八木天線在流星通信系統(tǒng)中的設計與應用

郝國欣，何 鵠，馬銀圣，靳佰良

(1.中國電子科技集團公司第二十二研究所，山東 青島 266107；2.中國人民解放軍32184部隊，北京 100093)

0 引言

作為端射行波天線之一的八木天線在許多無線通信系統(tǒng)中都有廣泛應用，其天線方向性強，增益高，饋電方便，相對頻寬在5%左右，非常適合在頻帶較窄的通信系統(tǒng)中使用。而流星余跡通信系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小(通常為幾十千字節(jié))、帶寬窄，選擇使用八木天線非常適宜。早期流星突發(fā)通信系統(tǒng)中使用的八木天線多以雙層五(六)單元八木天線陣為主，但雙層天線陣的架設對于天線的仰角和方位角很難準確把握，且雙層天線的阻抗匹配需要U型管作平衡-不平衡變換，架設后的天線駐波比實測偏差較大，因此設計使用單層八木天線應需而生。

1 八木天線簡介

八木天線(Yagi-Uda Antenna)全稱為“八木宇田”天線，由日本東京大學的八木秀次(Hidesugu Yagi)和宇田新太郎(Shintaro Uda)共同研制。八木天線又稱為引向天線，采用平行布局，由一個驅動單元(又稱有源振子)、一個無源反射器單元和若干個無源引向器單元排列而成，如圖1所示。反射器比有源振子長度長，引向器比有源振子長度短，由反射器指向引向器的方向接收信號能力最強。有源振子通過饋線和發(fā)射機功放輸出或與接收機前端輸入相連，有源振子被饋電后在空中能夠產生電磁波，通過耦合在無源振子上產生感應電流并向空間輻射[1-2]。

圖1 八木天線形式示意圖

通過八木天線振子單元的電流分布，可得到各天線振子的遠場分布。將各振子的遠場疊加，可進一步獲得遠場輻射的總場[3-4]。當n個振子平行排列于z軸，第n個振子產生的遠場輻射見式(1)～式(2)。

E?-jωAθn，

(1)

(2)

式中，xn,yn表示第n個振子的位置。將N個振子形成的場疊加后得到八木天線的總場，如式(3)～式(4)。

(3)

(4)

在實際設計中，由于多個反射器對八木天線的性能并沒有顯著改善，因此只有一個反射器單元。但是引向器具備感應電流的作用，所以能夠通過增加引向器的數(shù)量來提高天線的端向輻射性能。八木天線的主要輻射特性參數(shù)主要有：方向增益、輸入阻抗、頻帶寬度、前后比和旁瓣幅度等，引向器和反射器的間距、長度決定了輻射特性。在天線設計過程中，主要關鍵點包括：① 振子數(shù)目及引向器單元的排列；② 反射器單元和驅動單元的間距；③ 根據(jù)阻抗要求設計驅動單元[5]。

2 流星突發(fā)通信

流星突發(fā)通信(Meteor Burst Communication，MBC)是一種以流星余跡為媒介的通信體制[6-8]。當流星掠過地球大氣層，在海拔80～120 km范圍內，流星和大氣層的空氣分子發(fā)生劇烈摩擦碰撞，激起周圍大氣的電離，產生一條以流星痕跡為中心的“拖尾狀”長柱形電離顆粒軌跡，這就是“流星余跡”，其電子密度非常大，對甚高頻(VHF)頻段的信號具有良好的反射作用，因此可利用這一物理特性作為電波傳播的媒介實現(xiàn)短時、低速率數(shù)據(jù)以及報文等通信[8]。流星余跡長度在20～40 km左右，針對甚高頻的通信距離可確認在300～2 000 km的范圍內。流星余跡通信系統(tǒng)中，天線應提供較高的増益特性，且具備較強的覆蓋能力，使得其波束能夠涵蓋較寬的區(qū)域，因此常采用八木天線作為收發(fā)天線[9-10]。八木天線作為一種慢波結構的行波線天線，具有增益高、結構簡單、成本低、通用性強、易于排陣和變形等特點，完全滿足MBC系統(tǒng)中天線形式的需要[11-12]。

3 八木天線的設計

根據(jù)流星余跡的通信特點，八木天線需要在較寬頻帶內具有高增益特性，使能量更好地投射到盡量遠的區(qū)域且具有一定的輻射強度。首先選定MBC通信工作頻段在甚高頻39.5 ～ 45.0 MHz,在中心頻率42.5 MHz處天線增益設計指標不小于13 dB。

3.1 八木天線的設計與改善

八木天線振子數(shù)目根據(jù)方向性系數(shù)或增益來決定，方向圖和增益存在下面關系：

G=ηD。

(5)

作為引向天線，八木天線效率非常高(大于90%)、損耗很小，故G?D。方向系數(shù)為：

(6)

