八木大线的分析设计
4.1八木天线简介
第四章八木天线的分析设计
上个世纪二十年代，R本东北大学的八木秀次和宇田太郎两人发明了这种天 线，被称为“八木宇田天线”，简称“八木天线”，在二次世界大战中陆续推广使 用151。一副典型的八木天线如图（4-1)所示。
八木天线较偶极天线有高的增益。用它來测向、远距离通信效果特别好?如 杲再配上仰角和方位旋转控制装置，便可以随心所欲与包括空间飞行器在内的各 个方向上的电台联络《
.图4-1八木天线实物图
4. 2八木天线的原理与设计仿真 4.2.1八木天线的设计要求
本文的主要研究内容是基于铁道部GSM-R干扰检测定向用天线的要求。为 了满足干扰定向检测的需要，要有一副方向性能够满足定向检测要求的天线，对 天线的设计来说，要在GSM-R频段的下行885MHz-889MHz频段内和上行 930MHz-934MHz频段内方向性图主瓣半功率角小于40° ；方向图带宽覆盖上行 和下行频段即至少50MHz带宽；驻波比（VSWR)在设计频段内小于1.5;副瓣 电平控制在不影响干扰检测定向的程度内；另外，使天线能满足移动检测的便携 式要求。
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4. 2. 2工作原理
八木天线（也有人称之为寄生天线，引向天线等）一副典型的八木天线由一 个有源的半波振子，一个（或几个）反射器和一个（或几个）引向器组成的线性 端射天线。即有一个连接到传输线上的偶极子，还有若干个未连接、等距离或不 等距离安装的平行阵列偶极子（作引向器和反向器)。引向器和反向器的作用是将 有源振子的能量引到主辐射方向上去》有源阵子由于加有高频电动势，在周围八 木天线空间产生电磁场，使得无源阵子中出现感应电动势，产生相对应的高频电 流，这些电流在周围空间再衍生电磁场。由于存在无源阵子，根据互感原理在有 源阵子上也产生相应的感应电流。所以有源阵子的总电流是激励电流和感应电流 之和，当反射器的长度、引向器的长度和它到有源阵子的距离选得适当，使反射 器和有源阵子所产生的电磁场在一个方向（反射器的一边）上相抵消，在相反方 向上（引向器一边，主辐射方向）上相叠加，这样就可使天线得到单项辐射特性, 使天线辐射可以在引向器方向上形成较尖锐的波束。八木天线的单元越多，方向 性越强。但是单元的增加不与方向性成正比。单元过多时，导致工作频带变窄， 整个天线尺寸也将偏大。
八木天线的优点是结构简单、馈电方便、重量轻、便于转动，并有一定的增 益。缺点是颇带窄，增益不够高，因此常排成阵列使用。它在超短波和微波波段 应用广泛。
4. 2. 3天线的优化设计
八木天线的设计包括振子尺寸的设计和优化和平衡不平衡转换设计。
首先是振子尺寸的设计和优化。由于八木天线的馈源只有一个，接在馈源上 的振子被称为有源振子，有源振子可以选择偶极子也可以选择折合振子，有关折 合振子的分析介绍在第二章已经列出过，对于八木天线的有源振子來讲，一般选 择折合振子，因为单个折合折子的阻抗较高，而八木天线的其它无源振子加上后 会使天线的整个输入阻抗下降，比单根折合振子的输入阻抗要小很多，因此采用 折合振子更便于八木天线与馈线的匹配-
八木天线是一种互耦起决定作用的天线，天线的各个振子的长度及其间距的 变化对天线的的方向图及其它性能都有影响，对于设计目标来说，可调参数太多， 很多天线工程手册上对于八木天线的设计虽都有详细介绍,而且针对—些特定参 数要求也给出了工程上的设计方案及经验尺寸，但是对于实际设计来讲，仅靠经 验难于取得最好的结果。对于八木天线来说,引向振子间间距选得较大时，方向图主
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瓣较窄，也就意味着增益相应的高一些,而间距相对较小的话，增益和方向性就会差 些;而且引向振子数目越多，增益也越高，所以设计时要考虑使八木天线的方向图 变窄的情况下使天线尺寸不至于太大。
影响八木天线方向性图和增益的因素有：1、引向器的间距选择2、反射器和 有源阵子的间距选择3、引向器长度选择4、反射器长度选择等等。八木天线各个 参数的选择范围分别为：
引向器的间距选择：弓丨向器间距用d表示，选择引向器之间的距离有两种方 案，一种是引向器间距不相等；另一种是引向器间距枏等。一般来说，若用n表 示引向器数目的序号，第n到第n-1个的(T是在CL15-0.敎范围内选择，当选的较 大时，方向图主瓣较窄，输入阻抗的频率响应较平稳，但副瓣较大；当选的较小 时，副瓣较低，抗干扰性能较好，但增益和方向性差些。因此，若考虑前者，可 取d=0.3h若考虑后者，可取d小于等于0.21不管哪种情况t第一个有源振子与 引向器之间的距离应取得更小一些，一般取0.6到0.7个的d(引向器之间的距离） 反射器与有源振子,的间距选择：反射-器与有源振子的距离一般取为 (0.15-0.23) Xc d主要影响八木天线的前后场比和输入阻抗。当d= (0.15-0.17) ? XH,前后比较高但天线的输入电阻小（约15-20⑴当d= C0.2-0-23) X 前后 比较低但天线输入电阻大（约50-60S2),易于同轴电缆匹配
引向器长度选择：有两种方案，第一种是引向器等长度，约取为（0.38-0.44) ? 人。这种方案的焊点是加工和调整较为容易，但频带较窄。第二种方案是个引向器 长度随序号增加由长到短渐变。先取第一根引向器长度0.463U以后个引向器长度 则按2-3%的缩短系数递减。这种方案的优点是频带稍宽，但调整和加工麻烦一些 反射器长度选择：反射器长度一般选择在（0.5-0.55) 之间。但要注意，当 所设计的八木天线是在一个频带范围内工作时，反射器长度不宜短于最低频率相 应的V2?
