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(shè)計(jì)參數(shù)，并重點(diǎn)介紹了微帶準(zhǔn)八木天線的平面化設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是是將八木天線結(jié)構(gòu)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(shí)縮小了體積，使得微帶準(zhǔn)八木天線能夠很好的應(yīng)用在集成電路上。

本期將在此基礎(chǔ)上給出提升天線增益的方法，設(shè)計(jì)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(duì)于微帶準(zhǔn)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(jié)構(gòu)，為提高增益打下基礎(chǔ)。

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(huì)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(jié)構(gòu)如下圖所示，是由周期性排列的金屬貼片單元構(gòu)成的一種二維周期陣列結(jié)構(gòu)。

5）以通過組陣的方法來增加天線增益

這種方法中較為簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式如下：

a）首先，設(shè)計(jì)好單個(gè)八木天線;

b）其次，按照陣列天線陣因子進(jìn)行八木天線的組成，具體的陣因子計(jì)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(shè)計(jì)方法備受追捧，這種方法對(duì)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(shí)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(jié)構(gòu)來改造我們的八木天線，進(jìn)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(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易饋電型微帶準(zhǔn)八木天線，該天線結(jié)構(gòu)如下圖所示，該天線尺寸為長(zhǎng)100mm，寬50mm，采用RF-4作為PCB天線的基板。

圖 9 上一期的天線結(jié)構(gòu)

2、改進(jìn)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(shí)現(xiàn)天線增益的有效提升。

a）理論分析 開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)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(zhǔn)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(shè)計(jì)參數(shù)

八木天線的各個(gè)參數(shù)參考上期內(nèi)容，這里簡(jiǎn)單給出的各個(gè)振子長(zhǎng)度的計(jì)算公式：

（1）反射器長(zhǎng)度：

（2）驅(qū)動(dòng)振子長(zhǎng)度：

（3）反射器與驅(qū)動(dòng)振子間距dR：

（4）導(dǎo)引振子長(zhǎng)度：

（5）導(dǎo)引振子間距：

按照上述公式，如果即導(dǎo)引振子長(zhǎng)度和導(dǎo)引振子間距均相等時(shí)稱為均勻天線。

c）改進(jìn)型天線結(jié)構(gòu)

在前一期天線的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高增益，引向陣子前端正反面加載了4個(gè)開口諧振環(huán)單元，調(diào)整后的天線結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖 11 本期改進(jìn)后的天線結(jié)構(gòu)

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

仿真結(jié)果

對(duì)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(zhǔn)八木天線的半功率波束寬度相比于原天線明顯變窄。本設(shè)計(jì)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(jìn)后的天線增益

圖 14 本期改進(jìn)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(shí)分布圖。從上一期的電流分布結(jié)果可知，原型天線的電場(chǎng)能量主要集中在輻射陣子和前三個(gè)引向陣子上。

而此時(shí)加載開口諧振環(huán)天線的電場(chǎng)能量主要集中在輻射陣子和前三個(gè)引向陣子以及諧振環(huán)上，仿真結(jié)果表明，開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在這里作為引向器可以有效集中電磁能量，提高該微帶準(zhǔn)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(duì)天線性能將沒有明顯改善。

圖 15 電流瞬態(tài)分布

小結(jié)

本期總結(jié)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(jìn)微帶八木天線增益的方法，即在原天線的結(jié)構(gòu)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(shí)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。