一种基于列车间直接通信的机车台密距八木天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于列车间直接通信的机车台密距八木天线，包括水平设置的天线轴，以及依次竖直固定设置在所述天线轴上的有源振子、第一至第八引向振子和反向振子；所述有源振子与天线轴之间绝缘连接，有源振子还与激励源直接连接，信号通电后通过馈电点流至有源振子；当有源振子接通信号后，通过在第一至第八引向振子和反向振子构成的无源振子上产生感应电磁场，在反向振子的方向上减弱电磁波的传播，在引向振子的方向上增强电磁波的强度；无源振子与天线轴直接连接。该基于列车间直接通信的机车台密距八木天线，可以克服现有技术中占用空间大、与列车匹配性差和可靠性低等缺陷，以实现占用空间小、与列车匹配性好和可靠性高的优点。
【专利说明】一种基于列车间直接通信的机车台密距八木天线
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信设备【技术领域】，具体地，涉及一种基于列车间直接通信的机车台 密距八木天线。
【背景技术】
[0002] 八木天线是在上个世纪二十年代由日本的八木秀次等提出的。由于八木天线方向 性好，增益高，经过近百年的发展，八木天线的技术已经较为成熟，尤其是在米波段的发展 尤为成熟，但是由于八木天线的体积较大一般用于地面固定台的比较多。当然，在大型舰艇 上也有应用，但一般都是以八木天线阵列的形式得到推广的。而近年来，国内国外对八木天 线的小型化也有一些研究，采用密距原理，缩短八木天线的轴向距离；甚至也有一些人研究 了准八木天线，这些都为八木天线的小型化做出了贡献。而要在移动体上用八木天线，一定 要使其体积尽量减小，以便于能够方便的架设于机车顶部。儿八木天线设计的关键在于其 振子个数、各个振子长度和振子间的距离的确定。这些是八木天线能不能达到所求的电气 参数的关键。
[0003] 现在铁路的通信系统有多种，例如GSM-R系统、450MHz无线列调以及800MHZ列尾 和列车安全预警通信等。这些系统采用的天线也是有多种类型，单就列车移动台所采用的 天线就有加顶圆盘天线、加罩加顶天线、加杆垂直接地振子天线以及在中国列车运行控制 系统一 3级的铁路线上采用的与多中天线公用的，适应高速列车的多频段天线等。这些天线 由于通信系统的特性决定了其必须是水平全向天线，都是单鞭天线的变种或者改进形式。 现在为铁路量身设计了一种全新的基于无基础设施的列车间直接通信系统，该系统要求其 天线必须是定向天线，且要求此天线增益高，可靠性好，通信距离远等。
[0004] 现有的铁路通信系统有多种，其所用的移动台通信天线也是有多种多样的。例如 在原有的中国列车运行控制系统一2级线上用的加顶圆盘天线、加罩加顶天线、加杆垂直接 地振子天线以及在中国列车运行控制系统一3级线上用的多频段天线。但是这些天线主要 是用于移动台和固定台之间的通信。有的通信距离近，例如用于800MHz列尾和列车安全预 警通信系统的天线，其通信距离也就是2-3km;有的天线的固定台架设极高，例如，用于中 国列车运行控制系统一 3级线上的多频段天线，这样最大限度的提高了天线的通信距离。且 现有的通信系统都要求天线为水平全向通信。因此都选用的是全向天线。
[0005] 现有的八木天线多种多样，传统的八木天线由一组半波振子构成，根据功能不同 又把这些振子分为反射振子、有源振子和引向振子。一般情况下反射振子和有源振子各一 根。其中反射振子略长于λ/2,而有缘阵子接近λ/2。有源振子通常采用直线振子，有时候 为了提高天线的输入阻抗也会采用折合振子。引向振子的数量由增益和方向性系数决定， 一般为6-12根不等。引向振子的设计有两种方案，一种方案是采用等长度的引向振子，这 种方案设计加工比较简单，优化调整也比较容易，但是其频带较窄，不适合用于宽带通信。 