準(zhǔn)八木天線寬頻化與多頻化的技術(shù)演進(jìn)與創(chuàng)新應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，從早期的2G、3G到如今廣泛普及的4G、5G，以及對(duì)未來6G的探索，通信系統(tǒng)對(duì)天線性能的要求愈發(fā)嚴(yán)苛。準(zhǔn)八木天線作為一種兼具高增益和定向性的天線類型，在無線通信、雷達(dá)探測(cè)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。在通信領(lǐng)域，基站與移動(dòng)終端之間的信號(hào)傳輸需要高效的天線來保障信號(hào)的穩(wěn)定與覆蓋范圍，準(zhǔn)八木天線的定向性能夠?qū)⑿盘?hào)集中傳輸，減少信號(hào)的損耗和干擾，從而提高通信質(zhì)量；在雷達(dá)探測(cè)中，其高增益特性有助于提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離和精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的有效監(jiān)測(cè)；衛(wèi)星通信則依賴準(zhǔn)八木天線準(zhǔn)確地接收和發(fā)射信號(hào)，確保衛(wèi)星與地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。然而，傳統(tǒng)準(zhǔn)八木天線在頻帶特性方面存在一定的局限性，其工作帶寬較窄，往往只能覆蓋單一或有限的頻段。在當(dāng)今多頻段通信系統(tǒng)共存的環(huán)境下，如不同運(yùn)營(yíng)商的通信頻段、不同通信標(biāo)準(zhǔn)（如GSM、CDMA、LTE等）所使用的頻段各不相同，單一頻段的天線無法滿足多種通信業(yè)務(wù)的需求。這就導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中，需要安裝多個(gè)不同頻段的天線來實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)通信，這不僅增加了設(shè)備的復(fù)雜度和成本，還占用了更多的空間資源，同時(shí)也可能帶來不同天線之間的相互干擾問題，降低通信系統(tǒng)的整體性能。在這樣的背景下，準(zhǔn)八木天線的寬頻化和多頻化研究具有至關(guān)重要的意義。寬頻化能夠使準(zhǔn)八木天線覆蓋更寬的頻率范圍，從而適應(yīng)多種通信業(yè)務(wù)在不同頻段的需求。例如，在一個(gè)寬頻帶的準(zhǔn)八木天線支持下，移動(dòng)終端可以同時(shí)接入2G、3G、4G甚至未來的6G網(wǎng)絡(luò)，無需為每個(gè)頻段單獨(dú)配置天線，大大簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低了成本。多頻化則允許天線在多個(gè)離散的特定頻段上工作，這對(duì)于一些特定的通信場(chǎng)景尤為重要。如在衛(wèi)星通信中，衛(wèi)星需要與地面站在多個(gè)不同的頻段上進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)不同類型的數(shù)據(jù)傳輸（如語音、圖像、視頻等），多頻化的準(zhǔn)八木天線能夠滿足這種多頻段通信的需求，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的兼容性和靈活性。寬頻化和多頻化的準(zhǔn)八木天線對(duì)于提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率也具有重要作用。在有限的頻譜資源下，能夠在多個(gè)頻段工作的天線可以更充分地利用頻譜，避免頻譜資源的浪費(fèi)，從而提升整個(gè)通信系統(tǒng)的效率和性能，為未來無線通信技術(shù)的發(fā)展提供有力的支持。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在準(zhǔn)八木天線寬頻化和多頻化的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)均投入了大量精力，取得了一系列具有重要價(jià)值的研究成果。國(guó)外方面，早期就有眾多學(xué)者針對(duì)準(zhǔn)八木天線的頻帶拓展展開深入研究。加州大學(xué)洛杉磯分校的T.Itoh教授團(tuán)隊(duì)在準(zhǔn)八木天線研究中具有開創(chuàng)性，他們提出的平面結(jié)構(gòu)準(zhǔn)八木天線，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。在寬頻化方面，Y.Kou等學(xué)者提出利用微帶魔T的概念進(jìn)行饋電，借鑒微帶天線中軟振子饋電方式，有效拓展了天線的工作帶寬。Estrada采用電磁帶隙（ElectromagneticBandGap，EBG）結(jié)構(gòu)作為襯底，利用其多諧振特性，使準(zhǔn)八木天線的相對(duì)帶寬達(dá)到53%，顯著提升了天線的寬頻性能。在多頻化研究上，F(xiàn).Fertas提出了一種由多條帶準(zhǔn)八木元件和共面波導(dǎo)到共面饋線組成的準(zhǔn)八木天線，該天線能夠工作在3.2、4.35和10.5GHz三個(gè)不同的頻段，通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多頻段工作，為多頻準(zhǔn)八木天線的設(shè)計(jì)提供了新思路。國(guó)內(nèi)在準(zhǔn)八木天線寬頻化和多頻化研究方面也成果豐碩。北京理工大學(xué)的科研小組采用類似微帶天線中的附加貼片技術(shù)，使準(zhǔn)八木天線得到了跨越S~C（2.8-5.2GHz）的優(yōu)化結(jié)果，有效拓寬了天線的工作頻段，提升了其在不同通信頻段的適用性。黃楷程、卞立安等人針對(duì)艦載無線通信設(shè)備的特殊需求，提出一種跨波段頻率可重構(gòu)的微帶準(zhǔn)八木天線。通過在準(zhǔn)八木天線上加載PIN二極管，控制二極管的通斷，實(shí)現(xiàn)了多波段的多模式切換；同時(shí)附著雪花式開口諧振環(huán)（SRR），保證了天線具有2個(gè)穩(wěn)定的頻率諧振點(diǎn)以及穩(wěn)定的輻射方位角。該天線實(shí)現(xiàn)了C波段（5.77-7.10GHz，7.40-7.56GHz）和X波段（8.33-8.64GHz，8.76-9.27GHz）內(nèi)的頻率可重構(gòu)，為艦船通信系統(tǒng)中天線的多頻化和功能重構(gòu)提供了有效的解決方案。