印刷八木天线的仿真与设计

黄奚 2023-05-23 4000

RF/无线

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描述

前言

前篇介绍了俄罗斯的网红Wi-Fi天线，其可看作是八木天线。对于八木天线，相信很多业内朋友都不陌生，这类天线长成这个样子。本篇详细介绍八木天线的原理，并设计印刷八木天线。

八木天线的工作原理

天线工作原理

什么是八木天线呢，八木天线别名引向天线、、波渠天线，是一种端射式天线，在二十世纪20年代，由日本东北大学的八木秀次和日本仙台大学的宇田太郞两人发明了这种天线，被称为“八木宇田天线”，简称“八木天线”，具有良好的方向性，较高的增益，适用于远距离通信，传统八木天线的相对带宽一般为20%以下。这类天线由一根馈电振子和一根反射器振子和若干无源寄生振子并排放置组成的，所有振子并排排列在一个平面内，所有的这些阵子都固定在传输线上，即中间的金属杆上。

八木天线属于方向性天线，这里的驱动振子与反射器各由一对振子组成，可以看作为偶极子天线，反射器振子的长度会略长于驱动振子。

导引振子的个数越多，天线的定向性越好，但导引振子数量越多，离驱动振子的距离越远，导引振子上产生的感应电流越弱，添加导引振子对天线定向性的增强效果也逐渐减弱。八木天线的方向性可通过增加引导振子的数量得到增强。

图 3 八木天线工作原理

八木天线的导引振子长度稍短于反射器，其每一根导引振子的阻抗是容性的，而反射器的长度稍长与驱动振子，阻抗呈感性。反射器和导引振子上的电流的相位不仅由它们的尺寸决定，也由它们相邻单元的间距决定。对于接收Wi-Fi信号，天线的导引振子对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°；导引振子感应的电磁波会向驱动振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后90°恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，两者加起来刚好差180°，起到了抵消作用。一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。这类天线的典型方向图如下所示：

图 4 八木天线辐射特性

2.2天线参数

相关理论经验，八木天线的各个振子长度的计算公式如下：

（1）反射器长度：

（2）驱动振子长度：

（3）反射器与驱动振子间距dR：

（4）导引振子长度：

（5）导引振子间距：

按照上述公式，如果即导引振子长度和导引振子间距均相等时称为均匀天线。

印刷八木天线设计

PCB八木天线基本馈电类型

印刷八木天线是将八木天线结构平面化后印制在单层介质板上，这样在保留行波辐射的特性的同时缩小了体积，同时保持优秀的前后比值和交叉极化值。

1）含巴伦结构的PCB八木天线

下图是一种含巴伦的PCB八木天线，通过该结构使得左右两侧的激励振子可以形成半个周期的相位差，这样有源振子和微带馈线可以设计在同一平面，并进行阻抗匹配。

图 5 含巴伦PCB八木天线

从上图可以看出，天线中的巴伦结构体积较大，使得天线的结构也随着增加，同时，这个结构也会影响天线的辐射方向，此时便出现了不含巴伦结构的八木天线，能简化天线结构。

2）不含巴伦结构的PCB八木天线不含巴伦结构的PCB八木天线一种的结构如下，正面微带线与介质基板正面的微带馈线相连，背面微带线与介质基板背面半截地板相连，通过这种方法实现平衡不平衡的转换，也可以使得左右两侧的激励阵子可以形成半个周期的相位差。

通过对比两种不同馈电形式的天线，不含巴伦的八木天线相对简易，且方向性不受影响。

PCB八木天线设计

1）天线结构

这里我们建立一种不含巴伦结构的简易馈电型微带准八木天线，天线结构如下图所示，该天线长100mm，宽50mm，采用RF-4作为PCB天线的基板，较之前的网红Wi-Fi天线结构而言，两者天线最大尺寸相仿；从组装复杂度来看，本次研究的天线具有一次成型的特点，易用加工。