印刷八木天線的仿真與設計

前言

前一期我們介紹了什么是八木天線，給出了八木天線的設計參數(shù)，并重點介紹了微帶準八木天線的平面化設計，其特點是是將八木天線結構平面化后印制在單層介質(zhì)板上，這樣在保留行波輻射的特性的同時縮小了體積，使得微帶準八木天線能夠很好的應用在集成電路上。

本期將在此基礎上給出提升天線增益的方法，設計一款高增益小體積的PCB八木天線。

提高八木天線的增益方法

1、常見提高八木天線的增益方法

對于微帶準八木天線，使其增益提高的方法主要有以下幾種：

1）改變輻射陣子和引向陣子形狀

通過改變傳統(tǒng)的輻射陣子和引向陣子的形狀，形成一種緊耦合結構，為提高增益打下基礎。

圖 2 改變陣子形狀

2）增加引向陣子數(shù)量

通過上一期分析可知，增加引向陣子的數(shù)量會增加天線的增益。

圖 3 增加陣子數(shù)提升增益

3）在介質(zhì)基板的反面多加載反射性能更好的反射陣子

圖 4 介質(zhì)基板的反面多加載反射性能更好的反射陣子

4）使用超材料

這種方法主要通過超材料的近零折射率或低折射率使電磁波產(chǎn)生傳播路徑變化，從而改善天線的方向性及增益。

可以通過頻率選擇表面提高天線增益，這種結構如下圖所示，是由周期性排列的金屬貼片單元構成的一種二維周期陣列結構。

5）以通過組陣的方法來增加天線增益

這種方法中較為簡單的實現(xiàn)方式如下：

a）首先，設計好單個八木天線;

b）其次，按照陣列天線陣因子進行八木天線的組成，具體的陣因子計算方法可詳見往期文章。

2、加載開口環(huán)方式

除了上述五種提高天線增益的方法外，近年來一種新的設計方法備受追捧，這種方法對天線的體積沒有太大的影響，可使天線增益增高，也有其他性能得到了相應的改善。

本期將使用該方法改造上期的PCB八木天線，這里提到的方法是指在PCB八木天線的頂端加載開口諧振單元，改結構如下圖。

圖 7 開口諧振環(huán)

其等效電路如下：

圖 8 開口諧振環(huán)等效電路

上圖中的開口諧振單元其反射特性如下圖。

分析上圖可知，開口諧振環(huán)單元在2.1GHz頻率時回波損耗值小于-50dB，使得電磁波更容易傳輸，接下來便使用該結構來改造我們的八木天線，進一步提升天線增益。

改造八木天線

1、原PCB八木天線

前期我們建立一種不含巴倫結構的簡易饋電型微帶準八木天線，該天線結構如下圖所示，該天線尺寸為長100mm，寬50mm，采用RF-4作為PCB天線的基板。

圖 9 上一期的天線結構

2、改進的PCB八木天線

為了提高天線的增益，本期選擇在上面提到的天線上加載開口諧振環(huán)單元實現(xiàn)天線增益的有效提升。

a）理論分析 開口諧振環(huán)結構在準八木天線的端射方向前方形成特殊功能的引向器，使得基于開口諧振環(huán)的高增益準八木天線在保證天線尺寸和帶寬的前提下有效的降低了回波損耗、提高了增益。

圖 10 開口諧振環(huán)

b）天線設計參數(shù)

八木天線的各個參數(shù)參考上期內(nèi)容，這里簡單給出的各個振子長度的計算公式：

（1）反射器長度：

（2）驅動振子長度：

（3）反射器與驅動振子間距dR：

（4）導引振子長度：

（5）導引振子間距：

按照上述公式，如果即導引振子長度和導引振子間距均相等時稱為均勻天線。

c）改進型天線結構

在前一期天線的基礎上，為了進一步提高增益，引向陣子前端正反面加載了4個開口諧振環(huán)單元，調(diào)整后的天線結構如圖所示。

圖 11 本期改進后的天線結構

采用微帶線對天線進行饋電，在介質(zhì)基板背面印刷左側的激勵陣子，與反射貼片連接；在介質(zhì)基板正面印刷右側激勵陣子，與反射貼片通過微帶線饋線相連，利用幾個金屬圓柱連接上下反射貼片，使左、右側的激勵陣子形成半個周期的相位差。

仿真結果

對比天線的3D 輻射圖如圖所示，從圖中可以看出，與原天線相比較，加載開口諧振環(huán)的天線半功率波束寬度都有縮減，通過分析可以得出加載開口諧振環(huán)的微帶準八木天線的半功率波束寬度相比于原天線明顯變窄。本設計的加載開口諧振環(huán)天線能夠有效的改善天線的方向性，改善天線的端射性能。

(a)原天線

(b)改造后的天線圖

圖 13 本期改進后的天線增益

圖 14 本期改進后的天線反射特性

下圖是加載開口諧振環(huán)天線在中心頻率處的電流幅度瞬時分布圖。從上一期的電流分布結果可知，原型天線的電場能量主要集中在輻射陣子和前三個引向陣子上。

而此時加載開口諧振環(huán)天線的電場能量主要集中在輻射陣子和前三個引向陣子以及諧振環(huán)上，仿真結果表明，開口諧振環(huán)結構有起到了顯著的引向作用，有效改善了天線端射方向的輻射性能，開口諧振環(huán)特殊結構在這里作為引向器可以有效集中電磁能量，提高該微帶準八木天線的增益，電流在天線的諧振環(huán)超過2層之后明顯減弱，在此之后增加諧振環(huán)對天線性能將沒有明顯改善。

圖 15 電流瞬態(tài)分布

小結

本期總結了提高八木天線增益的六種方法，然后我們研究其中一種改進微帶八木天線增益的方法，即在原天線的結構上，加載開口諧振環(huán)。改造后的天線同原天線相比，增益提高了1.5dB,同時天線的回波損耗改善了5dB。相較于其他提高增益的方法，本次改造天線的體積并沒有顯著增加。