當(dāng)前研究熱點(diǎn)主要集中在通過新型材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)八木天線的寬頻化和多頻化。如對(duì)超材料的研究，利用超材料獨(dú)特的電磁特性，有望進(jìn)一步拓展天線的帶寬和實(shí)現(xiàn)更多頻段的工作。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，不斷探索更加緊湊、高效的天線結(jié)構(gòu)，以滿足現(xiàn)代通信設(shè)備小型化、集成化的需求。同時(shí)，結(jié)合智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天線頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，也是研究的重點(diǎn)方向之一。然而，當(dāng)前研究仍存在一些不足之處。一方面，在實(shí)現(xiàn)寬頻化和多頻化的過程中，天線的增益和輻射效率可能會(huì)受到一定影響，如何在拓展頻帶的同時(shí)保證天線的高增益和高效率，仍是亟待解決的問題。另一方面，部分多頻化設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了制作成本和工藝難度，不利于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。此外，對(duì)于寬頻和多頻準(zhǔn)八木天線在復(fù)雜電磁環(huán)境下的性能穩(wěn)定性研究還不夠深入，如何提高其抗干擾能力和適應(yīng)性，也是未來研究需要關(guān)注的重點(diǎn)。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)本研究綜合運(yùn)用理論分析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等多種研究方法，全面深入地對(duì)準(zhǔn)八木天線的寬頻化和多頻化進(jìn)行探索。在理論分析方面，深入研究準(zhǔn)八木天線的工作原理，包括天線的輻射機(jī)制、電流分布以及阻抗特性等基本理論。基于傳輸線理論和天線輻射原理，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，分析天線各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響，如振子長(zhǎng)度、間距、寬度等參數(shù)與天線諧振頻率、帶寬、增益之間的關(guān)系。通過理論推導(dǎo)，為天線的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)方向，明確實(shí)現(xiàn)寬頻化和多頻化的可能途徑和理論限制。仿真模擬是本研究的重要手段。利用專業(yè)的電磁仿真軟件，如ANSYSHFSS、CSTMicrowaveStudio等，對(duì)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)八木天線進(jìn)行三維建模和仿真分析。在仿真過程中，精確設(shè)置天線的材料參數(shù)、幾何尺寸以及邊界條件等，模擬天線在不同頻率下的電磁特性。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，如S參數(shù)（反射系數(shù)、傳輸系數(shù)）、輻射方向圖、增益等參數(shù)的研究，直觀地了解天線的性能表現(xiàn)。根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，如改變振子的形狀、添加寄生元件、調(diào)整饋電方式等，以實(shí)現(xiàn)天線的寬頻化和多頻化目標(biāo)，同時(shí)提高天線的增益和輻射效率，減少副瓣電平。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是檢驗(yàn)研究成果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)仿真優(yōu)化后的天線設(shè)計(jì)方案，采用印刷電路板（PCB）制作工藝，制作出準(zhǔn)八木天線實(shí)物。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的輸入阻抗、回波損耗等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，使用微波暗室對(duì)天線的輻射方向圖、增益等輻射特性進(jìn)行測(cè)試。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論模型和仿真方法的準(zhǔn)確性和可靠性。針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)之間的差異，深入分析原因，進(jìn)一步優(yōu)化天線設(shè)計(jì)和制作工藝，確保天線性能滿足設(shè)計(jì)要求。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是提出了一種新型的準(zhǔn)八木天線結(jié)構(gòu)，通過獨(dú)特的振子設(shè)計(jì)和寄生元件的合理布局，實(shí)現(xiàn)了天線的寬頻化和多頻化。該結(jié)構(gòu)在拓展天線工作帶寬的同時(shí)，能夠有效提高天線在多個(gè)頻段的增益和輻射效率，解決了傳統(tǒng)準(zhǔn)八木天線在寬頻和多頻工作時(shí)增益和效率下降的問題。二是引入了智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)八木天線頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整。通過在天線上加載變?nèi)荻O管、PIN二極管等可控元件，利用外部控制信號(hào)改變?cè)膮?shù)，從而實(shí)現(xiàn)天線諧振頻率的動(dòng)態(tài)變化，使天線能夠根據(jù)通信系統(tǒng)的需求實(shí)時(shí)調(diào)整工作頻率，提高了天線的適應(yīng)性和靈活性。三是采用了多物理場(chǎng)協(xié)同優(yōu)化的方法，綜合考慮電磁、熱、力學(xué)等多物理場(chǎng)因素對(duì)天線性能的影響。在天線設(shè)計(jì)過程中，不僅優(yōu)化天線的電磁性能，還考慮天線在實(shí)際工作環(huán)境中的熱效應(yīng)和力學(xué)性能，確保天線在復(fù)雜環(huán)境下能夠穩(wěn)定可靠地工作，提高了天線的工程實(shí)用性。