另一种引向振子的设计方案是采用不等长的半波振子组阵，这种天线相比于第一种方案虽 然天线的频带变宽了，但是为天线的设计、优化和加工增加了难度，尤其是在设计优化的过 程中，参数增加了数个，优化的难度徒增。这些传统的八木天线的设计方案虽然各项电气参 数都可以达到通信的要求，但是天线轴向距离庞大。如图1所示，。表示的就是传统的八木 天线的振子，此振子为半波直线振子。从左往右，依次为反向振子U、有源振子L 2和引向振 子L3-L1(l。其中U略长于半波长，而引向振子L 3-L1(l略短于半波长，Sx表示各个振子之间的 间距，可以设计为等间距和不等间距两种。而S表示天线的轴向距离，其中1表示馈电点。 此八木天线在150MHz的频率下的轴向距离为5m左右，显然其体积太庞大，在移动的列车上 使用的话不容易实现。
[0006] 除了传统意义上的八木天线，现阶段也有一些人在研究密距八木天线，且设计的 方案多种多样。例如有分型密距八木天线、将半波振子变异为面状的密距八木天线等等。也 有人设计了准八木天线，就是把八木天线设计为贴片形式的。
[0007] 天线的设计与通信系统是息息相关、一一对应的，新的通信系统设计对应的天线 是能使其可靠工作的基础。由于我们的天线是在高速移动的列车上使用，且要求在列车 头部和尾部各架设一个定向天线，而现有的用于铁路移动通信系统的天线都是水平全向天 线，因此这些都不能选用。最终选用了方向性好、增益高的八木天线。传统的八木天线轴向 距离太大，但是列车顶部空间有限，而列车顶部还有很多要架设的设备，因此节省列车顶部 的空间就显得尤为重要。现有的密距八木天线多种多样，但大都在密距化的过程中有增加 了天线的纵向高度，而由于机车车辆限界和接触网的设计要求，列车顶部架设设备的高度 是有严格限制的。如果选用这些密距八木天线势必会超出机车车辆限界的规定值，因此设 计一款轴向距离和纵向高度都适中的密距八木天线尤为重要。
[0008] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在占用空间大、与列车匹 配性差和可靠性低等缺陷。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于列车间直接通信的机车台密距 八木天线，以达到占用空间小、与列车匹配性好且可靠性高的优点。
[0010] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于列车间直接通信的机车台 密距八木天线，包括水平设置的天线轴，以及依次坚直固定设置在所述天线轴上的有源振 子、第一至第八引向振子和反向振子； 所述有源振子与天线轴之间绝缘连接，有源振子还与激励源直接连接，信号通电后通 过馈电点流至有源振子；当有源振子接通信号后，通过在第一至第八引向振子和反向振子 构成的无源振子上产生感应电磁场，在反向振子的方向上减弱电磁波的传播，在引向振子 的方向上增强电磁波的强度；无源振子与天线轴直接连接。
[0011] 进一步地，在所述天线轴背面靠近反向振子的位置，设有天线的馈电面；所述馈电 面的两边与有源振子直接相连。
[0012] 进一步地，所述有源振子、第一至第八引向振子和反向振子，均是采用中空圆柱形 良辐射材料设置的折合振子； 所述折合振子，具体为底边中心位置具有用于固定连接天线轴的开口的矩形结构；所 述折合振子的长度为该矩形结构的顶边长度，折合振子的宽度为该矩形结构的顶边与底边 之间的距离；所述折合振子每条边均为圆柱形结构。
