八木天线的极化匹配与远程遥测通信链路配置讲解

远程遥测系统常见的架构是数据终端配合中继或网关，中间隔着数公里乃至数十公里的空间路径。八木天线结构简单，方向性强，增益可观，长期承担着这类点对点链路的天线任务。链路要稳定，除了增益与距离的核算，收发两端的极化是否一致也不能忽视。本文从结构原理、极化匹配、链路预算和安装配置几个层面做一个梳理。

一、八木天线的结构原理与基本参数

八木天线由一个有源振子、一个反射器和若干引向器沿同一条轴线排列而成，只有有源振子与馈线相连，其余单元靠电磁耦合获得激励。有源振子长度约为0.47倍波长，反射器比它长约5%，引向器比它短约5%，相邻单元的间距一般在0.15至0.25倍波长之间。以433 MHz为例，波长约0.693 m，有源振子长约0.33 m，全尺寸5单元天线的边长在0.8 m上下。

增益与单元数量大致成对数关系，单元数量翻一倍，增益增加约3 dB。3单元的增益约为7 dBi，5单元约10 dBi，7单元约12 dBi，10单元以上可到13至14 dBi。半功率波束宽度随之收窄，5单元天线的主瓣宽度一般在50至60度，前后比在15至25 dB之间，具体数值与单元间距及反射器设计有关。

阻抗方面，半波偶极子的输入阻抗约73 Ω，加入寄生单元后会降到20至30 Ω，直接接50 Ω馈线会失配。所以有源振子多采用折叠结构，折叠偶极子的阻抗约为单个偶极子的4倍，再配合平衡到不平衡转换的巴伦，把阻抗调整到50 Ω。带宽是八木天线的短板，驻波比小于1.5的相对带宽通常只有几个百分点到10%左右，工作频段较窄，选型时要按实际频点来定。

二、线极化与极化匹配损耗的计算

八木天线辐射的是线极化波，电场方向与振子平行。振子水平安装，就是水平极化，振子垂直安装则是垂直极化。收发天线的极化方向一致，能量才能被充分接收，失配时产生的损耗称为极化失配损耗，按夹角θ计算，公式为20倍的cosθ的对数，单位dB。

代入几个角度看看。夹角15度时损耗约0.3 dB，30度约1.25 dB，45度约3 dB，60度约6 dB，接近90度时理论上趋于无穷大。实际系统中因为天线并非理想线极化，存在交叉极化分量，极化正交时的隔离度一般也就20至30 dB，并不是无穷大。所以把极化调整到基本一致，比追求精确到某个角度更重要，偏差在15度以内，损耗基本可以忽略。

垂直极化在地面遥测中使用更普遍。终端设备常带有垂直安装的鞭状天线，辐射的就是垂直极化，另一端选择垂直极化的八木天线，最容易匹配。另外，垂直极化天线在复杂地形与建筑环境里的绕射与散射条件对移动终端更友好，不过这与频率、环境有关，不宜一概而论。

三、极化在传播路径中的变化与应对

地面链路的极化并非总能保持不变。电波经过地面、建筑和树木的反射与散射，极化方向会发生一定程度的旋转，多径分量到达接收点时，极化状态也各不相同。城区和丘陵地带里，接收信号的极化纯度往往比视距链路要差，交叉极化分量会有所增加。

对固定站点的点对点链路，这类影响相对可控，视距条件较好的路径，极化保持度很高，收发端天线对准之后，极化匹配可以维持稳定。对移动目标则不同，比如无人机、车载终端和运动中的设备，姿态变化会带来极化角度的持续改变，线极化天线的接收电平也会随之起伏。

应对方式主要有两种。一种是采用圆极化，圆极化天线接收线极化波，损耗固定为3 dB，与线极化的方位角无关，姿态变化时电平更稳定，代价是固定的3 dB损耗。另一种是极化分集，用两副正交极化的天线同时接收，取信号较强的一路，能够改善衰落条件下的链路质量。八木天线也可以通过两组正交的单元加90度相位差馈电，构成交叉八木圆极化天线。

四、远程遥测链路的预算与配置

链路预算用自由空间路径损耗公式来估算，FSPL等于32.44加20倍距离km的对数，再加20倍频率MHz的对数。433 MHz下传输10 km，损耗约105.2 dB，915 MHz下同样距离约111.7 dB，频率翻一倍，路径损耗增加约6 dB。