二、準(zhǔn)八木天線基礎(chǔ)理論2.1準(zhǔn)八木天線結(jié)構(gòu)與工作原理2.1.1基本結(jié)構(gòu)組成準(zhǔn)八木天線的基本結(jié)構(gòu)主要由反射器、有源振子和引向器構(gòu)成，各部分結(jié)構(gòu)緊密協(xié)作，共同決定了天線的性能表現(xiàn)。反射器通常位于有源振子的后方，其長(zhǎng)度一般略長(zhǎng)于工作波長(zhǎng)的一半。在常見的設(shè)計(jì)中，反射器長(zhǎng)度約為工作波長(zhǎng)的0.5-0.55倍。以工作頻率為2.4GHz的準(zhǔn)八木天線為例，根據(jù)波長(zhǎng)計(jì)算公式\lambda=c/f（其中c為光速，f為頻率），可得波長(zhǎng)約為125mm，此時(shí)反射器長(zhǎng)度大致在62.5-68.75mm范圍內(nèi)。反射器一般采用金屬材料制作，常見的有銅、鋁等，因其具有良好的導(dǎo)電性，能夠有效地反射電磁波。它的主要作用是將有源振子向后方輻射的電磁波反射回前方，從而增強(qiáng)天線在前方的輻射強(qiáng)度，減少后方輻射，提高天線的前后比，增強(qiáng)天線的方向性。有源振子是準(zhǔn)八木天線中與饋電系統(tǒng)直接相連的部分，是天線的核心部件，負(fù)責(zé)將饋線傳來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波輻射出去，或者將接收到的電磁波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給饋線。其長(zhǎng)度通常接近工作波長(zhǎng)的一半，約為0.47-0.5倍工作波長(zhǎng)。在上述2.4GHz的例子中，有源振子長(zhǎng)度大約為58.75-62.5mm。有源振子的形狀多種多樣，常見的有半波振子、折合振子等。半波振子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，是較為基礎(chǔ)的有源振子形式；折合振子則具有較高的輸入阻抗，在一些需要高阻抗匹配的場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。引向器位于有源振子的前方，其數(shù)量可以根據(jù)天線的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行調(diào)整，一般為多個(gè)。引向器的長(zhǎng)度通常略短于工作波長(zhǎng)的一半，隨著引向器數(shù)量的增加，天線的增益會(huì)相應(yīng)提高，但同時(shí)天線的帶寬會(huì)變窄，尺寸也會(huì)增大。引向器的長(zhǎng)度和間距對(duì)天線性能有顯著影響，引向器長(zhǎng)度一般在0.41-0.46倍工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)，相鄰引向器之間的間距通常在0.1-0.4倍工作波長(zhǎng)之間。如在一個(gè)設(shè)計(jì)中，引向器長(zhǎng)度可能為51.25-57.5mm，間距在12.5-50mm之間。引向器的作用是引導(dǎo)電磁波的輻射方向，使電磁波更集中地向前方輻射，從而提高天線的增益和方向性。除了上述主要結(jié)構(gòu)外，準(zhǔn)八木天線還可能包括一些輔助結(jié)構(gòu)，如饋電網(wǎng)絡(luò)、支撐結(jié)構(gòu)等。饋電網(wǎng)絡(luò)用于將信號(hào)源的能量有效地傳輸?shù)接性凑褡由希瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，減少信號(hào)反射，提高傳輸效率；支撐結(jié)構(gòu)則用于固定反射器、有源振子和引向器，保證它們之間的相對(duì)位置和角度準(zhǔn)確，確保天線性能的穩(wěn)定性。2.1.2工作原理剖析準(zhǔn)八木天線的工作原理基于電磁波的輻射和相互作用理論，通過反射器、有源振子和引向器的協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效發(fā)射與接收。在發(fā)射模式下，信號(hào)源將電信號(hào)通過饋電網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接性凑褡由?。有源振子在電信?hào)的激勵(lì)下產(chǎn)生交變電流，根據(jù)麥克斯韋方程組，交變電流會(huì)在其周圍空間產(chǎn)生交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，從而向外輻射電磁波。由于有源振子的長(zhǎng)度接近半個(gè)波長(zhǎng)，在諧振狀態(tài)下，其輻射的電磁波具有特定的方向性和強(qiáng)度分布。此時(shí)，反射器和引向器雖未直接連接信號(hào)源，但它們會(huì)受到有源振子輻射電磁波的感應(yīng)。反射器由于長(zhǎng)度略長(zhǎng)于半個(gè)波長(zhǎng)，呈現(xiàn)出感性特性，在有源振子輻射電磁波的作用下，反射器上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流又會(huì)產(chǎn)生二次輻射。反射器二次輻射的電磁波與有源振子直接輻射的電磁波在空間中相互干涉，在有源振子后方，兩者相位相反，相互抵消，從而減少了后方的輻射能量；在有源振子前方，兩者相位相同，相互疊加，增強(qiáng)了前方的輻射強(qiáng)度。引向器長(zhǎng)度略短于半個(gè)波長(zhǎng)，呈容性特性，同樣在有源振子輻射電磁波的感應(yīng)下產(chǎn)生感應(yīng)電流和二次輻射。引向器二次輻射的電磁波在有源振子前方與有源振子直接輻射的電磁波同相疊加，進(jìn)一步增強(qiáng)了前方的輻射能量，使電磁波更加集中地向前方輻射，提高了天線的增益和方向性。在接收模式下，過程與發(fā)射模式相反。當(dāng)空間中的電磁波傳播到準(zhǔn)八木天線時(shí)，首先被引向器感應(yīng)。引向器對(duì)感應(yīng)信號(hào)呈容性，電流超前電壓90°，引向器感應(yīng)的電磁波向有源振子輻射，輻射信號(hào)經(jīng)過一定路程滯后于從空中直接到達(dá)有源振子的信號(hào)90°，恰好抵消了前面引起的“超前”，兩者相位相同，信號(hào)疊加，增強(qiáng)了有源振子接收到的信號(hào)強(qiáng)度。反射器對(duì)從后方傳來的電磁波產(chǎn)生感應(yīng)電流和二次輻射，其二次輻射的電磁波與從后方直接到達(dá)有源振子的電磁波相位相反，相互抵消，減少了后方干擾信號(hào)對(duì)有源振子的影響。這樣，有源振子能夠更有效地接收來自前方的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)通過饋電網(wǎng)絡(luò)傳輸給接收設(shè)備。