可变方向性天线是一种防重影电视接收天线系统。它由两副结构形式相同的定向天线和一个接收方向控制器组成。这种天线能在其天线物理位置不变更的情况下，操作接收方向控制器，就能灵活自如地改变天线的实际接收方向。它主要用于消除或减轻多路径重影。本文就其原理、设计制作及其应用作一介绍。
原理
可变方向性天线的天线部份，由甲、乙两副结构形式完全相同的定向天线所组成。甲、乙两副天线通常称为组合单元天线，每一副的最大接收方向在其轴线方向上。两者组合起来之后总称组合天线。在一般情况下，组合天线的最大接收方向是在甲、乙两单元天线连线的垂直线方向，如图1a中虚线箭头方向所示。组合天线的原理方向性图如图1b所示。
图1b上所标的主瓣是天线接收电视信号的主要范围。副瓣是接收电视信号微弱的方向。在主瓣、副瓣之间有一个零接收角，即不能接收电磁波的方向。改变组合天线的方向性图，相当于改变组合天线的接收方向。如果在主瓣范围内有干扰波（重影波信号）传来，那么电视屏幕上将会出现重影，如图2a所示。此时，若设法使零接收角对准重影波传来的方向，那么重影波就不能进入天线，电视屏幕上就不会出现重影，如图2b所示。如何使组合天线的接收方向发生所需要的偏转呢？为了便于理解，我们从组合天线的最大接收方向发生偏转谈起，使最大接收方向发生偏转的方法如下：
当电视信号从甲、乙两副单元天线正前方传来时，电视信号波同相到达甲、乙两单元天线上，由于甲、乙两单元天线通向合成器的馈线长度相等，电视信号波在甲、乙两单元天线上产生的感应电流也就同相地加到合成器上，然后同相迭加到电视机输入端。此时，电视机获得的信号电流最强，图象最清晰，如图3a所示。
若电视信号波从组合天线的右斜前方传来，那么电视信号波首先到达乙天线，然后再到甲天线。到达甲天线的电磁波比到达乙天线的电磁波多走“dSinθ”长的路程。此时若不采取措施，两副单元天线上的感应电流就不能同相地加到电视机上，其中乙天线上的感应电流超前甲天线上的感应电流。因此电视机输入端的信号电流就会减小同时也会出现重影。如果设法把乙天线到合成器的馈线增长一段（简称附加馈线），那么乙天线上产生的感应电流就多走一段路程，以致使甲天线上的感应电流能赶上乙天线上的感应电流，最终使甲、乙两单元天线上的感应电流能同相地加到合成器。因而加到电视机上的信号电流仍然是最大。由此可见，把乙单元天线的馈线增长一段之后，组合天线的最大接收方向就偏转到了右斜前方，如图3b所示。其中乙单元天线馈线增长的长度l应等于δ.dSinθ，即l=δdSinθ，式中δ是馈线的波长缩短系数（电视信号在馈线中传输时，其波长λg比在空间传播时的波长λ\(_{0}\)短，两者之比称为波长缩短系数。即δ=λg／λ0）。必须注意，乙单元天线的馈线增加长度l之后，组合天线原来的最大方向就改变了，在某些情况下有可能就是零接收方向。
与上述方法类似，若在甲单元天线的馈线中增加一段附加馈线，那么组合天线的最大接收方向就偏向左斜前方，如图3c所示。
可见，甲、乙两副单元天线中，在哪一副天线的馈线上加接附加馈线，那么组合天线的最大接收方向就偏向哪一侧。其偏转的程度（即偏转角θ）与附加馈线l的长度密切有关，附加馈线l越长，组合天线的最大接收方向偏离正前方向的角度θ越大。因此，接进不同长度的附加馈线l\(_{1}\)、l2……，便能使组合天线的最大接收方向发生不同的偏转角θ\(_{1}\)、θ2……。需要指出：要使组合天线最大接收方向偏离正前方90°（即θ=90°）是不可能的，因为θ=90°时，从远方传来的电视信号的电场E5氲ピ煜叩恼褡酉啻怪焙蟮绱挪ň筒豢赡茉谡褡由弦鸶杏Φ缌鳌
