八木天线在流星通信系统中的设计与应用

郝国欣，何 鹄，马银圣，靳佰良

(1.中国电子科技集团公司第二十二研究所，山东 青岛 266107；2.中国人民解放军32184部队，北京 100093)

0 引言

作为端射行波天线之一的八木天线在许多无线通信系统中都有广泛应用，其天线方向性强，增益高，馈电方便，相对频宽在5%左右，非常适合在频带较窄的通信系统中使用。而流星余迹通信系统中传输的数据量小(通常为几十千字节)、带宽窄，选择使用八木天线非常适宜。早期流星突发通信系统中使用的八木天线多以双层五(六)单元八木天线阵为主，但双层天线阵的架设对于天线的仰角和方位角很难准确把握，且双层天线的阻抗匹配需要U型管作平衡-不平衡变换，架设后的天线驻波比实测偏差较大，因此设计使用单层八木天线应需而生。

1 八木天线简介

八木天线(Yagi-Uda Antenna)全称为“八木宇田”天线，由日本东京大学的八木秀次(Hidesugu Yagi)和宇田新太郎(Shintaro Uda)共同研制。八木天线又称为引向天线，采用平行布局，由一个驱动单元(又称有源振子)、一个无源反射器单元和若干个无源引向器单元排列而成，如图1所示。反射器比有源振子长度长，引向器比有源振子长度短，由反射器指向引向器的方向接收信号能力最强。有源振子通过馈线和发射机功放输出或与接收机前端输入相连，有源振子被馈电后在空中能够产生电磁波，通过耦合在无源振子上产生感应电流并向空间辐射[1-2]。

图1 八木天线形式示意图

通过八木天线振子单元的电流分布，可得到各天线振子的远场分布。将各振子的远场叠加，可进一步获得远场辐射的总场[3-4]。当n个振子平行排列于z轴，第n个振子产生的远场辐射见式(1)～式(2)。

E≃-jωAθn，

(1)

(2)

式中，xn,yn表示第n个振子的位置。将N个振子形成的场叠加后得到八木天线的总场，如式(3)～式(4)。

(3)

(4)

在实际设计中，由于多个反射器对八木天线的性能并没有显著改善，因此只有一个反射器单元。但是引向器具备感应电流的作用，所以能够通过增加引向器的数量来提高天线的端向辐射性能。八木天线的主要辐射特性参数主要有：方向增益、输入阻抗、频带宽度、前后比和旁瓣幅度等，引向器和反射器的间距、长度决定了辐射特性。在天线设计过程中，主要关键点包括：① 振子数目及引向器单元的排列；② 反射器单元和驱动单元的间距；③ 根据阻抗要求设计驱动单元[5]。

2 流星突发通信

流星突发通信(Meteor Burst Communication，MBC)是一种以流星余迹为媒介的通信体制[6-8]。当流星掠过地球大气层，在海拔80～120 km范围内，流星和大气层的空气分子发生剧烈摩擦碰撞，激起周围大气的电离，产生一条以流星痕迹为中心的“拖尾状”长柱形电离颗粒轨迹，这就是“流星余迹”，其电子密度非常大，对甚高频(VHF)频段的信号具有良好的反射作用，因此可利用这一物理特性作为电波传播的媒介实现短时、低速率数据以及报文等通信[8]。流星余迹长度在20～40 km左右，针对甚高频的通信距离可确认在300～2 000 km的范围内。流星余迹通信系统中，天线应提供较高的増益特性，且具备较强的覆盖能力，使得其波束能够涵盖较宽的区域，因此常采用八木天线作为收发天线[9-10]。八木天线作为一种慢波结构的行波线天线，具有增益高、结构简单、成本低、通用性强、易于排阵和变形等特点，完全满足MBC系统中天线形式的需要[11-12]。

3 八木天线的设计

根据流星余迹的通信特点，八木天线需要在较宽频带内具有高增益特性，使能量更好地投射到尽量远的区域且具有一定的辐射强度。首先选定MBC通信工作频段在甚高频39.5 ～ 45.0 MHz,在中心频率42.5 MHz处天线增益设计指标不小于13 dB。

3.1 八木天线的设计与改善

八木天线振子数目根据方向性系数或增益来决定，方向图和增益存在下面关系：

G=ηD。

(5)

作为引向天线，八木天线效率非常高(大于90%)、损耗很小，故G≅D。方向系数为：

(6)

