网反射器制造了另一形式的天线。
     福克斯弗吉尼亚州罗诺基附属台副总工程师Robert Lynch制造了一付金属网反射器的G-H天线（图4），他说：“从八木天线到一单元蝴蝶结天线、有和无反射器的成组和定相的蝴蝶结天线，我都制造过。我也制造过有和无发生器的成组和定相的偶极子天线，。我觉得我尝试了大部分实用的UHF天线类型，直到我看到G-H设计的文章。在此规格基础上（发射机去有例外）我制造了一付G-H天线，我必须说此天线厉害！图片内的天线是我所用过的UHF天线中表现最佳的，无论他们是自制的还是外购的。我可以转动此天线偏离发射机180°，并进行频道扫描，检测不到一个数字频道。”   

    Lynch提供设计详情：“天线杆是1英寸PVC。激励单元安装在聚碳酸酯板的后面，用自攻螺钉固定在天线杆上。激励单元通过穿过聚碳酸酯板的孔连接。反射器阵由从旧番茄种植箱回收的钢条焊接架制成，1/4英寸螺母焊接在焊接架内的3点作为反射器到杆的安装点。反射器由连接到架子的1/4英寸金属布和不锈钢丝捆带制成，而它用1/4英寸长螺栓安装在天线杆上。因此我能调整反射器的深度，与激励单元相比最大4英寸，用来观察它可能有的效果。反射器边缘弯曲约25°-30°，成一种煎锅形状，希望衰减来自各边的RF，这似乎为它提供一种较窄的波束宽度。”
     如果我颁奖，Robert Lynch可获得创新设计及最积极响应奖。Lynch的改进可使它成为同频放大系统中理想的接收天线。高前后比应有助于观众在一个单频网内的两台发射机之间定位，消除来自其中一台发射机的干扰。显而易见许多RF技术读者对天线设计和试验感兴趣。虽然一些观众将按照户外天线以获得最佳接收，但这对许多市区和郊区观众并非一种选择。即使FCC禁止有关户外天线的限制，与我交谈过的许多人都不想冒对抗其业主协会的风险。

     我对读者的挑战是提出一种工作于VHF和UHF的容易制造的室内接收天线设计。我已经试用过RCA ANT1500、Artec AN2和AN2A平板天线及鞭状天线。尽管这些天线较紧凑且较易安装，但尚无法与Terk HDTVa放大的室内对数周期天线性能媲美。