二元陣八木基站天線設(shè)計(jì)

姬巖龍

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

八木天線作為一款常用的定向天線，在很多方面都有普遍的應(yīng)用，其電氣性能特點(diǎn)有：高增益、方向性強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)、效率高等；同時(shí)在實(shí)際實(shí)用方面有結(jié)構(gòu)簡單方便安裝架設(shè)、抗風(fēng)能力強(qiáng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。主要應(yīng)用于超短波及微波頻帶范圍。正是其結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，我們可以對(duì)八木天線進(jìn)行各種改造，用來適應(yīng)各種不同的應(yīng)用需求。本文通過天線原理及仿真設(shè)計(jì)介紹一款通過二元八木天線組合的基站天線[1]。

1 解析分析及原理

八木天線是一款引向高增益天線，分析其產(chǎn)生“引向”和“反射”作用時(shí)電流的相位條件，以及滿足這種條件的方法，由此了解引向天線的基本工作原理。

根據(jù)使用環(huán)境及接收天線極化形式，本文設(shè)計(jì)的天線采用4單元垂直極化八木天線，其方向圖在E面較窄，約30°～50°；而H面較寬約80°～90°。根據(jù)此次基站天線的使用需求，要求在增大天線增益的基礎(chǔ)上，保證E面覆蓋范圍，減少H面寬度。根據(jù)此要求，我們采用二元陣天線的工作原理[2]。

二元陣列天線是一種最簡單的天線陣列形式，但這種拼陣方式具有重要的意義，并且能夠用最簡單的方式提高單個(gè)天線在性能上的不足，以此來滿足我們對(duì)基站天線電性能復(fù)雜程度的要求。二元陣列天線的重要參數(shù)有天線單元的間距、單元振幅、單元相位，通常我們設(shè)計(jì)二元陣選用的天線的種類有：間距半波長等幅同相二元陣、間距一個(gè)波長的等幅同相二元陣、間距半波長等幅反相二元陣、間距四分之一波長相差90°的等幅二元陣等等。其原理就是通過改變陣間距、單元幅度及相位來改變天線陣的合成特性[3-4]。

根據(jù)本文設(shè)計(jì)需要，這里僅介紹任意二元陣的輻射特點(diǎn)。兩個(gè)間距d，其電流的幅度比為1:m，相位差為α的二元陣因子為：

陣因子的模為：

根據(jù)其原理選擇合適的振子間距及天線單元間距來滿足設(shè)計(jì)需要。

2 設(shè)計(jì)方法及仿真數(shù)據(jù)分析

2.1 單個(gè)天線單元設(shè)計(jì)

首先設(shè)計(jì)單個(gè)八木天線的基本參數(shù)，本設(shè)計(jì)要求天線工作頻率在220～230MHz，由于其帶寬要求，有源振子采用折合振子的形式，這樣可以解決偶極子振子帶寬不足的問題，匹配采用折合振子常用的U型環(huán)匹配，以實(shí)現(xiàn)天線振子平衡饋電及阻抗匹配[5]。根據(jù)增益及天線尺寸要求，通過電氣計(jì)算及仿真，天線振子、引向器、反射器的長度及間距數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，我們得到了單個(gè)天線單元的參數(shù)如表1：

表1 天線單元的參數(shù)

2.2 二單元八木天線設(shè)計(jì)

根據(jù)之前關(guān)于天線二元陣原理的介紹，這里我們采用的二元陣有等幅同相的陣列單元構(gòu)成，在單個(gè)天線單元的基礎(chǔ)上增加二元天線陣，可以增大天線方向增益，同時(shí)壓縮水平面波束寬度，考慮到二元八木陣的增益，波瓣寬度、長度等各參數(shù)要求設(shè)計(jì)[6]。

對(duì)于此基站天線的設(shè)計(jì)要求，最關(guān)鍵的陣列參數(shù)就是天線單元的間距。由于此天線要求環(huán)面180°三組天線覆蓋，并且每個(gè)天線面覆蓋的范圍，互相之間不能有耦合干擾，故要求此基站天線的水平面波瓣寬度固定在60°左右，并且左右偏幅不能超過10°。我們知道水平架設(shè)的二單元天線陣列與單個(gè)天線單元的電性能主要差別為：增大天線增益3dB，水平面垂直面的波瓣寬度都會(huì)變小。

如果采用常規(guī)單元間距做陣，整個(gè)天線陣的水平面波瓣寬度會(huì)被壓縮到40°左右，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的建設(shè)要求，我們可以減小傳統(tǒng)的陣元間距來增大水平面波瓣寬度；同時(shí)，單元間距太小會(huì)引起強(qiáng)烈的單元間饋電耦合，所以必須小心多次試驗(yàn)單元陣列間距，調(diào)整到一個(gè)精確的數(shù)值，保證其陣單元無耦合的狀態(tài)下，電參數(shù)也能夠滿足我們所需的值[7]。經(jīng)過多次仿真計(jì)算以及試驗(yàn)件調(diào)試，饋電阻抗匹配，我們將天線單元的間距最后鎖定在350mm。

3 樣件電氣性能測試

根據(jù)仿真模型數(shù)據(jù)，以及實(shí)際基站天線使用方式，我們將兩天線單元通過Φ16鋁管連接，制作雙200歐姆變50Ω電纜線匹配電路，將二單元基站天線匹配到50Ω饋電電纜處，并從尾部引出50ΩN型接口，天線整體外觀圖片如圖1所示。

通過測試，天線的駐波比，典型方向圖，增益曲線如圖2所示。

通過測試數(shù)據(jù)可以看出，天線在整個(gè)頻段范圍內(nèi)駐波比小于1.5，天線增益在10dB以上，水平面波瓣寬度為60°。

4 結(jié)論

通過電氣仿真及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此二元八木天線外觀美觀，方便安裝架設(shè)，滿足特殊基站天線建設(shè)要求。最重要的是把天線水平面波瓣寬度控制在60°左右，滿足實(shí)際基站建設(shè)要求：在180°范圍內(nèi)架設(shè)3套天線，分區(qū)域管理，而互相不干擾。同時(shí)在現(xiàn)有的電氣參數(shù)下，把天線的尺寸控制在1050×420×710mm左右，解決了八木天線在高增益的情況下，引向單元過多帶來的長度過長問題。

此種二元八木天線的拼陣設(shè)計(jì)方法，還可以應(yīng)用到其他不同特殊超短波基站天線要求。根據(jù)具體天線波瓣寬度、增益以及天線尺寸3種重要參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的振子間距，單元間距及長度參數(shù)調(diào)整，可以滿足不同基站天線需求。