式中，L为八木天线振子轴长,λ为波长；k1为比例系数，它是L/λ的函数。

一般来说，方向系数随L/λ的增加而增大。但随L/λ增加，方向系数增大的速度下降，这是因为当L/λ较小时，k1值较大，但当L/λ增大，k1值下降。L/λ增大，引向器数目增多，使天线的结构复杂化，增加了天线的制造成本、占地面积和架设难度，通常引向器的振子数目为6～12个比较适宜，在本系统中选择设计八单元八木天线，如图2所示。

图2 八单元八木天线的设计

首先确定八木天线的总长L/λ，根据经验图表查询，选取L=2.01λ。考虑天线的指标在工作频段的低端容易实现，而高端变化较快，因此设计频率高于中心频率。振子使用直径为20 mm的铝质管材，天线设计总长为13 015 mm。

然后计算振子的分布间距d。间距d较大时，波瓣较窄，增益较大，但是副瓣也较大，通常振子分布间距范围为：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。

为追求最大增益，间距d依次取[A组:0.20λ,0.16λ,0.25λ,0.35λ,0.32λ,0.33λ,0.40λ]。得到的增益仿真[13-14]如图3中A曲线。改变振子的布局间距，进一步提高增益，得到图3中B曲线。此时的振子间距为[B组:0.30λ,0.21λ,0.28λ,0.34λ,0.31λ,0.29λ,0.28λ]，间距(单位：mm)为：dr=1 955；d01=1 355；d12=1 850；d23=2 180；d34=2 025；d45=1 885；d56=1 745。对比图中A,B曲线，可以得出，增益的提高是以带宽减少为代价的，但也并未引起副瓣电平的过多恶化(< 1 dB)。

图3 不同振子间距的天线增益仿真

引向器振子的长度分为2种：不等长和等长。若全部采取不等长方式，第一个引向器长取0.471λ，后面每根递减2%。若全部采用等长，每根引向器长均取0.476λ。为降低成本、加工简单，引向器振子长度采取“前端差异长、后端相等长”设计，既确保了增益又兼顾了频带稍宽。第一个引向器长L1=0.476λ，长度(单位：mm)为：L1=3 095；L2=3 055；L3=3 025；L4=3 025；L5=3 025；L6=3 025。

反射器振子长度为0.55λ，即Lr= 3 610。有源振子长度为0.49λ，即L0= 3 190。

3.2 天线方向图仿真

使用HFSS对八单元八木天线进行了仿真，各单元在仿真过程中设置为有限导体，地面介电常数和电导率分别取为εr=10,σ=0.01 S/m，天线平行地面架设。图4为天线在频点f= 40.5 MHz的H，E面的方向图。

图4 天线方向图仿真结果

从图4中可以看到该天线具有较好的定向辐射特性，H面具有较宽的辐射波束。

3.3 天线的架设与测试结果

在流星突发通信某链路，通信距离1 300 km，水平极化架设八单元八木天线，如图5所示。天线平面距离地面高度约为13.5 m，顶端安装避雷针及引地线，天线馈电接口为50 Ω不平衡输出，天线的增益、驻波比实测和仿真曲线如图6和图7所示。

图5 应用在流星突发通信某链路上的八木天线

如图6所示，从地面反射测试的结果[15]和仿真值的比较可以看出，增益的实际测试值(选取频点)与仿真值的偏离负误差基本控制在1.0 dB范围内，尤其是在低频段基本吻合。在42.5 MHz的中心频点，仿真值为13.41 dBi，而测试值为13.15 dBi，符合设计指标大于13 dB的技术要求。

图6 八木天线的增益测试与仿真对比曲线

如图7所示，驻波比测试值和仿真值的趋势基本一致，考虑到架设地面环境反射影响，测试值比仿真值略大，但未对通信链路造成任何影响。

图7 八木天线的驻波比测试与仿真曲线

4 结束语

针对以往流星通信系统中收发天线的简化需求，文中设计了单层八单元八木天线，解决了双层天线阵的角度不准、阻抗不匹配、架设困难的缺憾。通过使用天线仿真软件HFSS，适时合理调整天线参数，有效提高了八木天线的设计准确性，通过架设后的指标实测和仿真值对比，该天线基本达到了预定要求，而且增益和驻波比均优于以往双层八木天线阵。另外，由于天线工作在甚高频(VHF)，若追求通信距离更远，势必增加引向器振子数量，从而使天线方向图更尖锐，增益也更高，但是带来了体积庞大、抗风载风险变大、重量増加及工作可靠性变差等隐患。