鐵路移動通信系統中微帶八木天線設計*

杜 振，熊祥正，廖 成

（西南交通大學 物理科學與技術學院，四川 成都 610031）

0 引言

在移動無線通信系統中，空間無線信號的發射和接收是依靠天線來實現的，天線的性能影響著整個通信網絡的運行質量。當前鐵路移動通信系統已經在全國新建鐵路得到廣泛應用，應用于鐵路移動通信系統的頻段主要是900 MHz[1]（上行：885 MHz～890 MHz；下行：930 MHz～935 MHz），此外還包括450 MHz 頻段與1800 MHz 頻段。由于鐵路系統存在直線延伸、高路塹、彎曲隧道等自身地形特點。鐵路的應用場景比較復雜，因此天線在鐵路無線通信系統的建設中尤為重要。

當前，許多隧道內的通信天線仍然使用同軸漏纜進行信號覆蓋，全國大量的既有線路已計劃全部更改為GSM-R[2]（Global System of Mobile Communications-Railway）系統，如按照新建鐵路隧道內全部設置同軸漏纜電纜的方案，會造成工程投資大、維護困難等問題。目前已在嘗試采用隧道天線方案來代替漏纜，已經有學者在探討和研究[3]，在隧道中使用改進型天線來代替同軸漏纜進行通信覆蓋的方案，所采用的改進型天線一般為定向天線，要求匹配隧道內電磁波傳播特點，方向集中，能覆蓋較遠距離。

傳統的微帶天線[4-7]具有低剖面、質量輕、制造成本低以及易于和電路集成等優點，被廣泛應用于現代無線通信系統。但是，微帶天線的低增益難以滿足隧道天線的高增益特性。八木天線[8-10]具有良好的方向性和較高的增益，被廣泛應用于工程上測向和遠距離通信。但是，基于八木天線的大尺寸，帶寬較窄以及難以與其他載體共形的缺點，不能應用在隧道里面。文獻[11]通過微帶天線與八木天線的組合，設計了一款同時工作在5.2 GHz 與5.8 GHz，且增益達到8.8 dB 與9.4 dB，但這款天線存在著帶寬較窄，副瓣比較大，定向性能較差的問題。文獻[12]是通過微帶天線與八木天線的相結合，通過附加矩形寄生貼片結構，實現了在1.81～2.57 GHz 內，電壓駐波比(VSWR)小于2，相對帶寬為31%，在2.4 GHz 頻率處的增益大于9 dB，但是副瓣較大。文獻[13]提出了一種Fabry-Perot 諧振腔天線，通過頻率選擇表面來提高增益，但是由于天線對諧振依賴程度過高，導致帶寬太窄。

在本文的設計中，基于微帶天線（偶極子天線）和八木天線的理論，設計了可工作于鐵路通信900 MHz 頻段的印刷偶極子天線，并通過添加引向振子和反射器來提高天線的增益[14]，將兩種天線集成在同一介質板上組成定向天線。通過在印刷偶極子天線上添加矩形耦合枝節結構拓寬了天線的帶寬，改善了匹配特性。仿真結果表明，設計的天線工作在900 MHz（上行：885 MHz～890 MHz；下行：930 MHz～935 MHz）頻段，相對帶寬達到24%，整個頻段內平均增益為9.6 dBi，半功率波束寬度在53°以內，副瓣較小，前后比小于-20 dB。

1 天線結構設計

天線模型如圖1、圖2、圖3、圖4 所示。

圖2 天線微帶結構模型（正面）

圖3 天線微帶結構模型（背面）

圖4 反射器結構（底面）

如圖1 所示，天線由三部分構成：微帶天線（印刷偶極子天線）、引向振子和反射器。引向振子和微帶結構處于介質基板同一側，為了在縱向上減小天線的尺寸，偶極子天線的兩個振子采用彎折結構。

如圖2 所示，在印刷偶極子天線中心部分添加兩條長度不同的矩形枝節，兩個枝節分別與左右振子相貼合，該結構的引入改變了天線表面的電流分布，改善了匹配特性，拓寬了天線的工作帶寬。如圖3 和圖4 所示，介質基板背面的微帶線，通過反射器與正面的微帶結構相連接。天線采用同軸饋電，同軸線的內導體連接右邊振子，外導體連接左邊振子。這種簡化的饋電結構簡單，易于加工。采用Rogers RT/duroid 5880 (tm)（εr=2.2）材料作為介質基板，損耗正切tanδ=0.000 9，大小為L_SUB×W_SUB=395 mm×150 mm

天線的中心頻率為900 MHz，制作在上述介質板上，其等效介電常數為：

電磁波在介質中的波長為：

式（1）[15]、式（2）中：c是自由空間光速；f是天線中心頻率；εr是介質板相對介電常數；h是介質板厚度。

該天線以初始頻率900 MHz 為基礎來設計天線參數，其等效介電常數為2.17，介質中波長為226.3 mm，真空中波長為333.3 mm。根據八木天線的設計原理[16]，有源振子的長度約為波長的1/2。因為印刷偶極子天線的信號傳播同時包含介質與自由空間，所以實際上的半波偶極子天線的振子長度介于113.15 mm 與166.65 mm 之間。引向器的最佳長度Y 要比波長的1/2 短10%（即0.45λ），引向器之間的間距約為λ/3。利用Ansoft HFSS15.0 對模型進行仿真分析，得到優化后的天線參數，如表1所示。

