0 引言

    傳統(tǒng)的列車通信系統(tǒng)都是通過(guò)基站的中繼實(shí)現(xiàn)列車與列車之間間接通信的，這些通信系統(tǒng)借助于地面設(shè)備實(shí)現(xiàn)。基于現(xiàn)有的條件下鐵路依然事故多發(fā)問(wèn)題，提出了一種高可靠性的列車用的基于無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的車車間直接通信系統(tǒng)^[1]。該系統(tǒng)與現(xiàn)有的列車系統(tǒng)并行，不依賴于地面設(shè)備，且與現(xiàn)有的列控系統(tǒng)同時(shí)工作，所以其可靠性更高，為列車的高速可靠運(yùn)行提供了保障。

    天線對(duì)通信系統(tǒng)尤為重要。傳統(tǒng)的列車間間接通信系統(tǒng)移動(dòng)終端用的機(jī)車臺(tái)天線有加頂圓盤天線、加罩加頂天線和加桿垂直接地振子天線幾種。中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)第3級(jí)(Chinese Train Control System-3，C3)引入了多頻段天線^[2]。列車間直接通信系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)必須滿足現(xiàn)有的鐵路通信的需求，同時(shí)，由于這種通信系統(tǒng)是用于兩個(gè)移動(dòng)終端之間的直接通信，與現(xiàn)有的鐵路通信又有區(qū)別，所以必須為之設(shè)計(jì)一個(gè)可用的天線。通過(guò)對(duì)各種天線尺寸及優(yōu)缺點(diǎn)、主要應(yīng)用波段和對(duì)使用環(huán)境要求的研究以及綜合考慮機(jī)車頂平面面積、通信干擾和通信距離等多個(gè)因素后，最后選用了八木天線。

    傳統(tǒng)的八木天線其振子采用半波振子，若λ表示中心頻率的波長(zhǎng)，則振子間距為0.25 λ左右，一個(gè)傳統(tǒng)十單元八木天線的縱向距離就接近5 m^[3]，如此龐大的天線放在移動(dòng)的列車頂，不僅占用空間過(guò)大，甚至可能會(huì)影響到其他設(shè)備的安裝。因此設(shè)計(jì)了一種新型的密距八木天線—全折合振子八木天線。全折合振子八木天線就是八木天線的所有單極振子都變異為折合振子。這種八木天線保證了天線的增益、方向性等參量，又有效縮小了天線的軸向尺度，使八木天線在高速移動(dòng)的列車上應(yīng)用成為可能。

1 密距八木天線設(shè)計(jì)原理

    傳統(tǒng)的八木天線由一組半波振子構(gòu)成，分為反射振子、有源振子和引向振子。一般反射振子和有源振子各一根，而引向振子的數(shù)量由增益和方向性系數(shù)決定，一般為6～12根。有源振子通常采用直線振子，有時(shí)為了提高天線的輸入阻抗也會(huì)采用折合振子。

    由于八木天線體積大，一般只用于固定臺(tái)或高頻段的移動(dòng)臺(tái)。為了在移動(dòng)體上能應(yīng)用米波八木天線，天線的小型化設(shè)計(jì)變得尤為重要。八木天線的輻射阻抗由自阻抗和互阻抗組成，當(dāng)天線各振子之間的距離減小到一定值后它的互阻抗急劇變小，大大降低天線輻射功率，使得遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的輻射電場(chǎng)和天線增益變小。因此決定用折合振子代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的半波振子，這樣不僅可以減小天線的軸向尺寸，還能提高天線的增益。

1.1 八木天線的設(shè)計(jì)原理

    八木天線主要通過(guò)感應(yīng)電流進(jìn)行電磁波的傳輸。每一個(gè)無(wú)源振子幾乎和有源振子具有等幅的激勵(lì)。而比激勵(lì)源短的無(wú)源振子增強(qiáng)同一方向的主瓣，稱之為引向器；比激勵(lì)振子長(zhǎng)的無(wú)源振子減弱這一方向的主瓣，稱之為反相器。由耦合振子理論可知，通過(guò)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法分析得出多元陣的等效回路電路方程如下所示^[4]：