根据上面的分析不难理解，使组合天线的最大接收方向发生偏转的方法，同样可以用来实现使其零接收角发生偏转。由于可变方向性天线主要用于排除对重影波的接收，（即偏转天线的方向性，使零接收角对准重影波）。因此，这种天线主要是运用使零接收角发生偏转来消除重影的。
设计与制作
设计可变方向性天线，主要是设计组合单元天线和接收方向控制器。其中接收方向控制器由电缆移相器和信号合成器构成。组合单元天线、接收方向控制器的设计制作分别介绍如下：
1．组合单元天线
设计组合单元天线，首先应考虑要求组合单元天线具有良好的单向性（即只有一个最大接收方向）。因此，单元天线中不能采用具有对称“∞”字形方向图的半波天线。否则它将无法排除后向传来的重影波。其次组合单元天线还应具有一定的增益。组合单元天线的增益越高，则可变方向性天线的适用区域越大。当然组合单元也不能选用振子数过多的单元天线，因为振子数越多，天线就越庞大、重量越重，支撑也就越困难。一般市区使用的可变方向性天线以二单元天线作为组合单元为宜，这样天线小巧灵活，容易架设。在郊区使用时，可以改用三单元或四单元定向天线作为组合单元，这样的天线增益较高，当接收方向变化时，仍可以收到稳定清晰的图象。
若组合单元天线选择三单元振子或四单元振子天线时，其组合单元天线的尺寸选择原则应该从获得最好的方向性考虑。也就是天线的尺寸选择应遵循旁瓣电平小的原则。因此，在组合单元定向天线中，引向器与馈电振子的间距d\(_{1}\)一般选为0.2λ2，即d\(_{l}\)=0.2λ2其中λ\(_{2}\)是所接收的电视频道的高端波长。
为了抑制定向天线中的后向接收，反射器与馈电振子的间距d\(_{r}\)一般小于0.2λ1，即d\(_{r}\)≤0.2λ1其中λ\(_{1}\)是所接收的电视频道的低端波长。
必须注意，d\(_{r}\)太小会使组合单元天线的驻波系数增大，单元天线驻波系数增大又会引起可变方向性天线的驻波系数增大，从而容易造成驻波重影。因此，在没有仪器进行调整的情况下可选dr=0.2λ\(_{1}\)。
引向器、反射器、馈电振子等的长度计算方法，可参考本刊1981年第8期“室外定向天线的尺寸选择”一文。这里不再重复。
确定组合单元天线间距d时，主要是考虑架设方便。由图4可见，d的最小值是λ\(_{0}\)／2，当d小于λ0／2时，两副组合单元会相碰重迭。如间距d增大，则支撑比较困难。但是随着间距d的增大，天线的主方向增益会有所增加，直至间距d大于1个波长（即d＞λ\(_{0}\)）时增益又会降低。因此，组合单元天线间距d的范围是：
λ\(_{0}\)/2≤d≤λ\(_{0}\)。式中λ0是希望接收的几个电视频道的中心波长。
适用于6～9频道的三单元可变方向性天线的参考尺寸如图4所示。
2．接收方向控制器
接收方向控制器由电缆移相器和信号合成器组成。下面先介绍电缆移相网络的设计。
移相器设计的一般概念：
由原理部分可知，当两副组合单元天线的馈线长度不相等时，它们在空间的合成方向性会发生偏转。因此，设计移相器的工作，实际上就是根据对合成方向性图零接收角偏转角度的要求，找出两副天线的馈线长度之差（以下简称移相馈线长度）。或者根据给出的移相馈线长度，求出零接收角能偏转的度数。实用中多按前一种方案进行设计。零接收角偏转角度θ与移相馈线长度的关系在原理部分中已经给出。当选用SYV系列的75欧姆同轴电馈时（其波长缩短系数δ=0.66），若要求零接收角偏转10°，即θ=10°，则移相馈线长度l可按下式求得：l=δdSinθ=0.66dSin10°=0.115d；若要求零接收角偏转20°，即θ=20°，则移相馈线长度为：l=0.66dSin20°=0.226d；若要求零接收角偏转30°，即θ=30°，则所需的移相馈线长度为：l=0.66dSin30°=0.33d。