準(zhǔn)八木天線通過各部分結(jié)構(gòu)在電性能和空間位置上的巧妙設(shè)計(jì)與協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)在特定方向上的高效發(fā)射和接收，滿足了無線通信等領(lǐng)域?qū)μ炀€高增益和定向性的要求。2.2性能參數(shù)指標(biāo)2.2.1增益增益是衡量準(zhǔn)八木天線性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它直觀地反映了天線將輸入功率集中輻射到特定方向的能力。從本質(zhì)上講，增益描述的是在相同的輸入功率條件下，準(zhǔn)八木天線在某一方向上產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度與理想全向輻射器（在所有方向上均勻輻射能量的假想天線）在同一方向上產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度之比。增益通常用分貝（dB）來表示，例如，一款增益為10dB的準(zhǔn)八木天線，意味著它在特定方向上的輻射強(qiáng)度是理想全向輻射器的10倍。在實(shí)際應(yīng)用中，增益對(duì)于準(zhǔn)八木天線的信號(hào)傳輸效果起著至關(guān)重要的作用。以無線通信系統(tǒng)為例，基站通常需要將信號(hào)傳輸?shù)捷^遠(yuǎn)的距離，高增益的準(zhǔn)八木天線能夠?qū)⑿盘?hào)能量集中在特定的方向上發(fā)射出去，從而有效地增加信號(hào)的傳輸距離。在城市環(huán)境中，信號(hào)需要穿透建筑物等障礙物，高增益天線可以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，提高信號(hào)穿透能力，減少信號(hào)的衰減和干擾，確保移動(dòng)終端能夠接收到穩(wěn)定、清晰的信號(hào)。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，衛(wèi)星與地面站之間的距離遙遠(yuǎn)，信號(hào)在傳輸過程中會(huì)受到很大的衰減，高增益的準(zhǔn)八木天線能夠提高衛(wèi)星信號(hào)的接收靈敏度，保證衛(wèi)星與地面站之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸。增益還與天線的方向性密切相關(guān)。一般來說，準(zhǔn)八木天線的增益越高，其方向性就越強(qiáng)，即信號(hào)在特定方向上的輻射更加集中，而在其他方向上的輻射則相對(duì)較弱。這使得準(zhǔn)八木天線在需要定向通信的場(chǎng)景中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線通信鏈路，通過調(diào)整天線的方向，可以使信號(hào)在目標(biāo)方向上獲得最大的增益，從而提高通信質(zhì)量和效率。然而，需要注意的是，增益的提高并非無限制的。在增加天線增益的同時(shí)，往往會(huì)伴隨著其他性能指標(biāo)的變化，如帶寬變窄、波束寬度變窄等。增加引向器的數(shù)量可以提高準(zhǔn)八木天線的增益，但過多的引向器會(huì)使天線的尺寸增大，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致帶寬變窄，使得天線對(duì)頻率的適應(yīng)性降低。在設(shè)計(jì)和應(yīng)用準(zhǔn)八木天線時(shí)，需要綜合考慮增益與其他性能指標(biāo)之間的平衡，根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足實(shí)際通信系統(tǒng)的要求。2.2.2帶寬帶寬是描述準(zhǔn)八木天線工作頻率范圍的重要參數(shù)，它定義為天線能夠滿足一定性能指標(biāo)（如回波損耗小于某一特定值，通常為-10dB）的頻率區(qū)間。例如，一款準(zhǔn)八木天線的工作頻率范圍是2.4-2.5GHz，那么它的帶寬就是100MHz。帶寬對(duì)于準(zhǔn)八木天線在不同通信系統(tǒng)中的適用性具有決定性影響。在現(xiàn)代通信技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，多種通信標(biāo)準(zhǔn)和頻段同時(shí)存在。從早期的2G通信系統(tǒng)，如GSM（900MHz和1800MHz頻段），到3G（如WCDMA在2100MHz頻段）、4G（LTE頻段范圍較廣，包括1880-2635MHz等多個(gè)頻段）以及當(dāng)前正在大力發(fā)展的5G（涵蓋了多個(gè)頻段，如n78頻段為3300-3600MHz），不同的通信系統(tǒng)工作在不同的頻率上。寬頻帶的準(zhǔn)八木天線能夠覆蓋多個(gè)通信頻段，使得一個(gè)天線可以同時(shí)滿足多種通信系統(tǒng)的需求。在智能手機(jī)中，集成寬頻帶準(zhǔn)八木天線后，手機(jī)可以在不同的通信網(wǎng)絡(luò)之間無縫切換，無需為每個(gè)頻段單獨(dú)配置天線，大大簡(jiǎn)化了手機(jī)的天線設(shè)計(jì)，降低了成本，同時(shí)也提高了手機(jī)的通信性能和兼容性。帶寬還與天線的信號(hào)傳輸質(zhì)量密切相關(guān)。在信號(hào)傳輸過程中，信號(hào)往往包含多個(gè)頻率成分，如果天線的帶寬過窄，就可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的部分頻率成分無法正常傳輸，從而引起信號(hào)失真。在傳輸高速數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，信號(hào)的頻譜較寬，如果天線帶寬不足，就會(huì)使信號(hào)的高頻分量被濾除，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，影響通信質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)八木天線的寬頻化，研究人員采用了多種技術(shù)手段。通過改變天線的結(jié)構(gòu)，如采用漸變結(jié)構(gòu)、加載寄生元件等，可以拓展天線的帶寬。利用電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)，其具有抑制特定頻率電磁波傳播的特性，將EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用于準(zhǔn)八木天線的設(shè)計(jì)中，可以有效地拓展天線的帶寬，同時(shí)還能改善天線的輻射特性。