板線平衡器在八木天線中的應用*

吳志鋒，王國年

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

八木天線又稱引向天線或波道天線，具有結構簡單、饋電方便、增益高、易制作等優點，廣泛應用于米波和分米波通信、雷達、電視及其他無線電技術設備中［1］。常規八木天線采用穿入式、λ/2U 型環饋電，盡管其饋電形式簡單、經濟，但成品一致性差且耐功率低。本文研究的一種采用板線平衡器饋電的八木天線，其最大優點是可以通過改變板線內導體粗細來改變輸入阻抗實數部分，而虛數部分可通過滑動兩板之間短路片來達到，利于整個天線阻抗匹配，而且帶寬寬，理論上可以達到2∶1，通過合理設計板寬與板間距比使其達到耐功率的要求。

1 板線平衡器的設計

1.1 理論分析

從圖1 可以看出，板線平衡器結構很簡單，就是兩塊板一根桿。盡管其結構簡單，但是關于該平衡器嚴格的理論分析在相關文獻中均未找到。

板線平衡器可視為縫隙式平衡器的極端情況，以下是從分析縫隙式平衡器的角度來導出板線平衡器的特性［2］。板線平衡器等效電路如圖2(a）所示，線上同時可存在兩種模式的電壓電流。圖2(a）可分解為圖2(b）加上圖2(c）。其中圖2(b）為共模:內導體為高電位，而兩外導體處處短路，不影響同軸線模的傳輸，電流由內導體流出，兩外導體返回。圖2(c）為差模:電流由一外導體流入，另一外導體流出，內導體的存在僅僅影響特性阻抗。

圖2 平衡器模式分解圖

據板線平衡器的邊界條件可以得到V6=V4，V2=2V4，V5=0，V1=V3，I3=I1，I2=(I4/2）－I6。于是，圖2可以簡化如圖3。

圖3 簡化后的模式分解圖

圖3中，Z0為同軸線特性阻抗，Zd為雙線差模特性阻抗。輸入阻抗Zin=V1/I1，負荷阻抗ZL=V2/I2=V2/［(I4/2）－I6］。由傳輸線公式可知:

為便于計算，令V4/I4=ZL0，即可導出Zin:

公式(1）右端為兩阻抗并聯的結果，于是等效電路可變為圖4。

圖4 等效電路

從式(1）可以看出，板線平衡器不僅起到平衡的作用，而且有阻抗變換功能，輸入輸出的阻抗變比為1∶4。

1.2 仿真及試驗結果

由于帶寬的限制，八木天線采用折合振子激勵。由上面分析可知，為了使得板線平衡器與折合振子(特性阻抗300 Ω）匹配，板線平衡器特性阻抗應為75 Ω。由于折合振子有一個重要的特性，那就是通過改變兩臂的粗細來改變其阻值，因此為了獲取更佳的天線性能，要同時考慮板線平衡器特性阻抗、板線平衡器阻抗變換特性及折合振子特性阻抗三者之間的相互關系。

采用HFSS 軟件對板線平衡器饋電的折合振子天線仿真、優化，最終物理參數見表1。建模圖形如圖5所示，圖6、圖7為其俯視圖和側視圖。

表1 板線平衡器及折合振子結構參數(mm）

圖5 仿真模型

圖6 俯視圖

圖7 側視圖

由仿真結果制作了板線平衡器饋電的折合振子天線，從圖8、圖9 可以看出，其實際測試結果與仿真基本吻合，從而不僅對板線平衡器有不平衡-平衡變換作用，而且對具有1∶4 阻抗變換特性作了充分的驗證。

實際應用中，板線平衡器的最大難點就在于防潮、防雨問題。如果為了進一步縮減體積，可以采用板線平衡器注入聚乙烯的方法進行實心填充。

圖8 板線平衡器及折合振子仿真VSWR

圖9 板線平衡器及折合振子測試VSWR

2 板線平衡器在八木天線中的應用

某天線要求工作在UHF波段，帶寬達20%，G≥13 dB。八木天線的結構如圖10所示，由折合振子、反射柵、板線平衡器和若干引向振子組成。所有振子都排列在一個平面內，互相平行，中心在一條直線上。引向振子與金屬支撐桿垂直，折合振子與金屬桿絕緣。

圖10 八木天線結構示意圖

八木天線的工作原理及分析方法在文獻［1］中給了詳盡的闡述，這里不再重復。本文結合上述對板線平衡器饋電的折合振子天線的分析，采用文獻［3-4］介紹的八木天線設計方法，并借助HFSS 軟件優化實現了在f0±0.1f0范圍內VSWR≤1.62(見圖11），G≥13.5 dB 板線平衡器饋電的八木天線。

八木天線物理參數見表1、表2。表2中:

圖11 八木天線VSWR

表2 八木天線結構參數(mm）

天線E/H 面實測輻射方向圖如圖12所示，半功率波瓣寬度分別為37.48°、35.58°，滿足某天線系統要求。

圖12 八木天線f0處的實測方向圖

3 結束語

本文介紹了一種板線平衡器饋電的八木天線，并著重分析了板線平衡器的不平衡-平衡變換作用及1∶4阻抗變換功能特性。研制的板線平衡器在UHF波段工作帶寬達20%以上，由此饋電的八木天線在某天線系統中得到了應用。

［1］魏文元，宮德明，陳必森.天線原理［M］.北京:國防工業出版社，1984.

［2］胡樹豪.實用射頻技術［M］.北京:電子工業出版社，2004.

［3］Chen C A (1），D K Cheng.Optimum Spacings for Yagi-Uda arrays［J］.IEEE Trans.On Ants.Prop，1973:615-623.

［4］Chen C A (2），D K Cheng.Optimum Element Lengths for Yagi-Uda arrays［J］.IEEE Trans.On Ants.Prop，1975:8-15.