板線平衡器在八木天線中的應用*

吳志鋒，王國年

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

八木天線又稱引向天線或波道天線，具有結構簡單、饋電方便、增益高、易制作等優(yōu)點，廣泛應用于米波和分米波通信、雷達、電視及其他無線電技術設備中［1］。常規(guī)八木天線采用穿入式、λ/2U 型環(huán)饋電，盡管其饋電形式簡單、經濟，但成品一致性差且耐功率低。本文研究的一種采用板線平衡器饋電的八木天線，其最大優(yōu)點是可以通過改變板線內導體粗細來改變輸入阻抗實數(shù)部分，而虛數(shù)部分可通過滑動兩板之間短路片來達到，利于整個天線阻抗匹配，而且?guī)拰?，理論上可以達到2∶1，通過合理設計板寬與板間距比使其達到耐功率的要求。

1 板線平衡器的設計

1.1 理論分析

從圖1 可以看出，板線平衡器結構很簡單，就是兩塊板一根桿。盡管其結構簡單，但是關于該平衡器嚴格的理論分析在相關文獻中均未找到。

板線平衡器可視為縫隙式平衡器的極端情況，以下是從分析縫隙式平衡器的角度來導出板線平衡器的特性［2］。板線平衡器等效電路如圖2(a）所示，線上同時可存在兩種模式的電壓電流。圖2(a）可分解為圖2(b）加上圖2(c）。其中圖2(b）為共模:內導體為高電位，而兩外導體處處短路，不影響同軸線模的傳輸，電流由內導體流出，兩外導體返回。圖2(c）為差模:電流由一外導體流入，另一外導體流出，內導體的存在僅僅影響特性阻抗。

圖2 平衡器模式分解圖

據(jù)板線平衡器的邊界條件可以得到V6=V4，V2=2V4，V5=0，V1=V3，I3=I1，I2=(I4/2）－I6。于是，圖2可以簡化如圖3。

圖3 簡化后的模式分解圖

圖3中，Z0為同軸線特性阻抗，Zd為雙線差模特性阻抗。輸入阻抗Zin=V1/I1，負荷阻抗ZL=V2/I2=V2/［(I4/2）－I6］。由傳輸線公式可知:

為便于計算，令V4/I4=ZL0，即可導出Zin:

公式(1）右端為兩阻抗并聯(lián)的結果，于是等效電路可變?yōu)閳D4。

圖4 等效電路

從式(1）可以看出，板線平衡器不僅起到平衡的作用，而且有阻抗變換功能，輸入輸出的阻抗變比為1∶4。

1.2 仿真及試驗結果

由于帶寬的限制，八木天線采用折合振子激勵。由上面分析可知，為了使得板線平衡器與折合振子(特性阻抗300 Ω）匹配，板線平衡器特性阻抗應為75 Ω。由于折合振子有一個重要的特性，那就是通過改變兩臂的粗細來改變其阻值，因此為了獲取更佳的天線性能，要同時考慮板線平衡器特性阻抗、板線平衡器阻抗變換特性及折合振子特性阻抗三者之間的相互關系。

采用HFSS 軟件對板線平衡器饋電的折合振子天線仿真、優(yōu)化，最終物理參數(shù)見表1。建模圖形如圖5所示，圖6、圖7為其俯視圖和側視圖。

表1 板線平衡器及折合振子結構參數(shù)(mm）

圖5 仿真模型

圖6 俯視圖

圖7 側視圖

由仿真結果制作了板線平衡器饋電的折合振子天線，從圖8、圖9 可以看出，其實際測試結果與仿真基本吻合，從而不僅對板線平衡器有不平衡-平衡變換作用，而且對具有1∶4 阻抗變換特性作了充分的驗證。

實際應用中，板線平衡器的最大難點就在于防潮、防雨問題。如果為了進一步縮減體積，可以采用板線平衡器注入聚乙烯的方法進行實心填充。

圖8 板線平衡器及折合振子仿真VSWR

圖9 板線平衡器及折合振子測試VSWR

2 板線平衡器在八木天線中的應用

某天線要求工作在UHF波段，帶寬達20%，G≥13 dB。八木天線的結構如圖10所示，由折合振子、反射柵、板線平衡器和若干引向振子組成。所有振子都排列在一個平面內，互相平行，中心在一條直線上。引向振子與金屬支撐桿垂直，折合振子與金屬桿絕緣。

圖10 八木天線結構示意圖

八木天線的工作原理及分析方法在文獻［1］中給了詳盡的闡述，這里不再重復。本文結合上述對板線平衡器饋電的折合振子天線的分析，采用文獻［3-4］介紹的八木天線設計方法，并借助HFSS 軟件優(yōu)化實現(xiàn)了在f0±0.1f0范圍內VSWR≤1.62(見圖11），G≥13.5 dB 板線平衡器饋電的八木天線。

八木天線物理參數(shù)見表1、表2。表2中:

圖11 八木天線VSWR

表2 八木天線結構參數(shù)(mm）

天線E/H 面實測輻射方向圖如圖12所示，半功率波瓣寬度分別為37.48°、35.58°，滿足某天線系統(tǒng)要求。

圖12 八木天線f0處的實測方向圖

3 結束語

本文介紹了一種板線平衡器饋電的八木天線，并著重分析了板線平衡器的不平衡-平衡變換作用及1∶4阻抗變換功能特性。研制的板線平衡器在UHF波段工作帶寬達20%以上，由此饋電的八木天線在某天線系統(tǒng)中得到了應用。

［1］魏文元，宮德明，陳必森.天線原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1984.

［2］胡樹豪.實用射頻技術［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［3］Chen C A (1），D K Cheng.Optimum Spacings for Yagi-Uda arrays［J］.IEEE Trans.On Ants.Prop，1973:615-623.

［4］Chen C A (2），D K Cheng.Optimum Element Lengths for Yagi-Uda arrays［J］.IEEE Trans.On Ants.Prop，1975:8-15.