[0013] 进一步地，所述有源振子的长度为第一预设长度，第一至第八引向振子的长度相 同即均为第二预设长度，反向振子的长度为第三预设长度；所述第一预设长度大于第二预 设长度，第三预设长度大于第一预设长度； 所述有源振子的宽度、第一至第八引向振子的宽度、以及反向振子的宽度均相同，有源 振子每条边横截面的半径、第一至第八引向振子每条边横截面的半径、以及反向振子每条 边横截面的半径均相同即为R。这里，第一预设长度、第二预设长度和第三预设长度都是 经由全局优化所得且经过验证的最优解。此处的全局优化指的是一种算法，这是遗传算法 的原理决定的，就是在进行数据处理的过程中可以在数据的全范围内寻找最大值或者最小 值，而不是极大值或者极小值。
[0014] 此处的最优解指的是天线的参数的最优解，比如说天线的每一个预设长度和预设 距离的以什么样的长度组合组合在一起的时候能获得最优天线参数结果。
[0015] 进一步地，在所述天线轴的两端，分别预留有长度相同的预留距离； 所述有源振子与第一引向振子之间的距离为第一预设距离；所述第一至第八引向振子 中相邻两个引向振子之间的距离相等，为第二预设距离；所述第八引向振子与反向振子之 间的距离为第三预设距离； 所述天线轴的高度为预设高度，天线轴的宽度为2R。这里，第一预设距离和第二第三预 设距离之间都是一个优化的结果，是通过算法算出来的最优解，没有具体的大小关系。此处 的算法指的是遗传算法。最优解指的是天线的以最好的组合搭配在一起从而产生最优的天 线组合。
[0016] 进一步地，该基于列车间直接通信的机车台密距八木天线，能够应用于列车间直 接通信系统； 当应用于列车间直接通信系统时： 所述有源振子的第一预设长度为75. 6cm，第一至第八引向振子的第二预设长度为 63. lcm，反向振子的第三预设长度91. lcm ;有源振子的宽度、第一至第八引向振子的宽度、 以及反向振子的宽度均为17. 4cm，有源振子每条边横截面的半径、第一至第八引向振子每 条边横截面的半径、以及反向振子每条边横截面的半径为R=2. 3cm ; 所述天线轴的总长度为271. lcm，在天线轴两端的预留距离均为5cm，天线轴的预设高 度为4. 2cm ; 所述有源振子与第一引向振子之间的第一预设距离为26. 5cm，第一至第八引向振子中 相邻两个引向振子之间的第二预设距离为26. 5cm，第八引向振子与反向振子之间的第三预 设距离为22. 6cm。
[0017] 在本发明天线的设计中，第一到第三预设长度以及第一到第三预设距离都是取的 最优解，但是在最优解的上下5cm的范围内，也会有一些接近最优解且能够达到通信要求 的天线组合也应该受到保护。因为此处的距离是在一个范围内的，此处的天线组合是由无 数个组成的。
[0018] 本发明各实施例的基于列车间直接通信的机车台密距八木天线，由于包括水平设 置的天线轴，以及依次坚直固定设置在天线轴上的有源振子、第一至第八引向振子和反向 振子；有源振子与天线轴之间绝缘连接，有源振子还与激励源直接连接，信号通电后通过馈 电点流至有源振子；当有源振子接通信号后，通过在第一至第八引向振子和反向振子构成 的无源振子上产生感应电磁场，在反向振子的方向上减弱电磁波的传播，在引向振子的方 向上增强电磁波的强度；无源振子与天线轴直接连接；可以为列车间直接通信系统设计一 副可以保证可靠高效通信的天线；从而可以克服现有技术中占用空间大、与列车匹配性差 和可靠性低的缺陷，以实现占用空间小、与列车匹配性好和可靠性高的优点。
[0019] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
[0020] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实 施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中： 图1为传统八木天线的结构示意图； 图2为本发明中天线振子的设计样式图； 图3为本发明中天线轴的主视图，半径为R的圆就是天线振子的侧视图； 图4为本发明中天线轴的背面设计图； 图5为本发明基于列车间直接通信的机车台密距八木天线的立体结构示意图。