此外，優(yōu)化饋電網(wǎng)絡(luò)也是實(shí)現(xiàn)寬頻化的重要方法之一，通過采用合適的饋電方式，如微帶線饋電、共面波導(dǎo)饋電等，并合理設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，可以提高天線的阻抗匹配性能，從而拓展天線的帶寬。2.2.3方向性方向性是準(zhǔn)八木天線的重要特性，它指的是天線在空間不同方向上輻射或接收電磁波能力的差異。準(zhǔn)八木天線通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括反射器、有源振子和引向器的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的方向性。在輻射電磁波時(shí)，準(zhǔn)八木天線的能量主要集中在特定的方向上，這個(gè)方向通常是引向器所指向的方向，被稱為主瓣方向。而在其他方向上，輻射能量相對(duì)較弱，這些方向被稱為旁瓣和后瓣方向。主瓣方向的輻射能量集中程度越高，天線的方向性就越強(qiáng)。例如，在電視信號(hào)接收中，將準(zhǔn)八木天線的主瓣方向?qū)?zhǔn)電視臺(tái)發(fā)射塔的方向，能夠有效地接收電視信號(hào)，減少其他方向干擾信號(hào)的影響，提高信號(hào)的接收質(zhì)量。在雷達(dá)探測(cè)中，準(zhǔn)八木天線的強(qiáng)方向性使得雷達(dá)能夠更準(zhǔn)確地探測(cè)目標(biāo)的方位，通過掃描主瓣方向，可以快速定位目標(biāo)的位置。方向性對(duì)于準(zhǔn)八木天線的抗干擾能力有著顯著影響。由于準(zhǔn)八木天線在主瓣方向上具有較高的增益，而在其他方向上增益較低，因此它能夠有效地抑制來自非主瓣方向的干擾信號(hào)。在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，存在著各種來源的干擾信號(hào)，如其他通信設(shè)備的輻射、工業(yè)干擾等。準(zhǔn)八木天線通過其方向性特性，只接收來自主瓣方向的有用信號(hào)，而對(duì)來自其他方向的干擾信號(hào)具有較強(qiáng)的抑制作用，從而提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。天線的方向性還與波束寬度密切相關(guān)。波束寬度是指在主瓣方向上，輻射強(qiáng)度下降到最大值一半（即-3dB）時(shí)所對(duì)應(yīng)的角度范圍，包括水平波束寬度和垂直波束寬度。波束寬度越窄，天線的方向性就越強(qiáng)，信號(hào)在主瓣方向上的輻射就越集中。然而，波束寬度過窄也會(huì)帶來一些問題，如在移動(dòng)目標(biāo)通信中，由于目標(biāo)的位置和方向可能不斷變化，過窄的波束寬度可能導(dǎo)致信號(hào)丟失。在設(shè)計(jì)準(zhǔn)八木天線時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景，合理調(diào)整天線的方向性和波束寬度，以平衡信號(hào)的集中輻射和覆蓋范圍，滿足實(shí)際通信需求。三、準(zhǔn)八木天線寬頻化技術(shù)3.1寬頻化的重要性在當(dāng)今飛速發(fā)展的現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，頻譜資源愈發(fā)緊張，通信需求日益多樣化和復(fù)雜化，對(duì)天線的性能提出了前所未有的高要求，其中寬頻化成為了關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一。從通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)來看，隨著移動(dòng)通信從4G向5G甚至未來6G的演進(jìn)，通信頻段不斷拓展。5G通信不僅涵蓋了3GHz-6GHz的中頻段，還引入了24.25GHz-52.6GHz的毫米波頻段。不同的通信頻段承擔(dān)著不同的通信任務(wù)，中頻段用于實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋和基本的數(shù)據(jù)傳輸，毫米波頻段則憑借其大帶寬的優(yōu)勢(shì)，支持高速率、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，滿足如高清視頻直播、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等對(duì)數(shù)據(jù)傳輸要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景。傳統(tǒng)的窄帶準(zhǔn)八木天線無法覆蓋如此廣泛的頻段，難以滿足5G及未來通信系統(tǒng)的需求。寬頻化的準(zhǔn)八木天線能夠在多個(gè)頻段上工作，使得通信設(shè)備可以在不同頻段之間靈活切換，根據(jù)實(shí)際通信需求選擇最合適的頻段進(jìn)行通信，從而提高通信系統(tǒng)的適應(yīng)性和可靠性。在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域，大量的智能設(shè)備需要接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這些設(shè)備包括智能家居設(shè)備、工業(yè)傳感器、智能穿戴設(shè)備等，它們分布廣泛，通信需求各異，且往往工作在不同的頻段。智能家居設(shè)備可能工作在2.4GHz的ISM頻段，用于實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部的無線通信；工業(yè)傳感器則可能需要在其他特定頻段上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以滿足工業(yè)環(huán)境下的通信要求。如果每個(gè)設(shè)備都配備專門的窄帶天線，不僅會(huì)增加設(shè)備的成本和復(fù)雜度，還會(huì)導(dǎo)致頻譜資源的浪費(fèi)。寬頻化的準(zhǔn)八木天線可以集成在一個(gè)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)多頻段通信，減少設(shè)備的天線數(shù)量，降低成本，同時(shí)提高頻譜利用率，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。在通信偵察和電子對(duì)抗等軍事領(lǐng)域，寬頻化的準(zhǔn)八木天線也具有至關(guān)重要的作用。通信偵察需要對(duì)敵方的通信信號(hào)進(jìn)行全方位、全頻段的監(jiān)測(cè)和分析，以獲取情報(bào)信息。