其中，I₁~I_N分別代表各振子的波腹電流，Z_ij代表各個(gè)振子上的互阻抗和自阻抗，U表示激勵(lì)電壓。

    最后得到第i個(gè)振子的波腹電流為：

其中，I_i為第i個(gè)振子的波腹電流幅度，β_i為第i個(gè)振子與第一個(gè)振子的電流相位差。

    由式(2)求出的各振子電流可以得出八木天線的方向函數(shù)為：

其中，f₁(θ)為單元因子，f_a(θ，Φ)為陣因子。當(dāng)假設(shè)各個(gè)單元的方向函數(shù)相同時(shí)，即：

    由式(4)得陣因子fa(θ，Φ)決定于各單元的間距與電流比，即：

其中，Ψ_i=(α_i-α₂)+β(d_i-d₂)sinθsinΨ，(α_i-α₂)為第i個(gè)振子與有源振子的感應(yīng)電流的相位差；β(d_i-d₂)sinθsinΨ是由振子距遠(yuǎn)場(chǎng)的波程差引起的相位差。

    綜上可以進(jìn)一步求出天線的歸一化方向函數(shù)F(θ，Φ)、最大輻射方向函數(shù)D和半功率波瓣寬度函數(shù)等，最后求得天線的輸入阻抗Z_d。

1.2 折合振子理論

    折合振子可以簡(jiǎn)單地看做是有2個(gè)兩端連接的平行振子組成，其兩振子間距遠(yuǎn)小于振子長(zhǎng)度，而振子長(zhǎng)度接近卻小于λ/2 。而折合振子的實(shí)質(zhì)是一個(gè)具有不等電流的非平衡傳輸線，它的工作原理可以看做是天線和傳輸線的電流組合模式^[5]。

    Z_t是傳輸線模式下的折合振子電阻，z₀表示傳輸線特征阻抗，l表示折合振子長(zhǎng)度，由此知道在傳輸線模式下的輸入阻抗為：

    用z_d表示普通折合振子的輸入阻抗，z_a表示半波折合振子的輸入阻抗，最后得到：

    由式(7)和式(8)最后得出：

    通過(guò)式(8)可以看出，當(dāng)采用半波折合振子時(shí)，其阻抗是普通振子的4倍，這大大提高了振子的輸入阻抗，使得天線更容易匹配，也為減小天線的尺寸提供了可能。

2 密距八木天線的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 天線的選型

    為列車間直接通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)合理的天線，首先要確定天線的種類。現(xiàn)有的機(jī)車臺(tái)天線都是水平全向通信的天線，且頻段比較高。而列車間直接通信系統(tǒng)中，為了防止前后行列車之間相互干擾，采用列車頭部和尾部各安裝一個(gè)高增益的定向天線的設(shè)計(jì)思路，不僅可以增加天線在特定方向上的增益，也減小了天線之間的干擾。因此不再考慮使用簡(jiǎn)單線天線、環(huán)天線等在內(nèi)的各種全向天線，主要考慮面天線和八木天線。

    由于機(jī)車車輛限界中規(guī)定接觸網(wǎng)高度不得低于5 700 mm，在接觸網(wǎng)以下300 mm的范圍內(nèi)不得有安裝設(shè)備，考慮機(jī)車在運(yùn)行中的振動(dòng)時(shí)要求有50 mm的余度，而列車本身高度為4 800 mm，因此本天線高度不能超過(guò)500 mm^[6]。由于列車頂部的空間有限，且需要在高速列車上應(yīng)用，其必須有一定的機(jī)械強(qiáng)度，占用的面積又不可以太大。因此米波段的面天線體積過(guò)大，在列車頂端上不可用。基于這些原因，最后選擇了八木天線，且設(shè)計(jì)了全折合振子密距八木天線的新型結(jié)構(gòu)。此天線不僅在傳統(tǒng)八木天線的基礎(chǔ)上減小了其軸向尺寸，還提高了天線的增益，為列車的可靠運(yùn)行提供了保障。

2.2 全折合密距八木天線的設(shè)計(jì)