[0022] 结合附图，本发明实施例中附图标记如下： 1-传统八木天线的馈电点；2-本申请天线的馈电面。
【具体实施方式】
[0023] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实 施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024] 本发明的关键就是要为新设计的列车间直接通信系统设计一副可以保证可靠高 效通信的天线。而该列车间直接通信系统工作的中心频率是150MHz。由于现有的列车用的 移动终端的天线都是用于移动终端和固定终端通信的，而固定终端都架设比较高或者通信 距离比较小。与现有的通信系统相比，本列车间直接通信系统对天线的增益和通信距离的 要求更高。现有的天线无法保证本列车间直接通信系统的通信距离。且本列车间直接通信 系统要求设计水平定向天线，而现有的列车用的移动台天线都是水平全向天线，与本列车 间直接通信系统的要求不复合。因此我们需要设计一个用于本列车间直接通信系统的高增 益、远距离通信的定向天线--八木天线。
[0025] 现有的八木天线也有多种。传统的八木天线轴向距离太大，而列车顶的空间较小， 因此从节省列车顶部空间的角度出发，需要设计一个密距的八木天线。而现有的密距八木 天线通常会使得纵向高度增加，这会超出机车车辆限界的设计要求，因此本发明是一个轴 向和纵向都能够达到要求的八木天线。
[0026] 根据本发明实施例，如图1-图5所示，提供了一种基于列车间直接通信的机车台 密距八木天线。图1-图5中的振子的长度和轴向长度统一采用L表示，而振子间距统一采 用S表不，例如SI、S2等。
[0027] 本发明要设计的密距八木天线是传统八木天线的变异形式。与传统的八木天线相 t匕，本发明中的天线把传统八木天线的所有的振子都变异为折合振子，这样不仅有效的缩 短了天线的轴向距离，在天线的增益、方向性和纵向高度等方面都达到了要求。
[0028] 以150MHz为中心频率设计八木天线，如图2-图5。
[0029] 图2是天线的振子的设计样式。本发明中的八木天线的所有振子都设计为这种折 合振子形式，其中L x表示天线的长度，U是反向振子，而而固定终端都架设比较高或者通信 距离比较小。设计长度为91. lcm，其主要作用就是减弱电磁波在该方向的辐射。L2是有源 振子，此振子的设计长度为75. 6cm，有源振子是与激励源直接相连的，信号通电后通过馈电 点流到该振子上。L3-L1(l表示引向振子(此处的这种振子的设计原本就是一种和现有的振子 不同的设计，现有的振子是直线型的，而此振子是弯曲的振子)，引向振子我们采用等长设 计方案，这种设计为优化和制作提供了便利。每一个振子长度设计为63. lcm，引向振子是增 强该方向的电磁波的辐射的。各振子都固定在主轴L上，但是有源振子L2是绝缘固定的，而 其他的振子是非绝缘固定的，当有源振子通了信号后通过在无源振子上产生感应电磁场， 从而在反向振子的方向上减弱了电磁波的传播，而在引向振子的方向上增强了电磁波的强 度，这就实现了天线的有向性。Η表示振子的宽度，本发明中天线的振子为等宽设计，每一个 振子的宽度Η统一设计为17.4cm。所有的振子为中空圆柱形良辐射材料设计，振子的半径 R设计为2. 3cm。
[0030] 图3是天线轴的主视图。半径为R的圆就是天线振子的侧视图。轴长度是由振子 间距决定的，其中引向振子的间距为26. 5cm，包括第一个引向振子L3与有源振子的间距。 有源振子与反向振子的间距为22. 6cm。其总长度为271. lcm，其中轴的两端各长出5cm。轴 高度为4. 2cm，轴宽度为2R。振子从左往右一次为Li-Li。，其中Q是反向振子，L2是有源振 子，剩下的是引向振子。
[0031] 图4是天线轴的背面设计，它主要是对天线馈电的设计，2代表天线的馈电面，虽 然设计在此处，但是馈电点与主轴绝缘的，馈电面的两边与有源振子直接相连。而有源振子 与主轴绝缘相连，无源振子与主轴不绝缘。最终的设计结果如图5所示。