2 仿真與分析

通過HFSS15.0 對模型進行仿真，得到了天線的電流分布圖。圖5（a）所示為直線型縫隙的電流分布圖，圖5（b）所示為L 型縫隙的電流分布圖，圖5（c）為添加了矩形枝節的電流分布圖。由微帶天線分析理論[17]可知，在天線激勵振子附近附加矩形枝節，實際上是將RLC 諧振電路改為多諧振點的諧振電路，回波損耗呈現雙諧振特性。合理的附加寄生貼片是實現寬頻帶特性的方法之一。從圖5（a）（b）可以看出，在由直線型縫隙變為L 型縫隙后，天線表面上電流有明顯的改變。L 型縫隙，增大了兩個振子之間的耦合度，拓寬了天線的工作帶寬。從圖6 可以看出，直線型縫隙的帶寬為98 MHz（830～927 MHz），L 型縫隙的帶寬為160 MHz（790～951 MHz）。L 型縫隙天線的帶寬更寬，其相對帶寬增加了7.3%。

表1 天線結構參數值(單位：mm)

從圖5（b）（c）可以看出，添加了矩形耦合枝節的微帶天線上的表面電流分布發生改變，耦合結構的添加增加了兩振子之間的電容，使得天線在高頻段的匹配性能得到明顯改善。如圖7 所示，添加了矩形枝節的天線的S11曲線在高頻段明顯要優于未添加矩形枝節的天線。與未添加矩形枝節的天線相比，帶寬更寬，相對帶寬增加了5.7%。

圖5 天線表面電流分布

如圖8 所示，隨著矩形耦合枝節長度的變長，天線的帶寬得到了展寬。矩形耦合枝節如果較小，起不到增大帶寬的作用，而矩形枝節過大，又會導致天線在高頻段的匹配性能逐漸變差。當L3=95 mm，L4=84 mm 時，天線在頻帶內的高頻有部分頻點的S11參數就已升高至-10 dB 左右，因此，在增大矩形耦合枝節長度拓寬天線帶寬的同時也要關注天線全頻段的匹配性能。綜合考慮天線帶寬和匹配性能，選取L3=85 mm，L4=74 mm。

微帶天線的介質基板的厚度增加，在一定程度上可以拓寬天線的阻抗帶寬。但是過厚的基片除了加工不便之外，也會獲得表面波模式，而同軸饋電系統也會引入高電感[18]，因此過厚的基片會導致更高次工作模式被激勵，從而導致方向圖的形狀出現畸形。如圖9 所示，隨著介質板厚度（H）的增大，天線在高頻部分的S11數值過大，當H=1.8 mm 時，S11參數就已升高至-10 dB 以上。綜合考慮天線的方向圖和阻抗帶寬，選擇H=1.4 mm。

圖6 縫隙形狀對天線性能的影響

圖7 矩形耦合枝節對天線性能的影響

圖8 矩形耦合枝節長度對天線性能的影響

八木天線的引向器長度設計中，分為等長引向器與非等長引向器設計兩種。如圖10 所示，5 個等長引向器的長度均為132 mm，非等長引向器的尺寸如表1 所示。通過仿真得到的非等長引向器長度設計的天線，其增益性能更好。尤其是在高頻部分，帶有非等長引向器天線的增益更高。在低頻部分，等長引向器的天線性能較好。綜合考慮，選擇非等長引向器的設計。

圖9 介質板厚度（H）對天線性能的影響

圖10 等長度與非等長度引向器對天線增益的影響

3 天線性能分析

天線的回波損耗（-S11）、方向圖和增益是衡量天線性能好壞的重要參數。如圖11 所示，天線S11＜-10 dB的帶寬為204 MHz(748～952 MHz)，L型縫隙與矩形耦合枝節的添加改變了天線表面的電流分布，拓寬了工作帶寬。該設計為寬帶天線，相對帶寬達到了24%。

圖12 給出了天線在900 MHz 頻點E 面和H 面方向圖。該天線在所需要的輻射方向上加上5 個引向振子，引向振子在場作用下產生感應電流，通過調整引向器的間距和尺寸，印刷偶極子天線以及5個引向器組成的引向天線，可以在指向引向器的方向獲得較強的輻射，而在相反的方向上輻射則很弱。該天線的E 面的半功率波束寬度為50.75°，H 面的半功率波束寬度為52.33°，前后比小于-20 dB。圖13 給出了900 MHz 頻點三維增益方向圖，天線在900 MHz 處的增益為9.45 dBi，主要輻射方向為+Z 方向。

圖11 天線S11 曲線

圖12 天線E 面和H 面方向（900 MHz）

圖13 天線3D 增益方向（900 MHz）

如圖14 所示，天線在頻帶范圍內的增益曲線圖。天線在頻率920 MHz 處獲得最大增益，為10.8 dBi。在頻帶范圍內（885～935 MHz），天線的增益處于9.1 dBi-10.8 dBi，平均增益為9.6 dBi。綜上所述，該天線是一款寬帶高增益定向天線。

圖14 天線在頻帶內的增益曲線

表2 給出了本文與其他參考文獻中采用微帶八木結構的性能對比結果。可以看出，本文設計的天線帶寬較寬，增益比較高，波瓣寬度比較窄，可以更好的應用于鐵路移動通信系統的隧道環境。

表2 天線性能對比表

4 結語

通過采用微帶天線與八木天線相結合的結構，矩形耦合枝節加載方案，引向器長度采用非等長設計方式，設計了一款適用于鐵路移動通信系統寬帶高增益定向天線。該天線的工作帶寬為748～952 MHz，相對帶寬達到了24%，在885～935 MHz 頻帶范圍內的平均增益為9.6 dBi，前后比小于-20 dB，半功率波束寬度控制在53°以內，定向輻射性能更好。相比較于普通的微帶天線，其增益更高，帶寬更寬，副瓣更小；相比較于普通的板狀天線，其定向性能更好。該設計于工程上也有較大的應用意義。