    八木天線的設(shè)計(jì)主要通過(guò)天線的電氣指標(biāo)設(shè)計(jì)振子數(shù)目N、各振子的長(zhǎng)度和振子間距。而由于此密距八木天線是由折合振子組成的，還需設(shè)計(jì)折合振子的寬度。

    本文以傳統(tǒng)八木天線為經(jīng)驗(yàn)值，以密距原理和折合振子原理為理論依據(jù)，設(shè)計(jì)出全折合振子八木天線。又由于天線本身的參數(shù)較多，振子數(shù)也較多，考慮到優(yōu)化的復(fù)雜程度，最后決定選擇引向振子等長(zhǎng)、等間距的設(shè)計(jì)思路。本天線要求其諧振頻率為150 MHz，天線增益至少為7 dB^[1]，考慮通信的可靠性，設(shè)計(jì)2 dB的增益余量。根據(jù)要求，天線的駐波比設(shè)計(jì)為不大于1.5。設(shè)計(jì)完成后用HFSS軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

    初步設(shè)計(jì)了十單元密距全折合振子八木天線，基本參數(shù)初值為：反向振子L₁為0.45 λ，有源振子L₂為0.375 λ，引向振子L₃為0.325 λ，振子寬度H為0.1 λ，振子半徑R為0.01 λ，反向振子和有源振子之間的間距S₁為0.1 λ，各引向振子間距S₂為0.125 λ。其中λ為設(shè)計(jì)的中心頻率。具體各參數(shù)尺寸如表1所示。

    根據(jù)表1的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)十單元八木天線其縱向長(zhǎng)度為220 cm，如果依照傳統(tǒng)的八木天線的設(shè)計(jì)原理所設(shè)計(jì)的八木天線縱向距離接近450 cm^[7]，由此可見其縱向距離幾乎減小了一半。天線基本形狀和振子結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

    通過(guò)HFSS仿真^[8]，可以得到圖1所示天線的h面和e面方向圖，駐波比和回波損耗等仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

    由圖3看出，雖天線在h面上的方向圖增益為10 dB，滿足設(shè)計(jì)要求的9 dB，但是副瓣較寬。圖4所示駐波比在中心頻率處達(dá)到要求，但在諧振點(diǎn)附近駐波比波動(dòng)較大。

3 天線的優(yōu)化

    綜上所述，在上述仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，基于本密距八木天線的優(yōu)化目標(biāo)和參數(shù)較多的特點(diǎn)，最終采用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行全局優(yōu)化^[9]。

    優(yōu)化過(guò)程中設(shè)計(jì)S1為0.075 λ～0.16 λ，S2的變化范圍為0.1 λ～0.19 λ，L1的變化范圍為0.4 λ～0.5 λ，L2的變化范圍為0.35 λ～0.475 λ，L3的變化范圍為0.275 λ～0.45 λ，H的變化范圍為0.05 λ～0.15 λ，R的變化范圍為0.007 5 λ～0.015 λ。最優(yōu)的天線參數(shù)如表2所示。

    根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果，最后用HFSS仿真得到的結(jié)果如圖5、圖6所示。    

    從圖5和圖6可以看出，天線的副瓣變窄，e面的方向圖得到了極大的改善。在諧振點(diǎn)附近，天線的駐波比也趨于穩(wěn)定且在諧振點(diǎn)處小于1.5。而天線的軸向尺寸雖然略微增大，但是與傳統(tǒng)的八木天線相比依然減小接近100 cm的軸向距離。

4 結(jié)論

    本文主要針對(duì)八木天線在列車間直接通信系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)行可行性研究，并根據(jù)鐵路通信的特點(diǎn)為列車的移動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)了一幅基于傳統(tǒng)八木天線的改進(jìn)形式的天線—全折合振子密距八木天線。在設(shè)計(jì)完成后利用HFSS軟件仿真，最后用遺傳算法優(yōu)化，使得天線的參數(shù)達(dá)到最優(yōu)。該天線軸向尺寸較傳統(tǒng)的八木天線有明顯縮小，而天線的增益卻比傳統(tǒng)的八木天線更好，在滿足了天線設(shè)計(jì)要求外還有一定的余度，為系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了保證。

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