板线平衡器在八木天线中的应用*

吴志锋，王国年

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

八木天线又称引向天线或波道天线，具有结构简单、馈电方便、增益高、易制作等优点，广泛应用于米波和分米波通信、雷达、电视及其他无线电技术设备中［1］。常规八木天线采用穿入式、λ/2U 型环馈电，尽管其馈电形式简单、经济，但成品一致性差且耐功率低。本文研究的一种采用板线平衡器馈电的八木天线，其最大优点是可以通过改变板线内导体粗细来改变输入阻抗实数部分，而虚数部分可通过滑动两板之间短路片来达到，利于整个天线阻抗匹配，而且带宽宽，理论上可以达到2∶1，通过合理设计板宽与板间距比使其达到耐功率的要求。

1 板线平衡器的设计

1.1 理论分析

从图1 可以看出，板线平衡器结构很简单，就是两块板一根杆。尽管其结构简单，但是关于该平衡器严格的理论分析在相关文献中均未找到。

板线平衡器可视为缝隙式平衡器的极端情况，以下是从分析缝隙式平衡器的角度来导出板线平衡器的特性［2］。板线平衡器等效电路如图2(a）所示，线上同时可存在两种模式的电压电流。图2(a）可分解为图2(b）加上图2(c）。其中图2(b）为共模:内导体为高电位，而两外导体处处短路，不影响同轴线模的传输，电流由内导体流出，两外导体返回。图2(c）为差模:电流由一外导体流入，另一外导体流出，内导体的存在仅仅影响特性阻抗。

图2 平衡器模式分解图

据板线平衡器的边界条件可以得到V6=V4，V2=2V4，V5=0，V1=V3，I3=I1，I2=(I4/2）－I6。于是，图2可以简化如图3。

图3 简化后的模式分解图

图3中，Z0为同轴线特性阻抗，Zd为双线差模特性阻抗。输入阻抗Zin=V1/I1，负荷阻抗ZL=V2/I2=V2/［(I4/2）－I6］。由传输线公式可知:

为便于计算，令V4/I4=ZL0，即可导出Zin:

公式(1）右端为两阻抗并联的结果，于是等效电路可变为图4。

图4 等效电路

从式(1）可以看出，板线平衡器不仅起到平衡的作用，而且有阻抗变换功能，输入输出的阻抗变比为1∶4。

1.2 仿真及试验结果

由于带宽的限制，八木天线采用折合振子激励。由上面分析可知，为了使得板线平衡器与折合振子(特性阻抗300 Ω）匹配，板线平衡器特性阻抗应为75 Ω。由于折合振子有一个重要的特性，那就是通过改变两臂的粗细来改变其阻值，因此为了获取更佳的天线性能，要同时考虑板线平衡器特性阻抗、板线平衡器阻抗变换特性及折合振子特性阻抗三者之间的相互关系。

采用HFSS 软件对板线平衡器馈电的折合振子天线仿真、优化，最终物理参数见表1。建模图形如图5所示，图6、图7为其俯视图和侧视图。

表1 板线平衡器及折合振子结构参数(mm）

图5 仿真模型

图6 俯视图

图7 侧视图

由仿真结果制作了板线平衡器馈电的折合振子天线，从图8、图9 可以看出，其实际测试结果与仿真基本吻合，从而不仅对板线平衡器有不平衡-平衡变换作用，而且对具有1∶4 阻抗变换特性作了充分的验证。

实际应用中，板线平衡器的最大难点就在于防潮、防雨问题。如果为了进一步缩减体积，可以采用板线平衡器注入聚乙烯的方法进行实心填充。

图8 板线平衡器及折合振子仿真VSWR

图9 板线平衡器及折合振子测试VSWR

2 板线平衡器在八木天线中的应用

某天线要求工作在UHF波段，带宽达20%，G≥13 dB。八木天线的结构如图10所示，由折合振子、反射栅、板线平衡器和若干引向振子组成。所有振子都排列在一个平面内，互相平行，中心在一条直线上。引向振子与金属支撑杆垂直，折合振子与金属杆绝缘。

图10 八木天线结构示意图

八木天线的工作原理及分析方法在文献［1］中给了详尽的阐述，这里不再重复。本文结合上述对板线平衡器馈电的折合振子天线的分析，采用文献［3-4］介绍的八木天线设计方法，并借助HFSS 软件优化实现了在f0±0.1f0范围内VSWR≤1.62(见图11），G≥13.5 dB 板线平衡器馈电的八木天线。

八木天线物理参数见表1、表2。表2中:

图11 八木天线VSWR

表2 八木天线结构参数(mm）

天线E/H 面实测辐射方向图如图12所示，半功率波瓣宽度分别为37.48°、35.58°，满足某天线系统要求。

图12 八木天线f0处的实测方向图

3 结束语

本文介绍了一种板线平衡器馈电的八木天线，并着重分析了板线平衡器的不平衡-平衡变换作用及1∶4阻抗变换功能特性。研制的板线平衡器在UHF波段工作带宽达20%以上，由此馈电的八木天线在某天线系统中得到了应用。

［1］魏文元，宫德明，陈必森.天线原理［M］.北京:国防工业出版社，1984.

［2］胡树豪.实用射频技术［M］.北京:电子工业出版社，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.