電子對(duì)抗則要求天線能夠在不同頻段上工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方通信信號(hào)的干擾和壓制。寬頻化的準(zhǔn)八木天線能夠快速掃描和覆蓋多個(gè)頻段，及時(shí)捕捉和處理不同頻率的信號(hào)，為軍事行動(dòng)提供有力的支持。在戰(zhàn)場(chǎng)上，敵方的通信頻率可能隨時(shí)變化，寬頻天線可以迅速調(diào)整工作頻率，對(duì)敵方通信進(jìn)行有效偵察和干擾，從而在電子戰(zhàn)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。從頻譜資源的有效利用角度來看，寬頻化的準(zhǔn)八木天線能夠充分利用不同頻段的頻譜資源，提高頻譜利用率。傳統(tǒng)的窄帶天線只能在特定的頻段內(nèi)工作，導(dǎo)致其他頻段的頻譜資源閑置浪費(fèi)。而寬頻天線可以在多個(gè)頻段上同時(shí)工作，將不同頻段的頻譜資源整合利用，避免了頻譜的碎片化，提高了頻譜的使用效率。這對(duì)于緩解當(dāng)前頻譜資源緊張的局面具有重要意義，能夠?yàn)楦嗟耐ㄐ艠I(yè)務(wù)提供頻譜支持，推動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展。準(zhǔn)八木天線的寬頻化是現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)展的必然需求，它對(duì)于提高通信系統(tǒng)的性能、降低成本、促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展以及滿足軍事應(yīng)用等方面都具有不可替代的重要意義，是當(dāng)前天線研究領(lǐng)域的關(guān)鍵方向之一。3.2現(xiàn)有寬頻化方法3.2.1附加貼片技術(shù)附加貼片技術(shù)是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)八木天線寬頻化的一種有效途徑，該技術(shù)通過在傳統(tǒng)準(zhǔn)八木天線的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上添加特定形狀和尺寸的貼片，利用貼片與原有天線結(jié)構(gòu)之間的電磁耦合效應(yīng)，拓展天線的工作帶寬。北京理工大學(xué)的科研小組在這方面進(jìn)行了深入研究，并取得了顯著成果。他們?cè)谘芯恐胁捎妙愃莆炀€中的附加貼片技術(shù)，在準(zhǔn)八木天線的有源振子附近添加了合適的貼片。這些貼片的形狀經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，通常為矩形、圓形或其他規(guī)則形狀，其尺寸與天線的工作波長(zhǎng)密切相關(guān)。通過調(diào)整貼片的長(zhǎng)度、寬度以及與有源振子之間的間距等參數(shù)，改變了天線的電流分布和阻抗特性。在S-C波段（2.8-5.2GHz）的實(shí)驗(yàn)中，貼片的加入使得天線在不同頻率下能夠產(chǎn)生多個(gè)諧振點(diǎn)。當(dāng)信號(hào)頻率變化時(shí)，貼片與有源振子之間的電磁耦合作用也隨之改變，從而激發(fā)不同的電流分布模式，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)頻段的諧振，使天線的帶寬得到有效拓展，實(shí)現(xiàn)了跨越S-C波段的優(yōu)化結(jié)果。這種附加貼片技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一方面，它不需要對(duì)傳統(tǒng)準(zhǔn)八木天線的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅度改動(dòng)，僅通過添加貼片就能實(shí)現(xiàn)帶寬拓展，制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低；另一方面，通過合理設(shè)計(jì)貼片參數(shù)，可以靈活地調(diào)整天線的帶寬和諧振頻率，滿足不同通信系統(tǒng)的需求。然而，該技術(shù)也存在一定的局限性。例如，貼片的添加可能會(huì)對(duì)天線的輻射方向圖產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致副瓣電平升高，需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行精細(xì)調(diào)整和優(yōu)化，以平衡帶寬拓展與輻射性能之間的關(guān)系。3.2.2微帶魔T饋電技術(shù)微帶魔T饋電技術(shù)是基于微帶線結(jié)構(gòu)和魔T網(wǎng)絡(luò)原理發(fā)展而來的一種饋電方式，在準(zhǔn)八木天線的寬頻化設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。魔T網(wǎng)絡(luò)是一種具有特殊功能的微波網(wǎng)絡(luò)，它由四個(gè)端口組成，分別為兩個(gè)輸入端口、一個(gè)輸出端口和一個(gè)隔離端口。其工作原理基于微波信號(hào)在微帶線中的傳輸和分配特性，當(dāng)信號(hào)從其中一個(gè)輸入端口輸入時(shí)，會(huì)在魔T網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行功率分配和相位調(diào)整。在準(zhǔn)八木天線中應(yīng)用微帶魔T饋電技術(shù)時(shí)，魔T網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)輸入端口分別連接到不同的信號(hào)源或者不同的饋電支路。通過合理設(shè)計(jì)魔T網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使得輸入到兩個(gè)端口的信號(hào)在輸出端口實(shí)現(xiàn)特定的相位和幅度關(guān)系。這種關(guān)系能夠改變準(zhǔn)八木天線有源振子的激勵(lì)方式，使天線在更寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的阻抗匹配。傳統(tǒng)的準(zhǔn)八木天線在單一饋電方式下，其阻抗匹配往往只在較窄的頻段內(nèi)滿足要求，而微帶魔T饋電技術(shù)通過調(diào)整信號(hào)的相位和幅度，能夠在多個(gè)頻率點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，從而拓寬了天線的工作帶寬。