廣播機(jī)構(gòu)已經(jīng)看到相比有線電視觀眾或衛(wèi)星電視觀眾數(shù)量，無線電視觀眾數(shù)量正在下降。不過，在如筆記本電腦、媒體播放器、手機(jī)、車載顯示器這樣的便攜式裝置上收看電視的興趣正在增長。為推動對便攜式/手持式裝置的電視廣播，廣播機(jī)構(gòu)組成了開放移動視頻聯(lián)盟（OMVC），而ATSC M/H也已經(jīng)順利成為一個候選移動電視標(biāo)準(zhǔn)。對固定接收行之有效的傳統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)不一定是使RF信號進(jìn)入這些移動/手持裝置的最佳方式。

現(xiàn)在很少使用橢圓或圓極化
     現(xiàn)在大多數(shù)電視臺僅僅采用水平極化發(fā)射信號。在美國1237個特許數(shù)字電視臺中，只有6.2%采用任何的垂直極化，而699個后轉(zhuǎn)換建設(shè)許可證中13.7%至少有一些功率是垂直極化。由于FCC干擾和分配調(diào)查只以水平極化為基礎(chǔ)，修改原有建設(shè)許可指定橢圓或圓極化相對容易，因此我們可以看到隨著越來越多的廣播機(jī)構(gòu)檢查其無線信號的使用情況，此百分百將增大。
     在討論采用橢圓極化（EP）或圓極化（CP）的好處和折衷前，值得指出的是并非所有有水平和垂直信號的天線都是CP或EP，相反有可能是偏極化。偏極化或傾斜極化的天線發(fā)射兼有垂直和水平極化的信號。這樣一種天線的使用似乎違反FCC規(guī)則第73.682(a)節(jié)，它要求CP或EP天線右極化。使用一發(fā)射一個偏離垂直面45°的偏極化信號的天線的電視臺，當(dāng)信號在傾斜面確實(shí)為200kW時，可能需要100kW水平極化（“h-pol”）和100kW垂直極化（“v-pol”）。

          圖1 試驗(yàn)結(jié)果——大散射、去極化環(huán)境，CP提供所有可能服務(wù)的裕度改善

     雖然偏極化天線提供更多的耦合進(jìn)入垂直極化接收天線，并提供CP天線的2倍功率耦合進(jìn)朝向相同極化角的偶極天線，但在視線路徑很容易看到，在偶極天線被旋轉(zhuǎn)到偏離發(fā)射極化90°時，信號顯著減弱。對一個真正的CP或EP天線，應(yīng)無接收天線減弱信號的角度。將發(fā)射信號描述為一個旋轉(zhuǎn)矢量，這與只針對偏極化的平面內(nèi)的一個矢量相對比。偏極化天線不可能提供與CP或EP天線相同的優(yōu)點(diǎn)。
     設(shè)計(jì)一種CP或EP的天線比把水平極化天線和垂直極化天線之間的發(fā)射功率分離要復(fù)雜。Antenna Concepts公司在其Blaster系列天線中采用多層螺旋天線作為輻射體。它們產(chǎn)生真正的CP信號。
     Dielectric Communications公司在其新型TUM寬帶板狀天線中采用正交偶極子，用一個分配器控制功率分離，實(shí)現(xiàn)可變數(shù)量的真正EP或CP。這確保分離偶極子的相位關(guān)系在不同頻率保持不變，而且每塊板只需要一根饋電線。在縫隙天線中，垂直縫隙產(chǎn)生一個水平極化信號。向縫隙加入一個外部偶極子，可產(chǎn)生一個垂直極化信號，它在與水平極化信號有恰當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系時，產(chǎn)生EP或CP信號。
     我在與ERI和Dielectric公司合作設(shè)計(jì)數(shù)字電視轉(zhuǎn)換后的EP天線過程中了解到讓垂直極化方位圖與方向性水平極化方位圖相配很難。水平極化圖內(nèi)一個小變化可能允許與垂直極化圖有更好的匹配。天線制造商有能精確模仿兩種極化圖的軟件，使他們能修改天線物理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最佳匹配。
     發(fā)射EP或CP需要某些折衷。如果水平極化ERP和極化圖方向性不被改變，將需要額外的發(fā)射功率。CP運(yùn)作將要求雙倍的發(fā)射功率，從而增加資金和運(yùn)行成本。通過變窄水平面輻射場型或垂直輻射場型而提高總天線增益，可以降低發(fā)射機(jī)要求。采用更有方向性的垂直極化方位圖也可能有益。它不改變FCC覆蓋。更有方向性的垂直輻射場型增加增益，但可能降低某些區(qū)域的場強(qiáng)而要求更多的發(fā)射塔空間。最壞情況下，可能有必要減少水平極化覆蓋，增加垂直極化。這值得嗎？