接下来一起算一个例子。发射功率20 dBm，收发两端各使用10 dBi的八木天线，馈线与接头损耗合计2 dB，433 MHz、10 km距离下，接收电平约为负67.2 dBm。若接收机灵敏度为负110 dBm，链路余量达到40 dB以上，足以应对雨衰、多径和安装偏差。如果采用LoRa这类扩频调制，扩频因子较高时灵敏度可低至负130 dBm以下，同样的余量能支持更长的距离。

视距条件同样要核对。无线电视距按4.12倍的两端天线高度平方根之和估算，高度单位为米，结果单位为km，两端天线均为10 m时，约26 km。菲涅尔区也要留意，433 MHz、10 km链路的中点，第一菲涅尔区半径约42 m，工程上要求至少60%的区域不被遮挡，这一点对天线架设高度提出了要求。反射器一侧的背瓣与前后比，则决定了天线对来自后方干扰的抑制能力。

五、安装配置与线缆选型要点

安装时先确定极化方向，再决定振子的朝向。垂直极化时，天线的振子垂直于地面，主梁水平，使用侧向支架把天线伸出桅杆，与金属桅杆保持至少半个波长以上的间距，避免桅杆对方向图产生扰动。水平极化则让主梁与振子都处于水平位置，注意天线与地面、建筑物顶部之间保持足够的高度。

馈线的损耗会直接吃掉增益。以LMR-400为例，915 MHz下衰减约0.18 dB/m，10 m线缆就有约1.8 dB损耗，433 MHz下略低一些。链路较长时，可以选用更粗的低损耗线缆，或者让射频模块靠近天线安装，缩短射频线缆的长度。连接器建议采用N型，防水性能好，接触可靠，户外接头要做好防水密封，例如自融胶带加防水胶带的双层包裹。

驻波比也需要测试，驻波比1.5:1时回波损耗约14 dB，失配损耗仅0.18 dB，2:1时回波损耗9.5 dB，失配损耗约0.5 dB。

六、快问快答

Q: 极化夹角为45度时损耗为什么正好是3 dB？

A: 极化失配的功率损失因子等于夹角余弦的平方。45度时余弦为0.707，平方后约0.5，对应功率减半，也就是3 dB。这个关系还说明，损耗随角度增大而加快，夹角小于15度时可以忽略，超过45度后增长迅速，60度时达到6 dB。实际天线存在交叉极化分量，正交安装时的隔离度约20至30 dB，所以两副天线极化完全垂直时，信号并不会完全消失，但衰减已经足够严重。

Q: 折叠偶极子加巴伦在八木天线里承担什么作用？

A: 折叠偶极子用来提升阻抗。加入反射器和引向器之后，有源振子的输入阻抗降低到20至30 Ω，折叠结构使其提升约4倍，达到接近50 Ω的水平。巴伦则负责平衡与不平衡之间的转换，因为同轴线缆是不平衡的，而偶极子是平衡的，缺少巴伦时，线缆外皮上会流过感应电流，馈线也会参与辐射，使方向图畸变，前后比下降，接收信号中还会混入外部干扰。巴伦常见的做法有套筒式和四分之一波长的折返式，宽带需求下也会使用变压器形式。

Q: LoRa与远距离LPWAN网关采用八木天线，配置时应该注意什么？

A: LoRa在470至510 MHz、868 MHz与915 MHz等频段应用广泛，链路灵敏度较高，八木天线的增益能明显拉长通信距离。要注意的是各地区对发射功率与天线增益有EIRP或ERP的限制，超过限值会违反法规，配置时应按当地规定核对，需要时降低发射功率。另外，八木天线方向性强，一端是固定网关时，对端的终端天线要对准，主瓣宽度在50至60度左右，安装误差要控制在这个范围内。带宽较窄的天线，使用频点也要选在其工作频段内。

Q: 无人机与移动目标的遥测，为什么倾向于圆极化而不是线极化？

A: 移动目标的姿态在不断变化，线极化天线的极化方向也会随之偏转，接收电平随夹角出现周期性起伏，最差时衰减可达20 dB以上。圆极化天线的接收电平不随线极化的方位变化，接收线极化波时损耗固定为3 dB，链路的稳定性更好。此外，圆极化对多径反射也有一定抑制作用，因为反射一次之后，旋向会发生反转，反射分量不易被同旋向的天线接收。地面站用交叉八木或螺旋天线，目标端使用圆极化的贴片天线或四叶草天线，是常见的搭配方式。