前言

前篇介紹了俄羅斯的網(wǎng)紅Wi-Fi天線，其可看作是八木天線。對(duì)于八木天線，相信很多業(yè)內(nèi)朋友都不陌生，這類天線長(zhǎng)成這個(gè)樣子。本篇詳細(xì)介紹八木天線的原理，并設(shè)計(jì)印刷八木天線。

?圖 1 八木天線

八木天線的工作原理

天線工作原理

什么是八木天線呢，八木天線別名引向天線、、波渠天線，是一種端射式天線，在二十世紀(jì)20年代，由日本東北大學(xué)的八木秀次和日本仙臺(tái)大學(xué)的宇田太郞兩人發(fā)明了這種天線，被稱為“八木宇田天線”，簡(jiǎn)稱“八木天線”，具有良好的方向性，較高的增益，適用于遠(yuǎn)距離通信，傳統(tǒng)八木天線的相對(duì)帶寬一般為20%以下。

這類天線由一根饋電振子和一根反射器振子和若干無源寄生振子并排放置組成的，所有振子并排排列在一個(gè)平面內(nèi)，所有的這些陣子都固定在傳輸線上，即中間的金屬桿上，見下圖。

?圖 2 實(shí)物圖

八木天線屬于方向性天線，這里的驅(qū)動(dòng)振子與反射器各由一對(duì)振子組成，可以看作為偶極子天線，反射器振子的長(zhǎng)度會(huì)略長(zhǎng)于驅(qū)動(dòng)振子。

導(dǎo)引振子的個(gè)數(shù)越多，天線的定向性越好，但導(dǎo)引振子數(shù)量越多，離驅(qū)動(dòng)振子的距離越遠(yuǎn)，導(dǎo)引振子上產(chǎn)生的感應(yīng)電流越弱，添加導(dǎo)引振子對(duì)天線定向性的增強(qiáng)效果也逐漸減弱。八木天線的方向性可通過增加引導(dǎo)振子的數(shù)量得到增強(qiáng)。

?圖 3 八木天線工作原理

八木天線的導(dǎo)引振子長(zhǎng)度稍短于反射器，其每一根導(dǎo)引振子的阻抗是容性的，而反射器的長(zhǎng)度稍長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)振子，阻抗呈感性。反射器和導(dǎo)引振子上的電流的相位不僅由它們的尺寸決定，也由它們相鄰單元的間距決定。對(duì)于接收Wi-Fi信號(hào)，天線的導(dǎo)引振子對(duì)感應(yīng)信號(hào)呈“容性”，電流超前電壓90°；導(dǎo)引振子感應(yīng)的電磁波會(huì)向驅(qū)動(dòng)振子輻射，輻射信號(hào)經(jīng)過四分之一波長(zhǎng)的路程使其滯后90°恰好抵消了前面引起的“超前”，兩者相位相同，于是信號(hào)迭加，得到加強(qiáng)。反射器略長(zhǎng)于二分之一波長(zhǎng)，呈感性，電流滯后90°，再加上輻射到主振子過程中又滯后90°，兩者加起來剛好差180°，起到了抵消作用。一個(gè)方向加強(qiáng)，一個(gè)方向削弱，便有了強(qiáng)方向性。

這類天線的典型方向圖如下所示：

?

?圖 4 八木天線輻射特性

2.2天線參數(shù)

相關(guān)理論經(jīng)驗(yàn)，八木天線的各個(gè)振子長(zhǎng)度的計(jì)算公式如下：

（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。

印刷八木天線設(shè)計(jì)

PCB八木天線基本饋電類型

印刷八木天線是將八木天線結(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，同時(shí)保持優(yōu)秀的前后比值和交叉極化值。

1）含巴倫結(jié)構(gòu)的PCB八木天線

下圖是一種含巴倫的PCB八木天線，通過該結(jié)構(gòu)使得左右兩側(cè)的激勵(lì)振子可以形成半個(gè)周期的相位差，這樣有源振子和微帶饋線可以設(shè)計(jì)在同一平面，并進(jìn)行阻抗匹配。

?圖 5 含巴倫PCB八木天線

從上圖可以看出，天線中的巴倫結(jié)構(gòu)體積較大，使得天線的結(jié)構(gòu)也隨著增加，同時(shí)，這個(gè)結(jié)構(gòu)也會(huì)影響天線的輻射方向，此時(shí)便出現(xiàn)了不含巴倫結(jié)構(gòu)的八木天線，能簡(jiǎn)化天線結(jié)構(gòu)。

2）不含巴倫結(jié)構(gòu)的PCB八木天線

不含巴倫結(jié)構(gòu)的PCB八木天線一種的結(jié)構(gòu)如下，正面微帶線與介質(zhì)基板正面的微帶饋線相連，背面微帶線與介質(zhì)基板背面半截地板相連，通過這種方法實(shí)現(xiàn)平衡不平衡的轉(zhuǎn)換，也可以使得左右兩側(cè)的激勵(lì)陣子可以形成半個(gè)周期的相位差。

?圖 6 不含巴倫的八木天線

通過對(duì)比兩種不同饋電形式的天線，不含巴倫的八木天線相對(duì)簡(jiǎn)易，且方向性不受影響。

PCB八木天線設(shè)計(jì)

1）天線結(jié)構(gòu)

這里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，天線結(jié)構(gòu)如下圖所示，該天線長(zhǎng)100mm，寬50mm，采用RF-4作為PCB天線的基板，較之前的網(wǎng)紅Wi-Fi天線結(jié)構(gòu)而言，兩者天線最大尺寸相仿；從組裝復(fù)雜度來看，本次研究的天線具有一次成型的特點(diǎn)，易用加工。

?圖 7 天線結(jié)構(gòu)

2）天線工作原理

該天線結(jié)構(gòu)與前面章節(jié)介紹的兩種微帶天線不同的是：正面的微帶線不與饋線相連，而是通過耦合的形式饋電給正面的振子；同時(shí)饋線經(jīng)由過孔與背面地板相連，激發(fā)天線振子。

該天線的激勵(lì)振子前放置了三個(gè)導(dǎo)引振子，PCB反面的激勵(lì)振子與反射振子連接。

?圖 8 工作原理

3）仿真結(jié)果分析

建立模型，設(shè)置好參數(shù)后進(jìn)行仿真，其S11參數(shù)在2.42GHz達(dá)到-12.2dB，具有較好的駐波特性。

?圖 9 S11特性

天線的輻射特性如下所示，從圖中可看出其具有較強(qiáng)的方向性，增益可達(dá)到10dBi。

?圖 10 輻射圖

?圖 11 正面振子電流分布

?圖 12 反面振子電流分布

4）天線改進(jìn)

從上圖的電流分布可知，在第三個(gè)導(dǎo)引振子處的電流幅值意味著該天線可進(jìn)一步通過引入第四個(gè)導(dǎo)引振子增強(qiáng)方向性，將獲得比目前10dBi更高的天線增益。下期給出下圖所示的天線特性。

?圖 13 添加四個(gè)引導(dǎo)振子后的PCB八木天線正面

小結(jié)

本期我們研究了一款微帶八木天線，通過設(shè)計(jì)一種比較簡(jiǎn)易的饋電方法，省去復(fù)雜的巴倫，實(shí)現(xiàn)天線的阻抗匹配，簡(jiǎn)化了天線結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)其工作原理進(jìn)行了解釋，并對(duì)影響天線性能的參數(shù)進(jìn)行了分析，該天線具有低成本、易用加工的特點(diǎn)，只要焊接一個(gè)SMA接頭即可，不需要額外的加工。