八木天線在流星通信系統中的設計與應用

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中使用。而流星余跡通信系統中傳輸的數據量小(通常為幾十千字節)、帶寬窄，選擇使用八木天線非常適宜。早期流星突發通信系統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 根據阻抗要求設計驅動單元[5]。

2 流星突發通信

流星突發通信(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短時、低速率數據以及報文等通信[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域，因此常采用八木天線作為收發天線[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系統中天線形式的需要[11-12]。

3 八木天線的設計

根據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

八木天線振子數目根據方向性系數或增益來決定，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。方向系數為：

(6)

式中，L為八木天線振子軸長,λ為波長；k1為比例系數，它是L/λ的函數。

一般來說，方向系數隨L/λ的增加而增大。但隨L/λ增加，方向系數增大的速度下降，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目為6～12個比較適宜，在本系統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，根據經驗圖表查詢，選取L=2.01λ。考慮天線的指標在工作頻段的低端容易實現，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中收發天線的簡化需求，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，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。