一種S波段寬帶單極八木天線

張 寧，王 建

(電子科技大學電子工程學院， 成都611731)

0 引言

作為一種經典的天線，八木天線自誕生以來無論從形式還是用途上都一直在發展。例如:近年來比較熱門的準八木天線［1-5］，極大的提高和豐富了人們對微帶準八木天線的認識。由于其具有前后比高、交叉極化低、結構緊湊、體積小、振子間互耦低、更易于共形等優勢，在無線網絡、微波集成電路中得到廣泛的應用。

文獻［6］提出了一種自相似的分型天線作為振子實現了雙頻帶的印刷八木天線;文獻［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展了帶寬，相對帶寬最大可以達到59.1%;文獻［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良特性，單極八木天線成為了存在地面情況下實現端射的一種很好的選擇，在通信和雷達等方面都有重要的應用。小尺寸的單極八木天線可以實現低拋面的端射，也是當今熱門研究方向之一。

本文設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到81%，方向圖帶寬達到66.7%，比文獻［7-9］中介紹單極八木天線具有更寬的相對帶寬。

1 天線結構與改進

1.1 傳統單極八木天線

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。間距適當的引向器上的電流近似于幅度相等，相位均勻遞減，這將加強饋電方向上的場形成端射。傳統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，因為地面的存在，如果希望天線沿著地面的方向端射，根據理想導體邊界條件，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。傳統單極八木天線如圖1所示。

圖1 傳統單極八木天線模型圖

傳統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，一般相對帶寬不超過30%。為了擴展帶寬，人們想了很多方法，如文獻［7-8］中所介紹的模型。

如圖2所示，在傳統單極八木天線的基礎上，令各個引向器長度不等并優化其長度，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展天線帶寬。這種類型的單極八木天線阻抗帶寬有所擴展，不過最大也只有不到60%。

圖2 文獻［7-8］中的寬帶八木天線

1.2 改進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］，使其產生不對稱激勵。而單極八木天線的核心是單極子，擴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，通過調節套筒高度和半徑，可以擴展帶寬［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是改進的寬帶單極八木天線實物模型前斜視圖，圖4是模型的側視圖。

圖3 改進的寬帶單極八木天線實物模型

圖4 寬帶單極八木天線側視圖

如圖3所示，除了單極子以外的所有部件都連接在地板上，單極子被介質方柱固定，與連接50 Ω饋電同軸線的SMA連接器內導體連接，SMA連接器外導體固定在地板上。單極子兩側有兩根高度相同的寄生振子，相當于一種開式套筒，起到擴展阻抗帶寬的作用。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

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展了方向圖帶寬。經過HFSS仿真軟件優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 仿真與測試結果

將HFSS優化好的模型加工成實物，實物如圖5所示。

圖5 寬帶單極八木天線加工實物圖

用矢量網絡分析儀測試了S11參數，在Satimo微波暗室中測試了增益方向圖。S11參數仿真與測試結果如圖6所示。

從圖中可以看出，仿真與測試的S11參數吻合比較好，測試的S11參數在2.2 GHz～5.2 GHz范圍內小于-10 dB，相對帶寬達到81%。雖然測試的S11參數與仿真結果相比，諧振點位置略有偏移，但是，在3 GHz～4 GHz范圍內測試結果比仿真結果更好一些。

圖6 仿真與測試的S11參數

圖7為在2GHz、3GHz、4 GHz三個頻點上仿真與測試的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頻點上，測試方向圖的副瓣電平比仿真結果稍微低一些。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。天線實測E面增益與增益效率如表3所示。

表3 天線實測效率與增益

在2.9 GHz頻率上天線效率最高，達到92%。在3.9 GHz頻率上天線增益最大，達到11 dB。

3 結束語

本文設計了一種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，很好的擴展了天線的帶寬。S11參數在2.2 GHz～5.2 GHz內小于-10 dB，阻抗相對帶寬達到81%。增益方向圖在2 GHz～4 GHz范圍內不發生畸變，方向圖相對帶寬達到66.7%。實測結果與仿真結果吻合較好，天線相對帶寬明顯寬于文獻［7-8］中的結果，為此種天線的后續研究提供了較好的參考。另外此天線結構簡單緊湊，便于加工，實用性較強。

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