?无源振子半径的确定:无源振子半径是根据八木天线的通频带要求去确定的。 根据给定的频带宽度Af,可由下式计算出振子的特性阻抗 z (9.6-12.8)/。
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这里/。是中心频率通常振子半径选在XJ (80-500)范围内。
有源振子的结构和尺寸：有源振子可选用单根半波天线或折合振子，一般长 度约为0.475L振子越粗，则还应短一些。
由于本文八木天线的设计是本着使天线在同样的方向图特性条件，尽量节省 天线的尺寸的原则，因此设计时要综合考虑天线方向图和尺寸的取舍。实际尺寸
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的确定应根据以上经验原则结合实际的仿真过程取得丨
使用FEKO的设计和仿真：考虑到FEKO的仿真程序编辑及生成比较方便， 由骱所述天线尺寸原则及多次仿真试验数据得出的有源振子尺寸的寻优范围，从 天线的方向图主瓣尽量窄，使各引向振子间的间距在0.25卜0.30X之间变化’反 射器和有源振子之间的距离在0.20X-0.30X之间变化’有源振子和第一个引向器之 间的距离在0.15W).20X之间变化；并且改变反射器的长度在0.500X—0.520X之间 变化，引向器的长度在0.35臥一0.450\\之间变化，折合振子长度在0.380X-0.470X 之间变化。对于八木天线基本的三个振子尺寸的选择，首先选择折合振子的尺寸 为0.391X=130mm,振子线径a为3.1mm,间距d=10.14a?32mm,之所以这么做 是为了确保折合振子的特性阻抗相当于300S2的传输线，因为折合振子的特性阻 抗为 Z。-12011^/(1) = 12011^/0-12011110,14-30052-由前面八木天线设计原 则，反射振子和有源振子之间的距离选择应选择在0.20V0.23X之间，但是试验表 明，这个范围还可以扩大，不妨设为0.20X-0.3QX,反射器和有源振子间的距离及 引向器间的距离分别按照经验设计尺寸，选为0.276L第一个引向器和第二个引 向器之间的距离d为0.273X,有源振子和引向振子之间的距离为0-66个山即 0.18A.O在这个设计前提下影响八木天线方向系数和半功率角的主要因素引向振子 和反射振子尺寸的选择。在选定的尺寸范围内改变反射振子和引向振子的尺寸得 到四元八木天线的一组方向系数（dB)和半功率角的数据如下表所示：
表一：不同振子长度时方向系数与半功率角的变化
0.35 0.37 0.39 0.41 0.43 向振子 反射振子 0.5 0.45 方向系数 乍功率角 方向系数 t功率角 6.63 60。 5.62 75° 6.89 65。 6.65 65。 125 70° 7.02 65。 8.25 60° 8.86 50° 7.57 7.57 55° 8 65° 55° 7.25 65° 0.52 由图可以看出反射振子在0.52X,引向振子在0.4U时，方向性系数和半功率角与 其他几组数据相比相对来说比较理想，因此提取这组数据并再次进行优化。
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表一：不同振子K度时方向系数lj'「功率角的变化 反射振 0.505 0.400 0.405 0,410 方向系数(dB) f功率角 8,195 55° 8.64 50° 8.65 60° 8.01 70。 8.75 50。 8.70 8.921 48° 8.87 50° 8.82 509 8.86 0.510 方向系数(dB) 半功率角 方向系数(dB) 半功率角 方向系数(dB) 半功率角 SV 8.82 55° 8.60 55° 0.515 0.520 509 由图可以看出，在反射振子、弓丨向振子尺寸分别为0.5053U 0.410X时，天线的方 向性岽数最大，并且此时有最小的半功率角，因此最优的尺寸接近这个尺寸，取 反射振子尺寸在0.5X-0.510X之间变化，引向器尺寸在0.40510.410X之间变化， 此时尺寸的变化己经非常微弱，由下表可以看出：
表三：不同振子长度时方向系数与半功率角的变化
反射振子 引向振子 方向性系数, (dB) 0.502 0,408 8,91 50° 0.504 0.407 8,83 50° 0.506 0.406 8.82 50° 0.508 0.407 8.85 0.510 0*409 8,87 牟功率角 50。 50。 上图中当反射振子与引向振子尺寸分别为0.5021和(X407X时,方向性系数达到了 8.91,但是其方向性角没有另一个尺寸反射振子G.5053U引向振子0.410人小，综 上，选择八木天线的尺寸为反射振子0.5053U弓丨向振子0.410JI。
如图4-2所示是天线方向系数与振子总数的关系，为了在缩小八木天线的尺 寸和取得最窄半功率方向角之间取得最佳平衡，参考图4-5选取引向振子数目从 8~12根中选取。如图所示是不同振子数目时八木天线的方向系数、半功率角和天 线总长度的关系。由图可以看出，当天线振子总数从10根增加到12根时，天线 方向系数的增加已变得缓慢，而且方向性角的改善也很微弱，因此此时天线尺寸 的增加已没有有效的方向性和半功率角的补偿，因此12根振子已显得浪费，所以 选定振子数.目为10,即设计天线为十元八木天线。
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