高增益微带八木天线的设计

高增益微带八木天线的设计

高增益微带八木天线的设计

【摘要】本文基于八木天线的结构设计并制作了一个准八木高增益微带天线，利用电磁仿真软件CST进行仿真设计。通过增加引向器的个数来增加增益随着引向器的增加，增益由4.15dBi增加到8.2dBi；通过增加x方向的单元数，压缩E 面的方向性进而提高增益，其增益由8.2dBi提高到12.7dBi。最终设计出一款工作于5.8GHz，增益约为12.7dBi，前后比为26dB的天线，实测与仿真结果基本吻合。

1、微带八木天线的设计原理

随着微波技术的发展，微带准八木天线由于其结构简单易于加工实现而成为国内外的一个研究热点。微带准八木天线的工作原理如图，采用180°相位差的微带传输线作为馈线，馈入八木天线的两臂的信号刚好等幅反向。八木天线可看作是端射式行波天线，其波瓣图可近似为间距λ/4，相位递减90°的电源端射阵。在微带八木中要实现输入端的阻抗匹配很关键，2单元6元阵子在馈电微带的阻抗匹配计算如图1所示

图1 阻抗匹配计算

八木天线的地板作为反射器，馈电后的主阵子向空间辐射电磁波，同时引向阵子由于耦合作用产生了感应电流，也向外辐射电磁波，引向器和反射器的相互作用能将有源振子辐射的能量集中到主辐射方向。引向器的数目在一定的范围内越多，方向性越强，增益就越高。有源振子的长度一般取半波长，通过调整阵子间的间距以及无源振子的长度，可以改变无源振子上产生的交变感应电流的相位和幅度，使得电磁场在主方向上叠加，从而达到增强天线辐射方向性的目的，进而提高天线的增益和辐射效率。不同数量引向阵子对应增益增量如表1所示。

表1 不同单元八木天线的增益值

2、微带八木天线的结构

微带八木天线的结构如图2所示。与宇田八木天线的结构基本相同，微带准八木天线每个单元由源辐射阵子、反射器和引向器组成，其反射器为微带的截断接地板，源辐射阵子为偶极子。馈电口通过巴伦进行阻抗变化进行功分到两个单元。每个单元由微带经过巴伦变换，再通过微带功分为等幅，相差90°到主辐射阵子的两臂进行馈电，引向阵子在有源振子的场的作用下产生感应电流，既耦合馈电。感应电流的大小和相位取决于无源振子本身的尺寸和振子间的间距。通过调整振子的长度和间距来调整方向性和增益。

图2 微带八木天线结构图

3、微带八木天线的仿真与实测结果分析

天线实物如图3所示。

图3(1) 天线实物正面图3(2)天线实物背面

S参数的仿真实测图如图4所示，中心频点基本重合，实测的S参数有较大的波纹，在非谐振点也有较大的反射，这可能是在测量过程中转接头未经校准造成的。

图4 S11仿真与实测对比

实测E面、H面如图5所示，交叉极化较好，E面的交叉极化为-19dB，H面的交叉极化为-16dB，前后比为27dB。

图5(1) E面的共面极化和交叉极化

图5(2) H面的共面极化和交叉极化

实测与仿真对比结果图6所示，E面、H面仿真实测方向性基本吻合，实测主瓣偏小，后瓣的测量有一定的误差，这可能是测量过程中，接收天线架高使得发射接收没对准。实测的H面的第一旁瓣比仿真值小可能是在测量过程中部分遮挡造成的。

图6(1) E面的方向图仿真与实测对比

图6(2) H面的方向图仿真与实测对比

通过与测量的标准喇叭相比较，实际测量的增益值为13.21dBi。

4、总结与展望

本设计是通过组阵的方法压缩E面的方向性从而提高了增益，但H面的方向性并没有得到提高，本天线由于其遮挡截断面小，高增益，端射等特点能在一定分辨率的扫描上有很好应用。微带八木天线相比于八木天线，他的结构小型化了，更易加工实现。但是微带八木天线的缺点也很明显，相对于八木天线能通过调整结构来调整天线的辐射方向性，既定的微带天线的方向性无法灵活的改变。在后面的设计中，压缩波瓣、提高增益从而提高此端射天线的分辨率是进一步的目标。它能更加有效的应用于某些特定场合的扫描中。