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(wú)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(lái)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(lái)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。