式中，L為八木天線振子軸長,λ為波長；k1為比例系數(shù)，它是L/λ的函數(shù)。

一般來說，方向系數(shù)隨L/λ的增加而增大。但隨L/λ增加，方向系數(shù)增大的速度下降，這是因為當L/λ較小時，k1值較大，但當L/λ增大，k1值下降。L/λ增大，引向器數(shù)目增多，使天線的結構復雜化，增加了天線的制造成本、占地面積和架設難度，通常引向器的振子數(shù)目為6～12個比較適宜，在本系統(tǒng)中選擇設計八單元八木天線，如圖2所示。

圖2 八單元八木天線的設計

首先確定八木天線的總長L/λ，根據(jù)經驗圖表查詢，選取L=2.01λ?？紤]天線的指標在工作頻段的低端容易實現(xiàn)，而高端變化較快，因此設計頻率高于中心頻率。振子使用直徑為20 mm的鋁質管材，天線設計總長為13 015 mm。

然后計算振子的分布間距d。間距d較大時，波瓣較窄，增益較大，但是副瓣也較大，通常振子分布間距范圍為：dr=(0.16 ～ 0.20)λ；d01=(0.14 ～ 0.16)λ；d12=(0.18 ～ 0.25)λ；d23=(0.25 ～ 0.35)λ；d34=(0.27 ～ 0.32)λ；d45=(0.27 ～ 0.33)λ；d56=(0.30 ～ 0.40)λ。

為追求最大增益，間距d依次取[A組:0.20λ,0.16λ,0.25λ,0.35λ,0.32λ,0.33λ,0.40λ]。得到的增益仿真[13-14]如圖3中A曲線。改變振子的布局間距，進一步提高增益，得到圖3中B曲線。此時的振子間距為[B組:0.30λ,0.21λ,0.28λ,0.34λ,0.31λ,0.29λ,0.28λ]，間距(單位：mm)為：dr=1 955；d01=1 355；d12=1 850；d23=2 180；d34=2 025；d45=1 885；d56=1 745。對比圖中A,B曲線，可以得出，增益的提高是以帶寬減少為代價的，但也并未引起副瓣電平的過多惡化(< 1 dB)。

圖3 不同振子間距的天線增益仿真

引向器振子的長度分為2種：不等長和等長。若全部采取不等長方式，第一個引向器長取0.471λ，后面每根遞減2%。若全部采用等長，每根引向器長均取0.476λ。為降低成本、加工簡單，引向器振子長度采取“前端差異長、后端相等長”設計，既確保了增益又兼顧了頻帶稍寬。第一個引向器長L1=0.476λ，長度(單位：mm)為：L1=3 095；L2=3 055；L3=3 025；L4=3 025；L5=3 025；L6=3 025。

反射器振子長度為0.55λ，即Lr= 3 610。有源振子長度為0.49λ，即L0= 3 190。

3.2 天線方向圖仿真

使用HFSS對八單元八木天線進行了仿真，各單元在仿真過程中設置為有限導體，地面介電常數(shù)和電導率分別取為εr=10,σ=0.01 S/m，天線平行地面架設。圖4為天線在頻點f= 40.5 MHz的H，E面的方向圖。

圖4 天線方向圖仿真結果

從圖4中可以看到該天線具有較好的定向輻射特性，H面具有較寬的輻射波束。

3.3 天線的架設與測試結果

在流星突發(fā)通信某鏈路，通信距離1 300 km，水平極化架設八單元八木天線，如圖5所示。天線平面距離地面高度約為13.5 m，頂端安裝避雷針及引地線，天線饋電接口為50 Ω不平衡輸出，天線的增益、駐波比實測和仿真曲線如圖6和圖7所示。

圖5 應用在流星突發(fā)通信某鏈路上的八木天線

如圖6所示，從地面反射測試的結果[15]和仿真值的比較可以看出，增益的實際測試值(選取頻點)與仿真值的偏離負誤差基本控制在1.0 dB范圍內，尤其是在低頻段基本吻合。在42.5 MHz的中心頻點，仿真值為13.41 dBi，而測試值為13.15 dBi，符合設計指標大于13 dB的技術要求。

圖6 八木天線的增益測試與仿真對比曲線

如圖7所示，駐波比測試值和仿真值的趨勢基本一致，考慮到架設地面環(huán)境反射影響，測試值比仿真值略大，但未對通信鏈路造成任何影響。

圖7 八木天線的駐波比測試與仿真曲線

4 結束語

針對以往流星通信系統(tǒng)中收發(fā)天線的簡化需求，文中設計了單層八單元八木天線，解決了雙層天線陣的角度不準、阻抗不匹配、架設困難的缺憾。通過使用天線仿真軟件HFSS，適時合理調整天線參數(shù)，有效提高了八木天線的設計準確性，通過架設后的指標實測和仿真值對比，該天線基本達到了預定要求，而且增益和駐波比均優(yōu)于以往雙層八木天線陣。另外，由于天線工作在甚高頻(VHF)，若追求通信距離更遠，勢必增加引向器振子數(shù)量，從而使天線方向圖更尖銳，增益也更高，但是帶來了體積龐大、抗風載風險變大、重量増加及工作可靠性變差等隱患。