铁路移动通信系统中微带八木天线设计*

杜 振，熊祥正，廖 成

（西南交通大学 物理科学与技术学院，四川 成都 610031）

0 引言

在移动无线通信系统中，空间无线信号的发射和接收是依靠天线来实现的，天线的性能影响着整个通信网络的运行质量。当前铁路移动通信系统已经在全国新建铁路得到广泛应用，应用于铁路移动通信系统的频段主要是900 MHz[1]（上行：885 MHz～890 MHz；下行：930 MHz～935 MHz），此外还包括450 MHz 频段与1800 MHz 频段。由于铁路系统存在直线延伸、高路堑、弯曲隧道等自身地形特点。铁路的应用场景比较复杂，因此天线在铁路无线通信系统的建设中尤为重要。

当前，许多隧道内的通信天线仍然使用同轴漏缆进行信号覆盖，全国大量的既有线路已计划全部更改为GSM-R[2]（Global System of Mobile Communications-Railway）系统，如按照新建铁路隧道内全部设置同轴漏缆电缆的方案，会造成工程投资大、维护困难等问题。目前已在尝试采用隧道天线方案来代替漏缆，已经有学者在探讨和研究[3]，在隧道中使用改进型天线来代替同轴漏缆进行通信覆盖的方案，所采用的改进型天线一般为定向天线，要求匹配隧道内电磁波传播特点，方向集中，能覆盖较远距离。

传统的微带天线[4-7]具有低剖面、质量轻、制造成本低以及易于和电路集成等优点，被广泛应用于现代无线通信系统。但是，微带天线的低增益难以满足隧道天线的高增益特性。八木天线[8-10]具有良好的方向性和较高的增益，被广泛应用于工程上测向和远距离通信。但是，基于八木天线的大尺寸，带宽较窄以及难以与其他载体共形的缺点，不能应用在隧道里面。文献[11]通过微带天线与八木天线的组合，设计了一款同时工作在5.2 GHz 与5.8 GHz，且增益达到8.8 dB 与9.4 dB，但这款天线存在着带宽较窄，副瓣比较大，定向性能较差的问题。文献[12]是通过微带天线与八木天线的相结合，通过附加矩形寄生贴片结构，实现了在1.81～2.57 GHz 内，电压驻波比(VSWR)小于2，相对带宽为31%，在2.4 GHz 频率处的增益大于9 dB，但是副瓣较大。文献[13]提出了一种Fabry-Perot 谐振腔天线，通过频率选择表面来提高增益，但是由于天线对谐振依赖程度过高，导致带宽太窄。

在本文的设计中，基于微带天线（偶极子天线）和八木天线的理论，设计了可工作于铁路通信900 MHz 频段的印刷偶极子天线，并通过添加引向振子和反射器来提高天线的增益[14]，将两种天线集成在同一介质板上组成定向天线。通过在印刷偶极子天线上添加矩形耦合枝节结构拓宽了天线的带宽，改善了匹配特性。仿真结果表明，设计的天线工作在900 MHz（上行：885 MHz～890 MHz；下行：930 MHz～935 MHz）频段，相对带宽达到24%，整个频段内平均增益为9.6 dBi，半功率波束宽度在53°以内，副瓣较小，前后比小于-20 dB。

1 天线结构设计

天线模型如图1、图2、图3、图4 所示。

图2 天线微带结构模型（正面）

图3 天线微带结构模型（背面）

图4 反射器结构（底面）

如图1 所示，天线由三部分构成：微带天线（印刷偶极子天线）、引向振子和反射器。引向振子和微带结构处于介质基板同一侧，为了在纵向上减小天线的尺寸，偶极子天线的两个振子采用弯折结构。

如图2 所示，在印刷偶极子天线中心部分添加两条长度不同的矩形枝节，两个枝节分别与左右振子相贴合，该结构的引入改变了天线表面的电流分布，改善了匹配特性，拓宽了天线的工作带宽。如图3 和图4 所示，介质基板背面的微带线，通过反射器与正面的微带结构相连接。天线采用同轴馈电，同轴线的内导体连接右边振子，外导体连接左边振子。这种简化的馈电结构简单，易于加工。采用Rogers RT/duroid 5880 (tm)（εr=2.2）材料作为介质基板，损耗正切tanδ=0.000 9，大小为L_SUB×W_SUB=395 mm×150 mm

天线的中心频率为900 MHz，制作在上述介质板上，其等效介电常数为：

电磁波在介质中的波长为：

式（1）[15]、式（2）中：c是自由空间光速；f是天线中心频率；εr是介质板相对介电常数；h是介质板厚度。

该天线以初始频率900 MHz 为基础来设计天线参数，其等效介电常数为2.17，介质中波长为226.3 mm，真空中波长为333.3 mm。根据八木天线的设计原理[16]，有源振子的长度约为波长的1/2。因为印刷偶极子天线的信号传播同时包含介质与自由空间，所以实际上的半波偶极子天线的振子长度介于113.15 mm 与166.65 mm 之间。引向器的最佳长度Y 要比波长的1/2 短10%（即0.45λ），引向器之间的间距约为λ/3。利用Ansoft HFSS15.0 对模型进行仿真分析，得到优化后的天线参数，如表1所示。

