0 引言

    传统的列车通信系统都是通过基站的中继实现列车与列车之间间接通信的，这些通信系统借助于地面设备实现。基于现有的条件下铁路依然事故多发问题，提出了一种高可靠性的列车用的基于无基础设施的车车间直接通信系统^[1]。该系统与现有的列车系统并行，不依赖于地面设备，且与现有的列控系统同时工作，所以其可靠性更高，为列车的高速可靠运行提供了保障。

    天线对通信系统尤为重要。传统的列车间间接通信系统移动终端用的机车台天线有加顶圆盘天线、加罩加顶天线和加杆垂直接地振子天线几种。中国列车运行控制系统第3级(Chinese Train Control System-3，C3)引入了多频段天线^[2]。列车间直接通信系统的天线设计必须满足现有的铁路通信的需求，同时，由于这种通信系统是用于两个移动终端之间的直接通信，与现有的铁路通信又有区别，所以必须为之设计一个可用的天线。通过对各种天线尺寸及优缺点、主要应用波段和对使用环境要求的研究以及综合考虑机车顶平面面积、通信干扰和通信距离等多个因素后，最后选用了八木天线。

    传统的八木天线其振子采用半波振子，若λ表示中心频率的波长，则振子间距为0.25 λ左右，一个传统十单元八木天线的纵向距离就接近5 m^[3]，如此庞大的天线放在移动的列车顶，不仅占用空间过大，甚至可能会影响到其他设备的安装。因此设计了一种新型的密距八木天线—全折合振子八木天线。全折合振子八木天线就是八木天线的所有单极振子都变异为折合振子。这种八木天线保证了天线的增益、方向性等参量，又有效缩小了天线的轴向尺度，使八木天线在高速移动的列车上应用成为可能。

1 密距八木天线设计原理

    传统的八木天线由一组半波振子构成，分为反射振子、有源振子和引向振子。一般反射振子和有源振子各一根，而引向振子的数量由增益和方向性系数决定，一般为6～12根。有源振子通常采用直线振子，有时为了提高天线的输入阻抗也会采用折合振子。

    由于八木天线体积大，一般只用于固定台或高频段的移动台。为了在移动体上能应用米波八木天线，天线的小型化设计变得尤为重要。八木天线的辐射阻抗由自阻抗和互阻抗组成，当天线各振子之间的距离减小到一定值后它的互阻抗急剧变小，大大降低天线辐射功率，使得远场区的辐射电场和天线增益变小。因此决定用折合振子代替传统意义上的半波振子，这样不仅可以减小天线的轴向尺寸，还能提高天线的增益。

1.1 八木天线的设计原理

    八木天线主要通过感应电流进行电磁波的传输。每一个无源振子几乎和有源振子具有等幅的激励。而比激励源短的无源振子增强同一方向的主瓣，称之为引向器；比激励振子长的无源振子减弱这一方向的主瓣，称之为反相器。由耦合振子理论可知，通过感应电动势法分析得出多元阵的等效回路电路方程如下所示^[4]：

其中，I₁~I_N分别代表各振子的波腹电流，Z_ij代表各个振子上的互阻抗和自阻抗，U表示激励电压。

    最后得到第i个振子的波腹电流为：

其中，I_i为第i个振子的波腹电流幅度，β_i为第i个振子与第一个振子的电流相位差。

    由式(2)求出的各振子电流可以得出八木天线的方向函数为：

其中，f₁(θ)为单元因子，f_a(θ，Φ)为阵因子。当假设各个单元的方向函数相同时，即：

    由式(4)得阵因子fa(θ，Φ)决定于各单元的间距与电流比，即：

其中，Ψ_i=(α_i-α₂)+β(d_i-d₂)sinθsinΨ，(α_i-α₂)为第i个振子与有源振子的感应电流的相位差；β(d_i-d₂)sinθsinΨ是由振子距远场的波程差引起的相位差。

    综上可以进一步求出天线的归一化方向函数F(θ，Φ)、最大辐射方向函数D和半功率波瓣宽度函数等，最后求得天线的输入阻抗Z_d。

1.2 折合振子理论

    折合振子可以简单地看做是有2个两端连接的平行振子组成，其两振子间距远小于振子长度，而振子长度接近却小于λ/2 。而折合振子的实质是一个具有不等电流的非平衡传输线，它的工作原理可以看做是天线和传输线的电流组合模式^[5]。

    Z_t是传输线模式下的折合振子电阻，z₀表示传输线特征阻抗，l表示折合振子长度，由此知道在传输线模式下的输入阻抗为：

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

    由式(7)和式(8)最后得出：

    通过式(8)可以看出，当采用半波折合振子时，其阻抗是普通振子的4倍，这大大提高了振子的输入阻抗，使得天线更容易匹配，也为减小天线的尺寸提供了可能。

2 密距八木天线的选型和结构设计

2.1 天线的选型

    为列车间直接通信系统设计一个合理的天线，首先要确定天线的种类。现有的机车台天线都是水平全向通信的天线，且频段比较高。而列车间直接通信系统中，为了防止前后行列车之间相互干扰，采用列车头部和尾部各安装一个高增益的定向天线的设计思路，不仅可以增加天线在特定方向上的增益，也减小了天线之间的干扰。因此不再考虑使用简单线天线、环天线等在内的各种全向天线，主要考虑面天线和八木天线。

