前言

前篇介紹了俄羅斯的網紅Wi-Fi天線，其可看作是八木天線。對于八木天線，相信很多業內朋友都不陌生，這類天線長成這個樣子。本篇詳細介紹八木天線的原理，并設計印刷八木天線。

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20年代，由日本東北大學的八木秀次和日本仙臺大學的宇田太郞兩人發明了這種天線，被稱為“八木宇田天線”，簡稱“八木天線”，具有良好的方向性，較高的增益，適用于遠距離通信，傳統八木天線的相對帶寬一般為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平面內，所有的這些陣子都固定在傳輸線上，即中間的金屬桿上。

八木天線屬于方向性天線，這里的驅動振子與反射器各由一對振子組成，可以看作為偶極子天線，反射器振子的長度會略長于驅動振子。

導引振子的個數越多，天線的定向性越好，但導引振子數量越多，離驅動振子的距離越遠，導引振子上產生的感應電流越弱，添加導引振子對天線定向性的增強效果也逐漸減弱。八木天線的方向性可通過增加引導振子的數量得到增強。

圖 3 八木天線工作原理

八木天線的導引振子長度稍短于反射器，其每一根導引振子的阻抗是容性的，而反射器的長度稍長與驅動振子，阻抗呈感性。反射器和導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。對于接收Wi-Fi信號，天線的導引振子對感應信號呈“容性”，電流超前電壓90°；導引振子感應的電磁波會向驅動振子輻射，輻射信號經過四分之一波長的路程使其滯后90°恰好抵消了前面引起的“超前”，兩者相位相同，于是信號迭加，得到加強。反射器略長于二分之一波長，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。一個方向加強，一個方向削弱，便有了強方向性。 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

相關理論經驗，八木天線的各個振子長度的計算公式如下：

（1）反射器長度：



（2）驅動振子長度：



（3）反射器與驅動振子間距dR：



（4）導引振子長度：



（5）導引振子間距：



按照上述公式，如果即導引振子長度和導引振子間距均相等時稱為均勻天線。

印刷八木天線設計

PCB八木天線基本饋電類型

印刷八木天線是將八木天線結構平面化后印制在單層介質板上，這樣在保留行波輻射的特性的同時縮小了體積，同時保持優秀的前后比值和交叉極化值。

1）含巴倫結構的PCB八木天線

下圖是一種含巴倫的PCB八木天線，通過該結構使得左右兩側的激勵振子可以形成半個周期的相位差，這樣有源振子和微帶饋線可以設計在同一平面，并進行阻抗匹配。

圖 5 含巴倫PCB八木天線

從上圖可以看出，天線中的巴倫結構體積較大，使得天線的結構也隨著增加，同時，這個結構也會影響天線的輻射方向，此時便出現了不含巴倫結構的八木天線，能簡化天線結構。

2）不含巴倫結構的PCB八木天線 不含巴倫結構的PCB八木天線一種的結構如下，正面微帶線與介質基板正面的微帶饋線相連，背面微帶線與介質基板背面半截地板相連，通過這種方法實現平衡不平衡的轉換，也可以使得左右兩側的激勵陣子可以形成半個周期的相位差。

通過對比兩種不同饋電形式的天線，不含巴倫的八木天線相對簡易，且方向性不受影響。

PCB八木天線設計

1）天線結構

這里我們建立一種不含巴倫結構的簡易饋電型微帶準八木天線，天線結構如下圖所示，該天線長100mm，寬50mm，采用RF-4作為PCB天線的基板，較之前的網紅Wi-Fi天線結構而言，兩者天線最大尺寸相仿；從組裝復雜度來看，本次研究的天線具有一次成型的特點，易用加工。

圖 7 天線結構

2）天線工作原理

該天線結構與前面章節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；同時饋線經由過孔與背面地板相連，激發天線振子。 該天線的激勵振子前放置了三個導引振子，PCB反面的激勵振子與反射振子連接。

圖 8 工作原理

3）仿真結果分析

建立模型，設置好參數后進行仿真，其S11參數在2.42GHz達到-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的方向性，增益可達到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

從上圖的電流分布可知，在第三個導引振子處的電流幅值意味著該天線可進一步通過引入第四個導引振子增強方向性，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 添加四個引導振子后的PCB八木天線正面

小結

本期我們研究了一款微帶八木天線，通過設計一種比較簡易的饋電方法，省去復雜的巴倫，實現天線的阻抗匹配，簡化了天線結構，同時對其工作原理進行了解釋，并對影響天線性能的參數進行了分析，該天線具有低成本、易用加工的特點，只要焊接一個SMA接頭即可，不需要額外的加工。 ??

作者：江右射頻

審核編輯：湯梓紅