一種S波段寬帶單極八木天線

張 寧，王 建

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院， 成都611731)

0 引言

作為一種經(jīng)典的天線，八木天線自誕生以來無論從形式還是用途上都一直在發(fā)展。例如:近年來比較熱門的準(zhǔn)八木天線［1-5］，極大的提高和豐富了人們對微帶準(zhǔn)八木天線的認(rèn)識。由于其具有前后比高、交叉極化低、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、振子間互耦低、更易于共形等優(yōu)勢，在無線網(wǎng)絡(luò)、微波集成電路中得到廣泛的應(yīng)用。

文獻(xiàn)［6］提出了一種自相似的分型天線作為振子實(shí)現(xiàn)了雙頻帶的印刷八木天線;文獻(xiàn)［7-9］提出了一種單極八木天線，分別采用印刷振子形式和金屬桿的形式，通過不等長度的振子和寄生振子擴(kuò)展了帶寬，相對帶寬最大可以達(dá)到59.1%;文獻(xiàn)［10］用FDTD法分析了有限地面的單極八木天線。憑借著八木天線的優(yōu)良特性，單極八木天線成為了存在地面情況下實(shí)現(xiàn)端射的一種很好的選擇，在通信和雷達(dá)等方面都有重要的應(yīng)用。小尺寸的單極八木天線可以實(shí)現(xiàn)低拋面的端射，也是當(dāng)今熱門研究方向之一。

本文設(shè)計的單極八木天線工作在S波段，采用一種新的展寬帶寬的方法，使其駐波相對帶寬達(dá)到81%，方向圖帶寬達(dá)到66.7%，比文獻(xiàn)［7-9］中介紹單極八木天線具有更寬的相對帶寬。

1 天線結(jié)構(gòu)與改進(jìn)

1.1 傳統(tǒng)單極八木天線

八木天線是一種行波天線，由一系列平行振子排列在一條直線上。其中只有一根振子被激勵，受激單元長度通常為工作波長的一半，其前方的一系列無源單元被稱為引向器，其后方的無源單元被稱為反射器。引向器的長度短于受激單元呈容性，反射器的長度長于受激單元呈感性。間距適當(dāng)?shù)囊蚱魃系碾娏鹘朴诜认嗟?，相位均勻遞減，這將加強(qiáng)饋電方向上的場形成端射。傳統(tǒng)的八木天線是窄帶的，如果借助加長反射器以改變低頻性能，縮短引向器改變高頻性能，頻帶特性可以得到改善，但十分有限［1］。

單極八木天線是一種垂直接地的八木天線，因?yàn)榈孛娴拇嬖?，如果希望天線沿著地面的方向端射，根據(jù)理想導(dǎo)體邊界條件，要使振子與鏡像上的電流等幅同相，必須采用垂直極化。因此，帶有地面的八木天線采用單極子激勵，引向器與反射器長度也因此減小了一半。傳統(tǒng)單極八木天線如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)單極八木天線模型圖

傳統(tǒng)的單極八木天線雖然繼承了八木天線的端射特性，但是也明顯的保留了八木天線帶寬太窄的缺點(diǎn)，一般相對帶寬不超過30%。為了擴(kuò)展帶寬，人們想了很多方法，如文獻(xiàn)［7-8］中所介紹的模型。

如圖2所示，在傳統(tǒng)單極八木天線的基礎(chǔ)上，令各個引向器長度不等并優(yōu)化其長度，在單極子與反射器之間加入一根無源的寄生振子的方法可以擴(kuò)展天線帶寬。這種類型的單極八木天線阻抗帶寬有所擴(kuò)展，不過最大也只有不到60%。

圖2 文獻(xiàn)［7-8］中的寬帶八木天線

1.2 改進(jìn)的寬帶單極八木天線

展寬單極八木天線帶寬的方法一般是引入無源寄生振子［7-8］，使其產(chǎn)生不對稱激勵。而單極八木天線的核心是單極子，擴(kuò)展單極子的帶寬將有利于增加單極八木天線的帶寬。一般單極子天線展寬帶寬的方法比較多，在單極天線周圍放置套筒是一種比較好的方法，通過調(diào)節(jié)套筒高度和半徑，可以擴(kuò)展帶寬［11］。對于單極八木天線，在受激單元左右放置兩根寄生振子相當(dāng)于一種開式套筒，可以極大地改善天線的頻帶特性。