CP的好處
     ERI和Dielectric在NAB08發(fā)表了闡述CP優(yōu)點(diǎn)的論文。ERI高級射頻工程師Myron Fanton表示垂直和水平極化信號是非相關(guān)的，原因是主要的傳播效應(yīng)—視線接收、障礙物繞射、反射和折射（某種程度上）都是極化敏感的。在水平極化信號內(nèi)發(fā)射一個空值的地方，垂直極化信號內(nèi)不可能出現(xiàn)，反之亦然。使用恰當(dāng)?shù)姆旨邮障到y(tǒng)，對瑞利（非視線）傳播，分集增益為9-11dB。在這種情形，降低水平極化3dB以產(chǎn)生CP，依然導(dǎo)致系統(tǒng)性能有6-8dB的總增益。
     Dielectric工程和技術(shù)高級副總裁Kerry Cozad指出上世紀(jì)90年代初期進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)顯示垂直極化增加10%-15%，圖像質(zhì)量有顯著的提高。不過，WRAL-TV電視臺的數(shù)字電視試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)增加一個垂直極化信號對圖像質(zhì)量沒有改善。Dielectric的EP天線出貨量在1995年達(dá)到頂峰，一直到去年他們銷量急劇增加時出貨量才減少。Dielectric售出的移動媒體（700MHz）天線100%為圓極化。為確定CP與線性極化的可比程度，DielectricZ先進(jìn)天線系統(tǒng)開發(fā)總監(jiān)John Schadler在測試室一頭安排了一面有水平極化、垂直極化或CP能力的發(fā)射天線，在中間放置了大量散射物體，而在另一頭放置了安裝在輪子上（表示會自由移動的手機(jī)或便攜式媒體裝置）的一面天線。在手機(jī)旋轉(zhuǎn)時，記錄不同發(fā)射天線結(jié)構(gòu)的場強(qiáng)。結(jié)構(gòu)顯示，相比單純的水平極化或垂直極化天線，CP在信號可變性方面有4-5dB的提高。有趣的是，在可變性方面，單純的垂直極化信號要比單純的水平極化信號差1dB。降低可變性等效于增加SNR裕量。Dielectric的測試顯示對手持式接收，為獲得CP或EP而犧牲一些水平極化ERP也許是值得的。

必須有垂直極化
     在新天線設(shè)計(jì)中包括垂直極化還有另一個理由。在市區(qū)，手機(jī)/手持式裝置可能沒有對準(zhǔn)發(fā)射天線的可視通路，而且就算有，周圍的建筑物將提供對信號去極化的反射——反射將改變信號極性。這意味著即使接收天線和發(fā)射天線為正交極化，接收機(jī)都可能找到一條提供接收的路徑。到市區(qū)外的有對發(fā)射天線的可視通路的高架快車道，可能有少量的反射，提供車載天線需要的垂直極化信號。
     至此，如果室內(nèi)、移動或便攜式接收是重要的話，需要一些量的垂直極化的有效輻射功率（ERP）應(yīng)該是顯而易見的了。難以做出的決定是需要多少ERP?完全CP可能是最佳的，而且對于VHF數(shù)字電視臺也不過于困難。確實(shí)，如果干擾或FCC功率/高度管制限制水平極化ERP，轉(zhuǎn)向全CP不失為一種獲得更多發(fā)射的RF的途徑。
     對于工作于1000kW ERP的UHF電視臺，倍增發(fā)射機(jī)規(guī)模和功率賬單的理由不太成立。在該情況下需估計(jì)受眾的位置。如果移動電視是重要的話，不要忘記公路。用一種更有方向性的水平場型提供對主要人口居住區(qū)的覆蓋，用分布式傳輸覆蓋其它方向單獨(dú)的社區(qū)嗎？例如，全方向性場型可能并非威爾遜山上洛杉磯UHF臺的最佳選擇，因?yàn)閷Ρ狈降母采w除了幾個方向外全部方向都被幾座山阻擋。威爾遜山另一邊上的一部中等功率分布式發(fā)射機(jī)是服務(wù)此人口的一種更佳方式。如果發(fā)射機(jī)位于服務(wù)區(qū)的中心，若移動/手持/便攜式接收是電視臺的核心商業(yè)模式，不采用最大發(fā)射功率1000kW ERP水平極化，而是降低水平極化ERP到750kW，并把其它250kW注入垂直極化信號或甚至降至500kW和轉(zhuǎn)向全CP，也許更佳。此方案的優(yōu)點(diǎn)是在將來如果需要更多的功率，可以在無需更換天線費(fèi)用和中斷服務(wù)的情況下增加放大器機(jī)柜。