显然，在上述计算中，使零接收角偏转30°，所需要的移相馈线长度，可以近似地等于零接收角偏转10°和偏转20°所需要的移相馈线长度之和（这里所以是近似关系，是因为移相馈线长度l与偏转角θ不是线性关系，而是正弦关系），也就是说，把实现各个小角度偏转所用的移相馈线串接以后，便能获得零接收角的大角度偏转。采用这种方法既节约馈线，又可以使移相器结构简单。
移相器的设计举例：
若取组合单元天线间距d=140厘米，零接收角的最大偏转角θmax=±80°，为了使结构简单，同时又考虑到零接收角θ在0～80°范围变化时使跳变间隔小，因此，可以把实现最大偏转角θ\(_{max}\)=80°的移相馈线长度lmax用四段馈线的串接来实现。第一段移相馈线长度为l\(_{0}\)；第二段移相馈线长度2l0；第三段移相馈线长度为4l\(_{0}\)；第四段移相馈线长度为8l0，四段馈线串接起来总长度为：l\(_{0}\)＋2l0＋4l\(_{0}\)＋8l0＝15l\(_{0}\)
因此，便可求出第一段移相馈线的长度l\(_{1}\)=l0=\(\frac{1}{15}\)δdSin80°=1;15×0.66×140×0.985＝6.07（厘米）；
第二段移相馈线长度l\(_{2}\)=2l0=2×6.07=12.14（厘米）；第三段移相馈线长度l\(_{3}\)=4l0=4×6.07=24.28（厘米）；第四段移相馈线长度l\(_{4}\)=8l0=8×6.07=48.56（厘米）。
上述四段馈线的选择方法是等比级数分割法，它们可以实现15种不同长度的组合，即l\(_{0}\)、2l0、3l\(_{0}\)、4l0、5l\(_{0}\)、……15l0。15种不同长度的移相馈线便能实现15个不同的偏转角，其对应关系如表1所列。
当天线接收电视信号时，重影波可能来自它的左前方，也可能来自右前方。为了避开重影波；零接收角必须能够左右偏转。在甲、乙两副组合单元天线中，若甲天线与移相馈线相连，零接收角偏向于甲天线一侧；若乙天线与移相馈线相连，零接收角偏向于乙天线一侧。为了实现这一目的，可以使用换向开关来控制移相馈线与组合单元天线的连接。这样便可以得到如图5所示的移相器结构。
图中L\(_{R}\)是比较用的标准馈线。LS是切断移相馈线用的短路馈线，L\(_{1}\)、L2、L\(_{3}\)、L4是移相馈线。
若甲、乙两副组合单元天线都不接移相馈线，那么其中一副天线接L\(_{R}\)，另一副天线串接四段LS。此时，四段移相馈线全部被L\(_{S}\)短路。因此，四段短路馈线长度之和应等于比较馈线LR的长度，即4L\(_{S}\)=LR。
若甲天线（或乙天线）串接四段移相馈线，而乙天线（或甲天线）接上比较馈线L\(_{R}\)，则此时零接收角有最大的偏转。即θmax＝80°。因此，L\(_{1}\)＋L2＋L\(_{3}\)＋L4-L\(_{R}\)＝15l0。又因L\(_{R}\)＝4LS，所以L\(_{1}\)＋L2＋L\(_{3}\)＋L4-4L\(_{S}\)=15l0。为了满足这一条件，在L\(_{1}\)、L2、L\(_{3}\)、L4中应分别包括一段L\(_{S}\)，即L1=l\(_{0}\)＋LS，L\(_{2}\)＝2l0＋L\(_{S}\)，L3=4l\(_{0}\)＋LS，L\(_{4}\)=8l0＋L\(_{S}\)。
而比较馈线L\(_{R}\)的长度可以根据实际安装的情况选定。LR确定之后，L\(_{S}\)随之而定，即LS=14L\(_{R}\)。
若选L\(_{R}\)=32厘米时，LS＝8厘米，那么L\(_{1}\)、L2、L\(_{3}\)、L4分别为：L\(_{1}\)=LS＋L\(_{0}\)= 8＋6.07=14.07（厘米）；L2=L\(_{S}\)＋2l0=8＋12.14=20.14（厘米）；L\(_{3}\)=LS＋4l\(_{0}\)=8＋24.28=32.28（厘米）；L4=L\(_{S}\)＋8l0=8＋48.56=56.56（厘米）。
