印刷八木天线的仿真与设计

前言

前一期我们介绍了什么是八木天线，给出了八木天线的设计参数，并重点介绍了微带准八木天线的平面化设计，其特点是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，使得微带准八木天线能够很好的应用在集成电路上。

 

本期将在此基础上给出提升天线增益的方法，设计一款高增益小体积的PCB八木天线。

提高八木天线的增益方法

1、常见提高八木天线的增益方法

对于微带准八木天线，使其增益提高的方法主要有以下几种：

1）改变辐射阵子和引向阵子形状

通过改变传统的辐射阵子和引向阵子的形状，形成一种紧耦合结构，为提高增益打下基础。

图 2 改变阵子形状

2）增加引向阵子数量

通过上一期分析可知，增加引向阵子的数量会增加天线的增益。

图 3 增加阵子数提升增益

3）在介质基板的反面多加载反射性能更好的反射阵子

图 4 介质基板的反面多加载反射性能更好的反射阵子

4）使用超材料

这种方法主要通过超材料的近零折射率或低折射率使电磁波产生传播路径变化，从而改善天线的方向性及增益。

可以通过频率选择表面提高天线增益，这种结构如下图所示，是由周期性排列的金属贴片单元构成的一种二维周期阵列结构。

 

5）以通过组阵的方法来增加天线增益

这种方法中较为简单的实现方式如下：

a）首先，设计好单个八木天线;

b）其次，按照阵列天线阵因子进行八木天线的组成，具体的阵因子计算方法可详见往期文章。

 

2、加载开口环方式

除了上述五种提高天线增益的方法外，近年来一种新的设计方法备受追捧，这种方法对天线的体积没有太大的影响，可使天线增益增高，也有其他性能得到了相应的改善。

本期将使用该方法改造上期的PCB八木天线，这里提到的方法是指在PCB八木天线的顶端加载开口谐振单元，改结构如下图。

图 7 开口谐振环

其等效电路如下：

图 8 开口谐振环等效电路

上图中的开口谐振单元其反射特性如下图。

分析上图可知，开口谐振环单元在2.1GHz频率时回波损耗值小于-50dB，使得电磁波更容易传输，接下来便使用该结构来改造我们的八木天线，进一步提升天线增益。

改造八木天线

1、原PCB八木天线

前期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，该天线结构如下图所示，该天线尺寸为长100mm，宽50mm，采用RF-4作为PCB天线的基板。

图 9 上一期的天线结构

2、改进的PCB八木天线

为了提高天线的增益，本期选择在上面提到的天线上加载开口谐振环单元实现天线增益的有效提升。

a）理论分析 开口谐振环结构在准八木天线的端射方向前方形成特殊功能的引向器，使得基于开口谐振环的高增益准八木天线在保证天线尺寸和带宽的前提下有效的降低了回波损耗、提高了增益。

图 10 开口谐振环

b）天线设计参数

八木天线的各个参数参考上期内容，这里简单给出的各个振子长度的计算公式：

（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。

c）改进型天线结构

在前一期天线的基础上，为了进一步提高增益，引向阵子前端正反面加载了4个开口谐振环单元，调整后的天线结构如图所示。

图 11 本期改进后的天线结构

采用微带线对天线进行馈电，在介质基板背面印刷左侧的激励阵子，与反射贴片连接；在介质基板正面印刷右侧激励阵子，与反射贴片通过微带线馈线相连，利用几个金属圆柱连接上下反射贴片，使左、右侧的激励阵子形成半个周期的相位差。

仿真结果

对比天线的3D 辐射图如图所示，从图中可以看出，与原天线相比较，加载开口谐振环的天线半功率波束宽度都有缩减，通过分析可以得出加载开口谐振环的微带准八木天线的半功率波束宽度相比于原天线明显变窄。本设计的加载开口谐振环天线能够有效的改善天线的方向性，改善天线的端射性能。

(a)原天线

(b)改造后的天线图

图 13 本期改进后的天线增益

图 14 本期改进后的天线反射特性

下图是加载开口谐振环天线在中心频率处的电流幅度瞬时分布图。从上一期的电流分布结果可知，原型天线的电场能量主要集中在辐射阵子和前三个引向阵子上。

而此时加载开口谐振环天线的电场能量主要集中在辐射阵子和前三个引向阵子以及谐振环上，仿真结果表明，开口谐振环结构有起到了显著的引向作用，有效改善了天线端射方向的辐射性能，开口谐振环特殊结构在这里作为引向器可以有效集中电磁能量，提高该微带准八木天线的增益，电流在天线的谐振环超过2层之后明显减弱，在此之后增加谐振环对天线性能将没有明显改善。

图 15 电流瞬态分布

小结

本期总结了提高八木天线增益的六种方法，然后我们研究其中一种改进微带八木天线增益的方法，即在原天线的结构上，加载开口谐振环。改造后的天线同原天线相比，增益提高了1.5dB,同时天线的回波损耗改善了5dB。相较于其他提高增益的方法，本次改造天线的体积并没有显著增加。

 

 

　　审核编辑：汤梓红