最佳極化比
     一旦作出發(fā)射橢圓極化信號的決定，下一個決定是專用于垂直極化信號的功率到底要多大。許多情況下，垂直極化功率量基于在要求的水平極化ERP達(dá)到后可用的額外發(fā)射功率量。可以證明部分垂直功率是極其有用的（即使它只有水平極化信號功率的15%），它提供受阻路徑的極化分集，并避免使用交叉極化移動天線而引起的巨大信號損失。
     對于受阻路徑，使用垂直極化接收天線的覆蓋主要由垂直功率決定。如果移動電視是電視臺的主要商業(yè)模式，在可以達(dá)到的最高ERP的真正的圓極化（1:1 H/V比）應(yīng)是目標(biāo)。
     對于受阻路徑，與無阻礙路徑相比，信號場強(qiáng)更是一個問題，從圖1可以看到在裕量比率相對變化性方面，純水平極化信號優(yōu)于純垂直極化信號1dB。這意味著如果發(fā)射功率有限制的話，存在阻礙時，在某一點(diǎn)降低水平極化ERP以增加垂直極化ERP將降低裕度和服務(wù)可能性。
     Dielectric的研究發(fā)現(xiàn)，對于固定的水平極化及垂直極化功率，最佳的垂直極化/水平極化比為總功率的33%，這等于50%的水平極化功率（參見圖2）。值得指出的是此比率基于固定的混合ERP—發(fā)射功率和天線增益是固定的。只要水平極化功率不減少，這并不意味著更多的垂直極化功率對覆蓋有害或提供很少的額外改善。對于運(yùn)行在最高水平極化ERP的電視臺，額外的垂直極化ERP將改善垂直極化天線的接收。VHF電視臺可能發(fā)現(xiàn)它也改善UHF天線的接收。

圖2 試驗(yàn)結(jié)果—超過4dB的裕度改善，20%<垂直極化<50%

橢圓極化特別應(yīng)用
     即使移動/便攜接收不是主要目標(biāo)，也有增加一些垂直極化ERP將改善接收的情形。一種情形是兩面發(fā)射天線在建筑物/天線桿上稍稍不同的位置，需要混合以提供全覆蓋。紐約帝國大廈和芝加哥西爾斯大廈就是這方面的例子。由于天線不在同一位置，每當(dāng)從這兩面天線接收的信號電平相等且兩個信號180°反相時，會有兩面天線相組合抵消信號的重疊位置。謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)天線能令干擾區(qū)最小，及把干擾挪到人口稀少的地區(qū)。在其中一面天線上采用橢圓或理想的圓極化，而另一面不用，干擾區(qū)的觀眾仍可在垂直極化接收天線上接收。
     增加垂直極化也可能改善單純UHF天線上的VHF接收。EDN資深技術(shù)編輯Brian Dipert描述了他在內(nèi)華達(dá)郊外地區(qū)接收數(shù)字電視碰到的問題。
他試用了Antennas Direct C-2（反射器前有兩個圓環(huán)），雖然此天線的增益圖從400MHz開始，但其宣稱在整個數(shù)字電視頻道頻譜都有一致的增益。Antennas Direct總裁Richard Schneider解釋說，由于不可能在不犧牲UHF性能（電耦合和插入損耗）的前提下把VHF元素采用到設(shè)計(jì)中，工程師想出來的此解決方案是重新設(shè)計(jì)PCB平衡—不平衡轉(zhuǎn)換器，讓饋線充當(dāng)一個高VHF輻射體。這給出在174-216MHz之間適中的VHF性能。我們發(fā)現(xiàn)它比我們傳統(tǒng)的UHF/VHF組合設(shè)計(jì)有顯著的改進(jìn)。
     當(dāng)然，大多數(shù)情形下天線饋線垂直朝向，對垂直極化更敏感。Meintel的Dennis Wallace在其論文“消費(fèi)室內(nèi)天線測量結(jié)果”中表示RCA ANT585室內(nèi)天線與水平極化信號相比，對垂直極化信號更敏感。
     這些例子表明，在某些情形下，某些天線對垂直極化信號比對水平極化信號有更出色的表現(xiàn)。

