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用于模拟电视体育赛事的移动录制的原型天线

Radiotelevisione Italiana（RAI）的研究人员正在设计和优化新的圆形极化天线，以借助多物理学模拟来记录现场运动活动。

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由迪克西塔·帕特尔（Dixita Patel）
2020年9月

每年在意大利（及其邻国），成千上万的粉丝围绕着最负盛名的自行车活动之一，Giro d'Italia，或参观意大利。这场多阶段的自行车比赛是世界上三场大型自行车之旅之一，其他赛车是环法自行车赛和Vuelta aespaña。除了参加比赛的球迷外，由于意大利国家公共广播公司Rai，数以百万计的观众能够在家中加入。

几十年来，录制现场体育赛事一直是RAI的传统活动。为此，通常有八辆摩托车配备了各种设施，包括无线电摄像头，评论员的音频无线电链接以及地理定位方式（图1）。需要一个复杂的基础设施，包括两架录音直升机和两架飞机将信号传递到偏远的外部广播（OB）货车，才能将直播电视传达给广播发行。在此框架中，研究，技术创新和实验中心（RAI-CRITS）一直在此电视制作领域提供技术支持。

最近，从摩托车到直升机的评论无线电链路上的问题需要进行特定的调查。RAI研究人员Assunta de Vita，Alessandro Lucco Castello和Bruno Sacco确定了该问题，并根据低调的，圆形极化（CP）天线的设计提出了解决方案。提出的辐射系统已通过COMSOL多物理学进行了建模和模拟^®软件。通过实验室测量和现场测试，在原型中已经确认了结果。

电视射击现场体育赛事：过渡到数字

近年来，在此移动中录制现场体育赛事已逐步数字化。对于Rai，在拍摄方面Giro d'Italia，重要的是，在整个比赛期间，评论有效地协调。在现场活动期间，摩托车配备了摄像机和音频广播，可为与赛车手一起现场拍摄的评论员。比赛上方采用了三架直升机和一架飞机。其中两个进行视频拍摄，其他人充当“桥梁”，将摩托车从终点线收到的信号转移到OB货车上，技术人员将摩托车，直升机，仍然相机的信号混合在一起和评论。

在某些情况下，团队会遇到问题，例如零星信号中断。Sacco说：“当我们经历了摩托车和直升机之间的无线电连接时，存在一个问题。我们的调查确定了极化未对准的问题：空中无线电应用中的一个已知方面。”为了改善通信链接，RAI的解决方案是根据圆极化（CP）设计天线，以允许任何互惠取向的正确接收。

需要这种新的天线设计才能以双波段，非常高的频率/超高频率（VHF/UHF）进行配置进行操作。天线还需要足够紧凑才能放置在摩托车顶情况下。但是，顶部情况下可用的有限空间（约40厘米x 20厘米）与VHF操作相抵触，VHF操作需要更大的尺寸。有了这些严格的要求，研究人员就阻抗匹配，实现的增益和轴向比例建模并测试了许多天线设计。

具有数值建模的原型紧凑型天线溶液

为了设计满足所需要求的紧凑型天线溶液，研究人员使用COMSOL多物理学实施了各种天线原型^®以及RF和优化模块。他们测试了几种配置，以在感兴趣的频率范围内获得最佳性能，包括Archimedean螺旋CP天线和双折叠的双折叠偶极子（DCDFD）天线。还研究了对带宽的增益以及对带宽和极化纯度的影响。

第一次尝试涉及基于常规的两臂阿基赛马螺旋结构的圆形极化天线设计。在单独模拟螺旋天线后，结果在500–600 MHz的UHF频段中表现出良好的CP性能，但由于尺寸限制，在230 MHz时表现出良好的CP性能。Sacco说：“天线需要在两个乐队中同时工作。尽管它对UHF运行良好，但它的尺寸肯定是有限的，可以在VHF乐队中正确表现。”为了最大化向接收器传达的RF能量，通常需要采用导电平面反射器。为了估计几何和电参数对天线性能的影响，参数扫描使用了功能。特别是，研究了反射器距离对远场辐射模式和轴向比的影响。正如预期的那样，反射器改善了天线增益，但轴向比率恶化，需要进一步优化。

尝试向下扩展工作频率范围而不增加整体尺寸的尝试是使用两臂Archimedean螺旋外围的曲折线进行的，如图2所示，为此，螺旋几何形状在内部进行了参数。comsol^®软件。“我们采用了参数曲线De Vita表示，在这种情况下，尽管模拟表明最小可用频率实际上是向VHF范围扩展的，但特征是由于几何复杂性。” De Vita。

下一次尝试涉及将两个电感载荷偶极子的平坦螺旋形成（图4）调谐到所需的230 MHz的VHF。通过多次迭代，作者在VHF频段中优化了该新模型的设计参数，以在230 MHz和低UHF频段下使用天线增益和轴向比（图5）。“这轴向比功能是评估循环极化质量的好工具。” Sacco说。

原型天线已通过非常近场扫描仪EMSCAN RFX2在实验室中测量（图6）。通过此类实验室测量以及现场测试证实了模拟的远场天线性能。

在第二阶段，由于重新分配了操作频率并删除了VHF要求，因此已经开始了另一个设计会话的新频率（UHF，500和600 MHz）。Sacco说：“我们继续对天线进行分析，并原型化了另一种更为复杂的产品，因为它需要四相喂养网络。”

新设计是双折叠的双重偶极子（DCDFD）天线（图7）。这种方法将在反射腔的存在下实现公平的阻抗。仿真分析显示良好的轴向比，天线增益和阻抗匹配（图8）。目前，正在进行进一步的测试，以评估带宽性能优化和四相馈电网络设计。

移动电视的未来

在未来的研究方面，RAI有一个正在进行的项目，可以研究可以为智能手机，平板电脑和其他移动设备提供移动电视服务的天线。De Vita说：“我们有可能向移动设备提供电视服务，但要解决许多问题以允许这项服务。”的确，在UHF频段的下部，在移动终端中天线的可能集成对天线设计师构成了一个巨大的挑战，因为移动设备的有限尺寸物理地将上限设置为可实现的带宽，并引入了基本限制预期的性能。

此外，在移动设备的情况下，将天线行为放在个人的手中时也会受到影响，因此这将是RAI研究人员要克服的问题。Sacco说：“下一项活动在移动中拍摄有些免费。拍摄是专业的应用程序，因此您必须确保天线尽可能好且可靠。”

Rai发现模拟结果似乎非常有前途，并将帮助他们继续进一步改进研究。