[0032] 本发明技术方案带来的有益效果： ⑴本天线的设计益处是显然的。由于本列车间直接通信系统是全新的，现有的铁路未 曾有应用的，因此本发明中天线为该列车间直接通信系统的可靠实施提供了可能，尤其是 在高可靠性、高增益和水平定向这几方面意义重大。
[0033] ⑵较传统的八木天线而言，本天线的轴向距离明显缩小，由原来的5m左右缩减到 2. 5m左右，这是为天线在移动的列车上架设提供了可靠的保障。同时，天线的横向尺寸也相 应的减小，纵向高度虽然略有增高但是依然能够满足列车机车车辆设计的要求。
[0034] 本发明的技术关键点和欲保护点： ⑴首先是天线的结构设计的保护，本发明中密距天线设计为全折合振子的八木天线， 本天线的这种全折合振子的设计方法是全新提出的八木天线的密距办法。
[0035] ⑵另外的关键点就是本发明中天线在列车间直接通信系统里面的应用。由于列车 间直接通信系统是提出的全新的通信系统，其所选用本八木天线也应该得到保护。
[0036] 这里，所谓的列车间直接通信系统是相比于现有的铁路通信系统而言的。现有 的铁路通信系统主要是列车和地面设备之间的终端通信，这种通信一般通信距离比较小， 2_3km。还有就是通过基站，就是通过中继来实现列车和列车之间的通信，而这种增加了中 间的中继设备的通信系统的可靠性会降低，势必会受到恶劣天气或者地质灾害的影响，因 此我们提出的列车间直接通信系统就是列车和列车作为通信终端直接通信，不需要通过中 继设备。而这种在两个高速移动的列车之间的不基于地面设备的通信系统叫做列车间直接 通信系统。这种通信系统只是前后行车之间的通信，每一个车在车头和车尾分别架设水平 定向天线实现。
[0037] 例如，在本用于列车间直接通信的密距八木天线中，我们采用全折合振子的设计 方式，及所有的八木天线的振子都变异为折合振子，且设计为10单元八木天线。如图4所 示，从左往右依次分别为U-i^。
[0038] 以150MHz为中心频率设计八木天线，如图2-图5。图2是天线的振子的设计样式。 本发明中八木天线的所有振子都设计为这种折合振子形式，其中Lx表示天线的长度，U是 反向振子的，设计长度为91. lcm，其主要作用就是减弱电磁波在该方向的辐射。"表示的是 有源，此振子的设计长度为75. 6cm，有源振子是与激励源直接相连的，信号通电后通过馈电 点流到该振子上。L3-L1(l表示引向振子，引向振子我们采用等长设计方案，这种设计为优化 和制作提供了便利。每一个振子设计为63. lcm，引向振子是增强该方向的电磁波的辐射的。 各振子都固定在主轴L上，但是有源振子L2是绝缘固定的，而其他的振子是非绝缘固定的， 当有源振子通了信号后通过在无源振子上产生感应电磁场，从而在反向振子的方向上减弱 了电磁波的传播，而在引向振子的方向上增强了电磁波的强度，这就实现了天线的有向性。 Η表示振子的宽度，本天线的振子为等宽设计，每一个振子的宽度Η统一设计为17. 4cm。所 有的振子为中空圆柱形良辐射材料设计，振子的半径R设计为2. 3cm。图2是天线轴的主 视图。半径为R的圆就是天线振子的侧视图。轴长度是由振子间距决定的，其中引向振子 的间距为26. 5cm，包括第一个引向振子L3与有源振子的间距。有源振子与反向振子的间距 为22. 6cm。其总长度为271. lcm，其中轴的两端各长出5cm。轴高度为4. 2cm，轴宽度为2R。 图3是天线轴的背面设计，它主要是对天线馈电的设计，2代表天线的馈电面，虽然设计在 此处，但是馈电点与主轴绝缘的，馈电面的两边与有源振子直接相连。而有源振子与主轴绝 缘相连，无源振子与主轴不绝缘。
[0039] 参考文献
[1] 基于超短波的列车间直接通信技术研究.陈启香，李茂青.计算机工程.2013.