讀者自制的G-H天線
     俄亥俄利瑪WOHL-WLQP-WLMO-WFND-TV總工程師Ray Tanner稱在他制造了G-H天線后，1964年他受雇于Doyt Hoverman維修電視機(jī)。Ray表示原始的Hoverman天線有黃色絕緣體，而AntennaCraft則有黑色塑料絕緣體。

圖3                                          圖4

     Ray說：“此外，Doyt還稱他的天線每面僅僅使用一根導(dǎo)線，這使對連接點(diǎn)的腐蝕損害較小。”
     不少讀者自制了天線，如果頒獎給G-H天線的話，那么充分利用可獲得材料獎將頒給George Morisette，他把廢棄的8281同軸電纜用作反射器，從電氣設(shè)備拆下來的12AWG銅線用作激勵單元，廢棄泡沫用作隔離片。圖2表示其天線的圖片。比較從他的伊利諾斯州Sycamore家對模擬視頻載波的響應(yīng)，他發(fā)現(xiàn)信號場強(qiáng)優(yōu)于Channel Master的四單元蝴蝶結(jié)天線0-2dB。
     業(yè)余無線電員Tomas Colon將榮獲最佳外觀獎。圖3示出其天線。他發(fā)現(xiàn)此天線在VHF及UHF頻道都有不錯的性能，在VHF方向性較差（當(dāng)然）。它甚至在低VHF頻道提供令人滿意的信號！Tomas還用PVC管材支持的一種金屬網(wǎng)反射器制造了另一形式的天線。
     福克斯弗吉尼亞州羅諾基附屬臺副總工程師Robert Lynch制造了一付金屬網(wǎng)反射器的G-H天線（圖4），他說：“從八木天線到一單元蝴蝶結(jié)天線、有和無反射器的成組和定相的蝴蝶結(jié)天線，我都制造過。我也制造過有和無發(fā)生器的成組和定相的偶極子天線，。我覺得我嘗試了大部分實(shí)用的UHF天線類型，直到我看到G-H設(shè)計(jì)的文章。在此規(guī)格基礎(chǔ)上（發(fā)射機(jī)去有例外）我制造了一付G-H天線，我必須說此天線厲害！圖片內(nèi)的天線是我所用過的UHF天線中表現(xiàn)最佳的，無論他們是自制的還是外購的。我可以轉(zhuǎn)動此天線偏離發(fā)射機(jī)180°，并進(jìn)行頻道掃描，檢測不到一個數(shù)字頻道。”   

    Lynch提供設(shè)計(jì)詳情：“天線桿是1英寸PVC。激勵單元安裝在聚碳酸酯板的后面，用自攻螺釘固定在天線桿上。激勵單元通過穿過聚碳酸酯板的孔連接。反射器陣由從舊番茄種植箱回收的鋼條焊接架制成，1/4英寸螺母焊接在焊接架內(nèi)的3點(diǎn)作為反射器到桿的安裝點(diǎn)。反射器由連接到架子的1/4英寸金屬布和不銹鋼絲捆帶制成，而它用1/4英寸長螺栓安裝在天線桿上。因此我能調(diào)整反射器的深度，與激勵單元相比最大4英寸，用來觀察它可能有的效果。反射器邊緣彎曲約25°-30°，成一種煎鍋形狀，希望衰減來自各邊的RF，這似乎為它提供一種較窄的波束寬度。”
     如果我頒獎，Robert Lynch可獲得創(chuàng)新設(shè)計(jì)及最積極響應(yīng)獎。Lynch的改進(jìn)可使它成為同頻放大系統(tǒng)中理想的接收天線。高前后比應(yīng)有助于觀眾在一個單頻網(wǎng)內(nèi)的兩臺發(fā)射機(jī)之間定位，消除來自其中一臺發(fā)射機(jī)的干擾。顯而易見許多RF技術(shù)讀者對天線設(shè)計(jì)和試驗(yàn)感興趣。雖然一些觀眾將按照戶外天線以獲得最佳接收，但這對許多市區(qū)和郊區(qū)觀眾并非一種選擇。即使FCC禁止有關(guān)戶外天線的限制，與我交談過的許多人都不想冒對抗其業(yè)主協(xié)會的風(fēng)險。

     我對讀者的挑戰(zhàn)是提出一種工作于VHF和UHF的容易制造的室內(nèi)接收天線設(shè)計(jì)。我已經(jīng)試用過RCA ANT1500、Artec AN2和AN2A平板天線及鞭狀天線。盡管這些天線較緊湊且較易安裝，但尚無法與Terk HDTVa放大的室內(nèi)對數(shù)周期天線性能媲美。