2 仿真与分析

通过HFSS15.0 对模型进行仿真，得到了天线的电流分布图。图5（a）所示为直线型缝隙的电流分布图，图5（b）所示为L 型缝隙的电流分布图，图5（c）为添加了矩形枝节的电流分布图。由微带天线分析理论[17]可知，在天线激励振子附近附加矩形枝节，实际上是将RLC 谐振电路改为多谐振点的谐振电路，回波损耗呈现双谐振特性。合理的附加寄生贴片是实现宽频带特性的方法之一。从图5（a）（b）可以看出，在由直线型缝隙变为L 型缝隙后，天线表面上电流有明显的改变。L 型缝隙，增大了两个振子之间的耦合度，拓宽了天线的工作带宽。从图6 可以看出，直线型缝隙的带宽为98 MHz（830～927 MHz），L 型缝隙的带宽为160 MHz（790～951 MHz）。L 型缝隙天线的带宽更宽，其相对带宽增加了7.3%。

表1 天线结构参数值(单位：mm)

从图5（b）（c）可以看出，添加了矩形耦合枝节的微带天线上的表面电流分布发生改变，耦合结构的添加增加了两振子之间的电容，使得天线在高频段的匹配性能得到明显改善。如图7 所示，添加了矩形枝节的天线的S11曲线在高频段明显要优于未添加矩形枝节的天线。与未添加矩形枝节的天线相比，带宽更宽，相对带宽增加了5.7%。

图5 天线表面电流分布

如图8 所示，随着矩形耦合枝节长度的变长，天线的带宽得到了展宽。矩形耦合枝节如果较小，起不到增大带宽的作用，而矩形枝节过大，又会导致天线在高频段的匹配性能逐渐变差。当L3=95 mm，L4=84 mm 时，天线在频带内的高频有部分频点的S11参数就已升高至-10 dB 左右，因此，在增大矩形耦合枝节长度拓宽天线带宽的同时也要关注天线全频段的匹配性能。综合考虑天线带宽和匹配性能，选取L3=85 mm，L4=74 mm。

微带天线的介质基板的厚度增加，在一定程度上可以拓宽天线的阻抗带宽。但是过厚的基片除了加工不便之外，也会获得表面波模式，而同轴馈电系统也会引入高电感[18]，因此过厚的基片会导致更高次工作模式被激励，从而导致方向图的形状出现畸形。如图9 所示，随着介质板厚度（H）的增大，天线在高频部分的S11数值过大，当H=1.8 mm 时，S11参数就已升高至-10 dB 以上。综合考虑天线的方向图和阻抗带宽，选择H=1.4 mm。

图6 缝隙形状对天线性能的影响

图7 矩形耦合枝节对天线性能的影响

图8 矩形耦合枝节长度对天线性能的影响

八木天线的引向器长度设计中，分为等长引向器与非等长引向器设计两种。如图10 所示，5 个等长引向器的长度均为132 mm，非等长引向器的尺寸如表1 所示。通过仿真得到的非等长引向器长度设计的天线，其增益性能更好。尤其是在高频部分，带有非等长引向器天线的增益更高。在低频部分，等长引向器的天线性能较好。综合考虑，选择非等长引向器的设计。

图9 介质板厚度（H）对天线性能的影响

图10 等长度与非等长度引向器对天线增益的影响

3 天线性能分析

天线的回波损耗（-S11）、方向图和增益是衡量天线性能好坏的重要参数。如图11 所示，天线S11＜-10 dB的带宽为204 MHz(748～952 MHz)，L型缝隙与矩形耦合枝节的添加改变了天线表面的电流分布，拓宽了工作带宽。该设计为宽带天线，相对带宽达到了24%。

图12 给出了天线在900 MHz 频点E 面和H 面方向图。该天线在所需要的辐射方向上加上5 个引向振子，引向振子在场作用下产生感应电流，通过调整引向器的间距和尺寸，印刷偶极子天线以及5个引向器组成的引向天线，可以在指向引向器的方向获得较强的辐射，而在相反的方向上辐射则很弱。该天线的E 面的半功率波束宽度为50.75°，H 面的半功率波束宽度为52.33°，前后比小于-20 dB。图13 给出了900 MHz 频点三维增益方向图，天线在900 MHz 处的增益为9.45 dBi，主要辐射方向为+Z 方向。

图11 天线S11 曲线

图12 天线E 面和H 面方向（900 MHz）

图13 天线3D 增益方向（900 MHz）

如图14 所示，天线在频带范围内的增益曲线图。天线在频率920 MHz 处获得最大增益，为10.8 dBi。在频带范围内（885～935 MHz），天线的增益处于9.1 dBi-10.8 dBi，平均增益为9.6 dBi。综上所述，该天线是一款宽带高增益定向天线。

图14 天线在频带内的增益曲线

表2 给出了本文与其他参考文献中采用微带八木结构的性能对比结果。可以看出，本文设计的天线带宽较宽，增益比较高，波瓣宽度比较窄，可以更好的应用于铁路移动通信系统的隧道环境。

表2 天线性能对比表

4 结语

通过采用微带天线与八木天线相结合的结构，矩形耦合枝节加载方案，引向器长度采用非等长设计方式，设计了一款适用于铁路移动通信系统宽带高增益定向天线。该天线的工作带宽为748～952 MHz，相对带宽达到了24%，在885～935 MHz 频带范围内的平均增益为9.6 dBi，前后比小于-20 dB，半功率波束宽度控制在53°以内，定向辐射性能更好。相比较于普通的微带天线，其增益更高，带宽更宽，副瓣更小；相比较于普通的板状天线，其定向性能更好。该设计于工程上也有较大的应用意义。