二元阵八木基站天线设计

姬岩龙

（中国电子科技集团公司第二十二研究所，河南 新乡 453000）

0 引言

八木天线作为一款常用的定向天线，在很多方面都有普遍的应用，其电气性能特点有：高增益、方向性强、作用距离远、效率高等；同时在实际实用方面有结构简单方便安装架设、抗风能力强、价格便宜等优点。主要应用于超短波及微波频带范围。正是其结构简单的特点，我们可以对八木天线进行各种改造，用来适应各种不同的应用需求。本文通过天线原理及仿真设计介绍一款通过二元八木天线组合的基站天线[1]。

1 解析分析及原理

八木天线是一款引向高增益天线，分析其产生“引向”和“反射”作用时电流的相位条件，以及满足这种条件的方法，由此了解引向天线的基本工作原理。

根据使用环境及接收天线极化形式，本文设计的天线采用4单元垂直极化八木天线，其方向图在E面较窄，约30°～50°；而H面较宽约80°～90°。根据此次基站天线的使用需求，要求在增大天线增益的基础上，保证E面覆盖范围，减少H面宽度。根据此要求，我们采用二元阵天线的工作原理[2]。

二元阵列天线是一种最简单的天线阵列形式，但这种拼阵方式具有重要的意义，并且能够用最简单的方式提高单个天线在性能上的不足，以此来满足我们对基站天线电性能复杂程度的要求。二元阵列天线的重要参数有天线单元的间距、单元振幅、单元相位，通常我们设计二元阵选用的天线的种类有：间距半波长等幅同相二元阵、间距一个波长的等幅同相二元阵、间距半波长等幅反相二元阵、间距四分之一波长相差90°的等幅二元阵等等。其原理就是通过改变阵间距、单元幅度及相位来改变天线阵的合成特性[3-4]。

根据本文设计需要，这里仅介绍任意二元阵的辐射特点。两个间距d，其电流的幅度比为1:m，相位差为α的二元阵因子为：

阵因子的模为：

根据其原理选择合适的振子间距及天线单元间距来满足设计需要。

2 设计方法及仿真数据分析

2.1 单个天线单元设计

首先设计单个八木天线的基本参数，本设计要求天线工作频率在220～230MHz，由于其带宽要求，有源振子采用折合振子的形式，这样可以解决偶极子振子带宽不足的问题，匹配采用折合振子常用的U型环匹配，以实现天线振子平衡馈电及阻抗匹配[5]。根据增益及天线尺寸要求，通过电气计算及仿真，天线振子、引向器、反射器的长度及间距数据进行优化计算，我们得到了单个天线单元的参数如表1：

表1 天线单元的参数

2.2 二单元八木天线设计

根据之前关于天线二元阵原理的介绍，这里我们采用的二元阵有等幅同相的阵列单元构成，在单个天线单元的基础上增加二元天线阵，可以增大天线方向增益，同时压缩水平面波束宽度，考虑到二元八木阵的增益，波瓣宽度、长度等各参数要求设计[6]。

对于此基站天线的设计要求，最关键的阵列参数就是天线单元的间距。由于此天线要求环面180°三组天线覆盖，并且每个天线面覆盖的范围，互相之间不能有耦合干扰，故要求此基站天线的水平面波瓣宽度固定在60°左右，并且左右偏幅不能超过10°。我们知道水平架设的二单元天线阵列与单个天线单元的电性能主要差别为：增大天线增益3dB，水平面垂直面的波瓣宽度都会变小。

如果采用常规单元间距做阵，整个天线阵的水平面波瓣宽度会被压缩到40°左右，这远远不能满足实际的建设要求，我们可以减小传统的阵元间距来增大水平面波瓣宽度；同时，单元间距太小会引起强烈的单元间馈电耦合，所以必须小心多次试验单元阵列间距，调整到一个精确的数值，保证其阵单元无耦合的状态下，电参数也能够满足我们所需的值[7]。经过多次仿真计算以及试验件调试，馈电阻抗匹配，我们将天线单元的间距最后锁定在350mm。

3 样件电气性能测试

根据仿真模型数据，以及实际基站天线使用方式，我们将两天线单元通过Φ16铝管连接，制作双200欧姆变50Ω电缆线匹配电路，将二单元基站天线匹配到50Ω馈电电缆处，并从尾部引出50ΩN型接口，天线整体外观图片如图1所示。

通过测试，天线的驻波比，典型方向图，增益曲线如图2所示。

通过测试数据可以看出，天线在整个频段范围内驻波比小于1.5，天线增益在10dB以上，水平面波瓣宽度为60°。

4 结论

通过电气仿真及结构设计，此二元八木天线外观美观，方便安装架设，满足特殊基站天线建设要求。最重要的是把天线水平面波瓣宽度控制在60°左右，满足实际基站建设要求：在180°范围内架设3套天线，分区域管理，而互相不干扰。同时在现有的电气参数下，把天线的尺寸控制在1050×420×710mm左右，解决了八木天线在高增益的情况下，引向单元过多带来的长度过长问题。

此种二元八木天线的拼阵设计方法，还可以应用到其他不同特殊超短波基站天线要求。根据具体天线波瓣宽度、增益以及天线尺寸3种重要参数，进行相应的振子间距，单元间距及长度参数调整，可以满足不同基站天线需求。