图5中的开关SW\(_{1}\)、SW2、SW\(_{3}\)、SW4用于移相馈线与短路馈线L\(_{S}\)之间的切换；SW0用于两副天线与L\(_{R}\)和移相馈线、LS之间的切换称为换向开关。图中粗黑线表示二只开关之间的连线，其长度约为1厘米。前面计算的L\(_{S}\)包括了这个1厘米长度。
3.信号合成器
信号合成器实际上是一个阻抗匹配网络。两路同相信号分别通过LR和移相开关加到合成器。而合成器的输出信号，又通过75Ω同轴电缆加到电视机输入插孔。这种阻抗匹配有如下两种简易方式。
①四分之一波长电缆匹配器。这是采用特性阻抗为50Ω的同轴电缆（如SYV—50－2－1型电缆），其长度，l=\(\frac{1}{4}\)δ·λ\(_{0}\)δ—电缆的波长缩短系数，δ=0.66λ0—所接收的电视频道中心波长。这段匹配电缆心线的一端与L\(_{R}\)和移相开关SW1相连，电缆的外导体（金属丝屏蔽层）相互连接。匹配电缆的另一端心线与通向电视机的75Ω电缆心线相连。如图6所示。这种匹配方法的缺点是工作频带窄。
②星形电阻匹配器。这是采用三只1／8瓦电阻组成的匹配器。每只电阻值为24Ω。其连接方法如图5中的合成器所示。这是一种宽带阻抗匹配器。用这种方法制作的接收方向控制器可以适用于1—12频道。
接收方向控制器必须采用金属屏蔽盒。或者采用敷贴铝箔纸的木盒。以免杂散电磁波通过移相开关等等的接线而窜扰正常信号。
应用
一副可变方向性天线既可以供一台电视机使用，也可以供多台电视机共用。其使用方法如下：
一般使用方法：为了使电视观众能方便地操作接收方向控制器（简称控制器），控制器通过一段75Ω的电缆（即合成器的输出电缆）与电视机的天线输入插头相连。收看电视节目出现重影时，若此时天线换向开关SW处于甲的状态，那么依次拨动移相开关SW\(_{1}\)、SW2……。四只移相开关的不同组合，可以使天线的接收方向有15个不同的偏转角度，当拨动移相开关的15种组合状态不能排除重影时，再拨动天线换向开关SW，使换向开关SW处于乙的状态。然后再依次拨动开关SW\(_{1}\)、SW2……，直至把重影减少到最轻的程度为止。
多台电视机共用的方法：为了提高每一副可变方向性天线的利用率，同时减少屋顶上室外天线的数量，一副可变方向性天线可以供若干台电视机共用，但是控制器不能共用，每台电视机必须有自己独立的控制器。二台或三台电视机共用一副可变方向性天线其连接图分别如图7a、b所示。图7a中，天线下面串接的阻抗匹配网络有三只1/8瓦的电阻组成，每只电阻值为24Ω。阻抗匹配网络须装在一只屏蔽盒内。该屏蔽盒既可置于室内，也可置于室外，两种情况仅是所用的馈线长短不同，对性能并无影响。但是屏蔽盒置于室外必须考虑防雨、雪等问题。当收看电视节目时，A、B两台电视机，无论是收看同一电视频道节目，还是不同频道节目，各自的电视观众，可以根据自己的需要随意拨动天线换向开关SW和移相开关SW\(_{1}\)……。这时两台电视机相互之间没有任何牵制。这一原理同样适用于大规模共用天线电视系统（即简称CATV系统）。
图7b是三台电视机共用一副可变方向性天线的简易方法。其阻抗匹配网络有四只1/8瓦电阻构成。每只电阻值均是39Ω。
最后顺便说明一下，上述制作的可变方向性天线，通过天线换向开关SW和移相开关SW\(_{1}\)……、等能灵活地改变最大接收方向，因此，这种天线在一定范围内，也可用于接收来自不同方向的电视信号。但这时必须注意选用高增益天线。（王国强）