    由于机车车辆限界中规定接触网高度不得低于5 700 mm，在接触网以下300 mm的范围内不得有安装设备，考虑机车在运行中的振动时要求有50 mm的余度，而列车本身高度为4 800 mm，因此本天线高度不能超过500 mm^[6]。由于列车顶部的空间有限，且需要在高速列车上应用，其必须有一定的机械强度，占用的面积又不可以太大。因此米波段的面天线体积过大，在列车顶端上不可用。基于这些原因，最后选择了八木天线，且设计了全折合振子密距八木天线的新型结构。此天线不仅在传统八木天线的基础上减小了其轴向尺寸，还提高了天线的增益，为列车的可靠运行提供了保障。

2.2 全折合密距八木天线的设计

    八木天线的设计主要通过天线的电气指标设计振子数目N、各振子的长度和振子间距。而由于此密距八木天线是由折合振子组成的，还需设计折合振子的宽度。

    本文以传统八木天线为经验值，以密距原理和折合振子原理为理论依据，设计出全折合振子八木天线。又由于天线本身的参数较多，振子数也较多，考虑到优化的复杂程度，最后决定选择引向振子等长、等间距的设计思路。本天线要求其谐振频率为150 MHz，天线增益至少为7 dB^[1]，考虑通信的可靠性，设计2 dB的增益余量。根据要求，天线的驻波比设计为不大于1.5。设计完成后用HFSS软件进行仿真验证。

    初步设计了十单元密距全折合振子八木天线，基本参数初值为：反向振子L₁为0.45 λ，有源振子L₂为0.375 λ，引向振子L₃为0.325 λ，振子宽度H为0.1 λ，振子半径R为0.01 λ，反向振子和有源振子之间的间距S₁为0.1 λ，各引向振子间距S₂为0.125 λ。其中λ为设计的中心频率。具体各参数尺寸如表1所示。

    根据表1的数据设计十单元八木天线其纵向长度为220 cm，如果依照传统的八木天线的设计原理所设计的八木天线纵向距离接近450 cm^[7]，由此可见其纵向距离几乎减小了一半。天线基本形状和振子结构如图1、图2所示。

    通过HFSS仿真^[8]，可以得到图1所示天线的h面和e面方向图，驻波比和回波损耗等仿真结果如图3、图4所示。

    由图3看出，虽天线在h面上的方向图增益为10 dB，满足设计要求的9 dB，但是副瓣较宽。图4所示驻波比在中心频率处达到要求，但在谐振点附近驻波比波动较大。

3 天线的优化

    综上所述，在上述仿真结果的基础上，基于本密距八木天线的优化目标和参数较多的特点，最终采用遗传算法对其进行全局优化^[9]。

    优化过程中设计S1为0.075 λ～0.16 λ，S2的变化范围为0.1 λ～0.19 λ，L1的变化范围为0.4 λ～0.5 λ，L2的变化范围为0.35 λ～0.475 λ，L3的变化范围为0.275 λ～0.45 λ，H的变化范围为0.05 λ～0.15 λ，R的变化范围为0.007 5 λ～0.015 λ。最优的天线参数如表2所示。

    根据优化的结果，最后用HFSS仿真得到的结果如图5、图6所示。    

    从图5和图6可以看出，天线的副瓣变窄，e面的方向图得到了极大的改善。在谐振点附近，天线的驻波比也趋于稳定且在谐振点处小于1.5。而天线的轴向尺寸虽然略微增大，但是与传统的八木天线相比依然减小接近100 cm的轴向距离。

4 结论

    本文主要针对八木天线在列车间直接通信系统中应用进行可行性研究，并根据铁路通信的特点为列车的移动台设计了一幅基于传统八木天线的改进形式的天线—全折合振子密距八木天线。在设计完成后利用HFSS软件仿真，最后用遗传算法优化，使得天线的参数达到最优。该天线轴向尺寸较传统的八木天线有明显缩小，而天线的增益却比传统的八木天线更好，在满足了天线设计要求外还有一定的余度，为系统的可靠运行提供了保证。

参考文献

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[2] 黄欣萍，蒋笑冰.列车无线调度通信[M].北京：中国铁道出版社，2011：163-180.

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[4] 常媛媛.八木天线的设计仿真与测试[D].北京：北京交通大学，2009.

[5] 梅涛，袁斌.米波超短间距八木天线设计与实现[J].电视技术，2007(11).

[6] 中华人民共和国铁道部.铁路技术管理规定[S].中华人民共和国铁道部，2006.

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[8] 李明洋，刘敏，杨放.HFSS天线设计[M].北京：电子工业出版社，2011.

[9] 马凯，王应龙.载体微带八木天线的优化设计[J].微波学报，2010(s1)：134-135.