以某一應(yīng)用微帶魔T饋電技術(shù)的準(zhǔn)八木天線設(shè)計(jì)為例，在仿真分析中，當(dāng)工作頻率在2-4GHz范圍內(nèi)變化時(shí)，通過魔T網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)的處理，天線的輸入阻抗在該頻段內(nèi)能夠較好地匹配50Ω的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，回波損耗保持在較低水平，實(shí)現(xiàn)了較寬的工作帶寬。微帶魔T饋電技術(shù)還具有易于集成、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，適合與微帶準(zhǔn)八木天線的平面結(jié)構(gòu)相結(jié)合，便于在現(xiàn)代通信設(shè)備中應(yīng)用。然而，該技術(shù)對(duì)魔T網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和制作精度要求較高，一旦網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)分配不均、隔離度下降等問題，影響天線的整體性能。3.2.3電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)襯底技術(shù)電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)襯底技術(shù)是利用EBG結(jié)構(gòu)獨(dú)特的電磁特性來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)八木天線寬頻化的一種先進(jìn)技術(shù)。EBG結(jié)構(gòu)是一種具有周期性排列的人工電磁材料結(jié)構(gòu)，其基本單元可以是金屬貼片、介質(zhì)柱等，通過在空間中按照一定的周期和規(guī)則排列這些基本單元，形成了具有特殊電磁性質(zhì)的結(jié)構(gòu)。EBG結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特性在于其具有電磁帶隙特性，即在某些特定的頻率范圍內(nèi)，電磁波無法在該結(jié)構(gòu)中傳播，形成了類似于電子能帶結(jié)構(gòu)中的禁帶。當(dāng)EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用于準(zhǔn)八木天線的襯底時(shí)，利用其多諧振特性來展寬帶寬。EBG結(jié)構(gòu)中的周期性單元在不同頻率下會(huì)產(chǎn)生多個(gè)諧振點(diǎn)，這些諧振點(diǎn)與準(zhǔn)八木天線本身的諧振相互作用。在某些頻率下，EBG結(jié)構(gòu)的諧振能夠補(bǔ)償天線的阻抗失配，使得天線在更寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的阻抗匹配，從而拓展了天線的帶寬。有研究采用EBG結(jié)構(gòu)作為準(zhǔn)八木天線的襯底，通過優(yōu)化EBG結(jié)構(gòu)的周期、單元尺寸等參數(shù)，使準(zhǔn)八木天線的相對(duì)帶寬達(dá)到了53%。這種技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，不僅能夠有效地展寬帶寬，還能改善天線的輻射特性，如降低副瓣電平、提高前后比等。EBG結(jié)構(gòu)還可以抑制天線表面波的傳播，減少能量損耗，提高天線的輻射效率。然而，EBG結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析較為復(fù)雜，需要借助先進(jìn)的電磁仿真軟件進(jìn)行精確計(jì)算和優(yōu)化，而且EBG結(jié)構(gòu)的制作工藝要求較高，可能會(huì)增加天線的制作成本和難度。3.3寬頻化面臨的挑戰(zhàn)3.3.1結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增加當(dāng)采用多種寬頻化方法時(shí)，準(zhǔn)八木天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度會(huì)顯著上升，這給天線的設(shè)計(jì)與制造帶來了諸多難題。以附加貼片技術(shù)與電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)襯底技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)為例，在這種設(shè)計(jì)中，不僅要在傳統(tǒng)準(zhǔn)八木天線的有源振子附近精確地添加特定形狀和尺寸的貼片，還需在襯底部分精心設(shè)計(jì)和制作具有周期性排列的EBG結(jié)構(gòu)。貼片的形狀可能涉及多種幾何形狀的組合，其尺寸的微小變化都會(huì)對(duì)天線的性能產(chǎn)生顯著影響，需要進(jìn)行大量的理論計(jì)算和仿真分析來確定最佳參數(shù)。而EBG結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，其基本單元的形狀、尺寸、周期以及排列方式等都需要精確設(shè)計(jì)，不同的設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)導(dǎo)致EBG結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的電磁特性，進(jìn)而影響天線的帶寬和輻射性能。在制造工藝方面，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)對(duì)制造精度提出了極高的要求。傳統(tǒng)的制造工藝在面對(duì)這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)往往難以滿足精度需求。例如，在制作EBG結(jié)構(gòu)時(shí)，其周期性單元的尺寸通常在毫米甚至微米量級(jí)，采用常規(guī)的印刷電路板（PCB）制作工藝，很難保證每個(gè)單元的尺寸一致性和位置精度，微小的偏差都可能導(dǎo)致EBG結(jié)構(gòu)的電磁性能發(fā)生變化，從而影響整個(gè)天線的寬頻特性。此外，復(fù)雜結(jié)構(gòu)還會(huì)增加制作過程中的工序和難度，如在添加貼片時(shí)，需要確保貼片與有源振子之間的電磁耦合效果良好，這就要求在焊接或粘貼貼片時(shí)，保證貼片與有源振子的相對(duì)位置準(zhǔn)確，并且接觸良好，否則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸不穩(wěn)定，影響天線的性能。