圖3是改進(jìn)的寬帶單極八木天線實(shí)物模型前斜視圖，圖4是模型的側(cè)視圖。

圖3 改進(jìn)的寬帶單極八木天線實(shí)物模型

圖4 寬帶單極八木天線側(cè)視圖

如圖3所示，除了單極子以外的所有部件都連接在地板上，單極子被介質(zhì)方柱固定，與連接50 Ω饋電同軸線的SMA連接器內(nèi)導(dǎo)體連接，SMA連接器外導(dǎo)體固定在地板上。單極子兩側(cè)有兩根高度相同的寄生振子，相當(dāng)于一種開式套筒，起到擴(kuò)展阻抗帶寬的作用。在圖4中，序號1-13分別代表反射板、反射器、單極子、介質(zhì)方柱、寄生振子、從左到右的7根引向器以及地板，反射板和地板厚度為3mm，寄生振子直徑為4 mm，其他圓柱體部件直徑均為6 mm。通過HFSS軟件仿真優(yōu)化后天線各部件尺寸與材料如表1所示。

表1 天線各部件尺寸以及材料參數(shù)

在反射器后方放置的反射板可以提高低頻增益，引向器長度與間距非均勻擴(kuò)展了方向圖帶寬。經(jīng)過HFSS仿真軟件優(yōu)化后的天線各個部件間距如表2所示，其中，兩個部件間距為 dm，n，m，n為表1中的天線部件的序號。

表2 天線各部件的間距 mm

2 仿真與測試結(jié)果

將HFSS優(yōu)化好的模型加工成實(shí)物，實(shí)物如圖5所示。

圖5 寬帶單極八木天線加工實(shí)物圖

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試了S11參數(shù)，在Satimo微波暗室中測試了增益方向圖。S11參數(shù)仿真與測試結(jié)果如圖6所示。

從圖中可以看出，仿真與測試的S11參數(shù)吻合比較好，測試的S11參數(shù)在2.2 GHz～5.2 GHz范圍內(nèi)小于-10 dB，相對帶寬達(dá)到81%。雖然測試的S11參數(shù)與仿真結(jié)果相比，諧振點(diǎn)位置略有偏移，但是，在3 GHz～4 GHz范圍內(nèi)測試結(jié)果比仿真結(jié)果更好一些。

圖6 仿真與測試的S11參數(shù)

圖7為在2GHz、3GHz、4 GHz三個頻點(diǎn)上仿真與測試的E面歸一化增益方向圖，天線在微波暗室中的坐標(biāo)如圖3所示。

圖7 E面歸一化增益方向圖

如圖可見，在三個頻點(diǎn)上仿真與測試得到的E面歸一化增益方向圖吻合較好，而且在3 GHz和4 GHz頻點(diǎn)上，測試方向圖的副瓣電平比仿真結(jié)果稍微低一些。由于地板不是無限大，在地板邊緣會有電磁波的散射與繞射，這使波束指向在不同頻率下相對于端射方向有不同程度的上翹，但端射特性仍然明顯。天線實(shí)測E面增益與增益效率如表3所示。

表3 天線實(shí)測效率與增益

在2.9 GHz頻率上天線效率最高，達(dá)到92%。在3.9 GHz頻率上天線增益最大，達(dá)到11 dB。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種S波段的寬帶單極八木天線，通過在單極子左右兩端放置兩根高度相同的寄生振子，很好的擴(kuò)展了天線的帶寬。S11參數(shù)在2.2 GHz～5.2 GHz內(nèi)小于-10 dB，阻抗相對帶寬達(dá)到81%。增益方向圖在2 GHz～4 GHz范圍內(nèi)不發(fā)生畸變，方向圖相對帶寬達(dá)到66.7%。實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，天線相對帶寬明顯寬于文獻(xiàn)［7-8］中的結(jié)果，為此種天線的后續(xù)研究提供了較好的參考。另外此天線結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于加工，實(shí)用性較強(qiáng)。

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