[2] 列车间超短波直接通信信道衰落特性分析.陈启香，李茂青.计算机工程与应用. 2013. 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对 前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于列车间直接通信的机车台密距八木天线，其特征在于，包括水平设置的天 线轴，以及依次坚直固定设置在所述天线轴上的有源振子、第一至第八引向振子和反向振 子； 所述有源振子与天线轴之间绝缘连接，有源振子还与激励源直接连接，信号通电后通 过馈电点流至有源振子；当有源振子接通信号后，通过在第一至第八引向振子和反向振子 构成的无源振子上产生感应电磁场，在反向振子的方向上减弱电磁波的传播，在引向振子 的方向上增强电磁波的强度；无源振子与天线轴直接连接。
2. 根据权利要求1所述的基于列车间直接通信的机车台密距八木天线，其特征在于， 在所述天线轴背面靠近反向振子的位置，设有天线的馈电面；所述馈电面的两边与有源振 子直接相连。
3. 根据权利要求1或2所述的基于列车间直接通信的机车台密距八木天线，其特征在 于，所述有源振子、第一至第八引向振子和反向振子，均是采用中空圆柱形良辐射材料设置 的折合振子； 所述折合振子，具体为底边中心位置具有用于固定连接天线轴的开口的矩形结构；所 述折合振子的长度为该矩形结构的顶边长度，折合振子的宽度为该矩形结构的顶边与底边 之间的距离；所述折合振子每条边均为圆柱形结构。
4. 根据权利要求3所述的基于列车间直接通信的机车台密距八木天线，其特征在于， 所述有源振子的长度为第一预设长度，第一至第八引向振子的长度相同即均为第二预设长 度，反向振子的长度为第三预设长度；所述第一预设长度大于第二预设长度，第三预设长度 大于第一预设长度； 所述有源振子的宽度、第一至第八引向振子的宽度、以及反向振子的宽度均相同，有源 振子每条边横截面的半径、第一至第八引向振子每条边横截面的半径、以及反向振子每条 边横截面的半径均相同即为R。
5. 根据权利要求4所述的基于列车间直接通信的机车台密距八木天线，其特征在于， 在所述天线轴的两端，分别预留有长度相同的预留距离； 所述有源振子与第一引向振子之间的距离为第一预设距离；所述第一至第八引向振子 中相邻两个引向振子之间的距离相等，为第二预设距离；所述第八引向振子与反向振子之 间的距离为第三预设距离； 所述天线轴的高度为预设高度，天线轴的宽度为2R。
6. 根据权利要求5所述的基于列车间直接通信的机车台密距八木天线，其特征在于， 该基于列车间直接通信的机车台密距八木天线，能够应用于列车间直接通信系统； 当应用于列车间直接通信系统时： 所述有源振子的第一预设长度为75. 6cm，第一至第八引向振子的第二预设长度为 63. lcm，反向振子的第三预设长度91. lcm ;有源振子的宽度、第一至第八引向振子的宽度、 以及反向振子的宽度均为17. 4cm，有源振子每条边横截面的半径、第一至第八引向振子每 条边横截面的半径、以及反向振子每条边横截面的半径为R=2. 3cm ; 所述天线轴的总长度为271. lcm，在天线轴两端的预留距离均为5cm，天线轴的预设高 度为4. 2cm ; 所述有源振子与第一引向振子之间的第一预设距离为26. 5cm，第一至第八引向振子中 相邻两个引向振子之间的第二预设距离也为26. 5cm，第八引向振子与反向振子之间的第三 预设距离为22. 6cm。
【文档编号】H01Q19/04GK104157984SQ201410408062
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月19日 优先权日:2014年8月19日
【发明者】李茂青, 周怀庆, 林俊亭, 韩兰奎 申请人:兰州交通大学