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課程名年級天線2023級專業(yè)電磁場與微波技術(shù)學(xué)號姓名成績

2023222050070羅霞高增益微帶八木天線的設(shè)計

高增益微帶八木天線的設(shè)計

本文基于八木天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計并制作了一個準八木高增益微帶天線，利用電磁仿真軟件CST進行仿真設(shè)計。通過增加引向器的個數(shù)來增加增益隨著引向器的增加，增益由4.15dBi增加到8.2dBi；通過增加x方向的單元數(shù)，壓縮E面的方向性進而提高增益，其增益由8.2dBi提高到12.7dBi。最終設(shè)計出一款工作于5.8GHz，增益約為12.7dBi，前后比為26dB的天線，實測與仿真結(jié)果基本吻合。

1、微帶八木天線的設(shè)計原理

隨著微波技術(shù)的發(fā)展，微帶準八木天線由于其結(jié)構(gòu)簡單易于加工實現(xiàn)而成為國內(nèi)外的一個研究熱點。微帶準八木天線的工作原理如圖，采用180°相位差的微帶傳輸線作為饋線，饋入八木天線的兩臂的信號剛好等幅反向。八木天線可看作是端射式行波天線，其波瓣圖可近似為間距λ/4，相位遞減90°的電源端射陣。在微帶八木中要實現(xiàn)輸入端的阻抗匹配很關(guān)鍵，2單元6元陣子在饋電微帶的阻抗匹配計算如圖1所示

圖1阻抗匹配計算

八木天線的地板作為反射器，饋電后的主陣子向空間輻射電磁波，同時引向陣子由于耦合作用產(chǎn)生了感應(yīng)電流，也向外輻射電磁波，引向器和反射器的相互作用能將有源振子輻射的能量集中到主輻射方向。引向器的數(shù)目在一定的范圍內(nèi)越多，方向性越強，增益就越高。有源振子的長度一般取半波長，通過調(diào)整陣子間的間距以及無源振子的長度，可以改變無源振子上產(chǎn)生的交變感應(yīng)電流的相位和幅度，使得電磁場在主方向上疊加，從而達到加強天線輻射方向性的目的，進而提高天線的增益和輻射效率。不同數(shù)量引向陣子對應(yīng)增益增量如表1所示。

表1不同單元八木天線的增益值

天線樣式對稱陣子二元八木反射器001引向器0101234567振子總數(shù)1223456789增益2.153~4.5理想最大增益6.5三元八木四元八木五元八木六元八木七元八木八元八木九元八木11111116~87~109~1110~1210.5~12.511~1311.5~13.51011121313.51414.5

2、微帶八木天線的結(jié)構(gòu)

微帶八木天線的結(jié)構(gòu)如圖2所示。與宇田八木天線的結(jié)構(gòu)基本一致，微帶準八木天線每個單元由源輻射陣子、反射器和引向器組成，其反射器為微帶的截斷接地板，源輻射陣子為偶極子。饋電口通過巴倫進行阻抗變化進行功分到兩個單元。每個單元由微帶經(jīng)過巴倫變換，再通過微帶功分為等幅，相差90°到主輻射陣子的兩臂進行饋電，引向陣子在有源振子的場的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，既耦合饋電。感應(yīng)電流的大小和相位取決于無源振子本身的尺寸和振子間的間距。通過調(diào)整振子的長度和間距來調(diào)整方向性和增益。

圖2微帶八木天線結(jié)構(gòu)圖

3、微帶八木天線的仿真與實測結(jié)果分析

天線實物如圖3所示。

圖3(1)天線實物正面圖3(2)天線實物后面

S參數(shù)的仿真實測圖如圖4所示，中心頻點基本重合，實測的S參數(shù)有較大的波紋，在非諧振點也有較大的反射，這可能是在測量過程中轉(zhuǎn)接頭未經(jīng)校準造成的。

圖4S11仿真與實測對比

實測E面、H面如圖5所示，交織極化較好，E面的交織極化為-19dB，H面的交織極化為-16dB，前后比為27dB。

圖5(1)E面的共面極化和交織極化

圖5(2)H面的共面極化和交織極化

實測與仿真對比結(jié)果圖6所示，E面、H面仿真實測方向性基本吻合，實測主瓣偏小，后瓣的測量有一定的誤差，這可能是測量過程中，接收天線架高使得發(fā)射接收沒對準。實測的H面的第一旁瓣比仿真值小可能是在測量過程中部分遮擋造成的。

圖6(1)E面的方向圖仿真與實測對比

圖6(2)H面的方向圖仿真與實測對比

通過與測量的標準喇叭相比較，實際測量的增益值為13.21dBi。4、總結(jié)與展望

本設(shè)計是通過組陣的方法壓縮E面的方向性從而提高了增益，但H面的方向性并沒有得到提高，本天線由于其遮擋截斷面小，高增益，端射等特點能在一定分辯率的掃描上有很好應(yīng)用。微帶八木天線相比于八木天線，他的結(jié)構(gòu)小型化了，更易加工實現(xiàn)。但是微帶八木天線的缺點也很明顯，相對于八木天線能通過調(diào)整結(jié)構(gòu)來調(diào)整日線的輻射