高增益引向天线的设计与实现

摘要： 基于引向天线的结构设计制作了一种高增益引向天线，并对具体结构和参数的选择进行了讨论，给出了该天线射频放大器的设计电路。通过实际测试表明： 天线工作频段在450MHz～470MHz，增益约为20dB，前后比约为21dB，波瓣约为50°，与计算结果基本吻合。

Abstract： The yagi antenna with high gain based on yagi antenna is design， and the choice of the structure parameters on the performance of the antenna is discussed. The design circuit of the radio frequency amplifier is also presented. The antenna is also fabricated and tested. The working band of the antenna is 450MHz～470MHz， and the peak gain is about 20dB， the front to back ratio is about 21 dB， and the Beam width is about 50° and it accords with the results.

关键词： 引向天线；高增益；方向图；射频放大器

Key words： yagi antenna；high gain；radiation pattern；radio frequency amplifier

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）33-0207-02

0 引言

全国铁路正在使用的无线调度超短波电台是铁路列车调度系统的重要设备，它主要完成机车的调度、车站、机车、车长便携台之间的通信使用，其使用频段在450MHz～470MHz之间。由于各种通信设备层出不穷，无线频段越来越显得拥挤，相互侵犯的现象时有发生。尤其是频率相邻大功率无线通信设备有意或无意侵占合法频道现象时常出现，至使铁路无线调度超短波电台扰的情况经常出现，严重影响铁路通信的质量，危及铁路的行车安全。为消除隐患，快捷、方便地查找出干扰源所处的位置，我们设计了一种能与R－505场强仪配套使用的高增益引向天线，该天线可精确测定450MHz～470MHz频段内干扰源的方位。本文仅讨论该高增益引向天线的结构和电路设计。

1 天线的结构设计

由于铁路超短波电台工作频段较窄，这就要求引向天线应具有很好的方向性和较高的增益，而引向天线（又称八木天线）在窄带工作时具有方向性较强，增益较高，结构简单等特点，是一种在通迅、雷达、电视和导航等方面经常使用的，适用于超短波范围的引向天线，因此以引向天线为设计基础。

引向天线由引向器、有源振子、反射器和射频放大器四部分组成，其基本原理是通过调整引向器、反射器的长度和它们与有源振子的距离来改变振子上感应电流的相位角，以满足阵中各单元间电流的相位条件。其结构如图1所示。图中，反射器以“R”表示，有源振子以“0”表示，各引向器依次记为“1”…“4”。采用单个引向器时，调整长度与间距，使引向器电流I1落后于有源振子电流I0一个合适的相位角，其余引向器均依次类推。则由反射器、有源振子以及4个引向器组成的六元引向天线可以在有源振子指向引向器的前向方向上获得较强的辐射，而在有源振子指向反射器的后向方向上辐射则很弱。理论可以证明[1]，引向器数目越多，天线前向辐射能力越强，但随着引向器的增多，离有源振子越远的引向器作用越小。这里引向器定为4。为进一步提高引向天线对电磁波的吸收能力，有源振子采用有源折合振子，并加装射频放大器以提高其接收灵敏度。

根据给定的增益、主瓣宽度、旁瓣电平、前后辐射比以及频带宽度等电参数要求，引向天线有下列尺寸与数值需要选择：反射器的长度LR及其与有源折合振子的间距DR、引向器的长度及其与有源折合振子的间距Di、振子数等。由于待定的内容较多，且各参数对天线电性能都有影响，而各项参数对它们往往又提出相互矛盾的要求，故而需要折衷，所以，引向天线的各几何参数无法一次确定，通过多次调整测试最后定型出以？准8mm铝管作为制作反射器、有源折合振子和引向器的材料，以10mm×10mm方形铝合金作为制作引向天线固定架的材料，如图1所示。其中四只引向器的长度Li=0.434？姿，相邻引向器的间距D1=0.16？姿、D2=D3=D4=0.25？姿反射器长度LR=0.477？姿，与有源折合振子的间距DR=0.17？姿，有源折合振子长度为0.454？姿。由参考文献[2]可知引向天线增益近似为：

G≈G1+G2=8.25·■+G2（1）

其中G1为引向天线增益；G2为射频放大器增益且G2≈10dB。因此：

G≈20dB

引向天线主瓣宽度为：

2？琢3dB≈550■≈46.70（2）

引向天线输入阻抗为[3]：

Zin≈4R11=4×73=292（？赘）（3）

其中：R11为单个半波振子输入阻抗，约为73欧姆。

2 射频放大器设计

射频放大器是为进一步提高引向天线增益而设计的，其电路原理图如图2所示。有源折合振子接收到的辐射信号经L1、L2、L3、L4组成的阻抗变换器将约300欧姆输入阻抗变为50欧姆标准传输线输入阻抗，再经D1、D2组成的限幅器（防止强信号进入）后，由BG1、BG2组成的两级射频放大器对小信号进行放大，通过50欧姆标准传输线送入场强仪的射频输入端。电路采用叠型9V电池供电。

3 天线方向图的测绘

为测绘出该天线的实际方向图，我们选择了大于两千平米的空旷田野作为测试区，且区内没有电力、电话线及高大建筑物。用HP6060B型信号发生器（可产生10Hz～1GHz调频或调辐信号）作为发射源，发射频率调到450MHz～470MHz，调频信号频率调到400Hz，引向天线和信号源发射天线离地面高度为2米，引向天线与发射天线相距150米。选定信号源输出功率为10mW的电压作为测试标准，将待测引向天线与R－505场强仪放置在由单片机控制的转台上。测试时，转动转台从0°～360°，以每1°为间隔测出场强仪输出的电压值，在极坐标纸上描出方向图曲线如图3所示。

从实测的方向图上可看出，电压值下降到00时的0.707倍时，方向图上的波瓣宽度为500，增益约为20dB，前后比约为21dB，波瓣约为50°，与理论估算值近似相等。

4 结论

本文对用于查找干扰源的高增益引向天线进行结构和电路设计和制作，通过对反射器、有源振子以及引向器、射频放大器参数的设计与优化，实现了高增益和窄波瓣引向天线设计指标，实测结果与理论计算基本一致。该引向天线已在某铁路局使用，多次迅速、精确测定出无线调度超短波电台干扰源，确保了铁路通信的质量及铁路的行车安全。

参考文献：

[1]杨恩耀.天线[M].电子工业出版社，1984年.

[2]邸元春.实用电视天线手册[M].湖北科学技术出版社，

1994年.

[3]梅涛.米波超短问距八木天线设计与实现[J].电视技术，2007年11月.

[4]王鹏.准八木型宽带高增益微带天线[J].电波科学学报，2010年10月.

[5]周波.采用耦合Hallen方程分析八木天线[J].现代电子技术，2008年11月.