結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加還會(huì)導(dǎo)致成本上升。一方面，復(fù)雜結(jié)構(gòu)需要使用更多的材料，包括特殊的介質(zhì)材料用于EBG結(jié)構(gòu)，以及高精度的金屬材料用于制作貼片和天線的其他部件，這會(huì)直接增加材料成本。另一方面，制造工藝的復(fù)雜性和高精度要求，需要使用更先進(jìn)的制造設(shè)備和技術(shù)，如光刻技術(shù)、電子束加工技術(shù)等，這些設(shè)備和技術(shù)的使用會(huì)大幅增加制造過程中的設(shè)備折舊成本和加工成本。復(fù)雜結(jié)構(gòu)還會(huì)增加制造過程中的廢品率，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)成本。3.3.2信號(hào)干擾問題在準(zhǔn)八木天線寬頻化過程中，不同頻率信號(hào)之間的相互干擾是一個(gè)嚴(yán)重影響天線性能的關(guān)鍵問題。隨著天線工作帶寬的拓展，其會(huì)同時(shí)接收和處理多個(gè)頻率的信號(hào)，這些信號(hào)在天線內(nèi)部傳輸和輻射過程中，可能會(huì)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生干擾。從天線的阻抗特性角度來看，在寬頻帶范圍內(nèi)，天線的輸入阻抗很難在所有頻率點(diǎn)上都保持良好的匹配狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)頻率變化時(shí)，天線的阻抗會(huì)發(fā)生波動(dòng)，導(dǎo)致信號(hào)反射。不同頻率的信號(hào)在天線輸入端的反射情況不同，這些反射信號(hào)可能會(huì)在天線內(nèi)部產(chǎn)生多次反射和干涉，從而形成干擾信號(hào)。當(dāng)一個(gè)頻率為f1的信號(hào)在天線輸入端由于阻抗不匹配發(fā)生反射，反射信號(hào)與另一個(gè)頻率為f2的入射信號(hào)在天線內(nèi)部相遇時(shí)，可能會(huì)發(fā)生混頻現(xiàn)象，產(chǎn)生新的頻率成分，這些新的頻率成分可能會(huì)干擾天線對(duì)原始信號(hào)的正常接收和處理。在信號(hào)輻射過程中，不同頻率信號(hào)的輻射方向圖也可能存在差異。由于準(zhǔn)八木天線的方向性設(shè)計(jì)是基于特定頻率范圍進(jìn)行優(yōu)化的，當(dāng)工作頻率范圍拓寬后，不同頻率信號(hào)的主瓣方向、副瓣電平以及波束寬度等輻射特性參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。這就可能導(dǎo)致不同頻率信號(hào)在空間中的輻射分布出現(xiàn)重疊和交叉，使得接收端接收到的信號(hào)中包含來自其他頻率信號(hào)的干擾成分。在一個(gè)寬頻帶準(zhǔn)八木天線用于無線通信系統(tǒng)時(shí)，可能會(huì)同時(shí)接收來自不同通信頻段的信號(hào)，如2.4GHz頻段的Wi-Fi信號(hào)和5GHz頻段的5G信號(hào)，如果天線對(duì)這兩個(gè)頻段信號(hào)的輻射方向圖設(shè)計(jì)不合理，就可能導(dǎo)致5GHz頻段信號(hào)的旁瓣輻射干擾到2.4GHz頻段信號(hào)的接收，降低通信質(zhì)量。信號(hào)干擾還可能引發(fā)互調(diào)干擾問題。當(dāng)多個(gè)不同頻率的強(qiáng)信號(hào)同時(shí)輸入到準(zhǔn)八木天線時(shí)，由于天線內(nèi)部的非線性特性，這些信號(hào)之間會(huì)發(fā)生相互調(diào)制，產(chǎn)生一系列新的頻率分量，即互調(diào)產(chǎn)物。這些互調(diào)產(chǎn)物如果落在天線的工作頻帶內(nèi)，就會(huì)對(duì)正常信號(hào)產(chǎn)生干擾。在通信基站中，多個(gè)不同頻段的發(fā)射機(jī)共用一個(gè)寬頻帶準(zhǔn)八木天線時(shí)，如果不采取有效的措施抑制互調(diào)干擾，互調(diào)產(chǎn)物可能會(huì)導(dǎo)致基站信號(hào)傳輸錯(cuò)誤，影響通信的可靠性。四、準(zhǔn)八木天線多頻化技術(shù)4.1多頻化的需求分析在現(xiàn)代通信技術(shù)不斷演進(jìn)的背景下，通信頻段呈現(xiàn)出多樣化和復(fù)雜化的趨勢(shì)，這使得準(zhǔn)八木天線的多頻化需求日益迫切。從移動(dòng)通信領(lǐng)域來看，不同代際的通信標(biāo)準(zhǔn)工作在不同的頻段上。2G通信系統(tǒng)中的GSM，其900MHz頻段主要用于農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)的覆蓋，1800MHz頻段則更多地應(yīng)用于城市地區(qū)，以滿足城市中密集的通信需求。3G通信系統(tǒng)如WCDMA，工作在2100MHz頻段，為用戶提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持如移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、視頻通話等業(yè)務(wù)。4GLTE則涵蓋了多個(gè)頻段，其中1880-2635MHz頻段被廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)傳輸，支持高清視頻播放、在線游戲等對(duì)帶寬要求較高的應(yīng)用。5G通信更是引入了多個(gè)頻段，中頻段3300-3600MHz用于實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋和基本的數(shù)據(jù)傳輸，毫米波頻段24.25GHz-52.6GHz憑借其大帶寬特性，支持高速率、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，滿足如自動(dòng)駕駛、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景。在這樣的多頻段通信環(huán)境下，單一頻段的準(zhǔn)八木天線無法滿足多種通信標(biāo)準(zhǔn)的需求。如果通信設(shè)備僅配備單一頻段的天線，就需要為不同的通信標(biāo)準(zhǔn)分別配置天線，這不僅增加了設(shè)備的復(fù)雜度和成本，還占用了更多的空間資源，同時(shí)也可能帶來不同天線之間的相互干擾問題，降低通信系統(tǒng)的整體性能。多頻化的準(zhǔn)八木天線能夠在多個(gè)頻段上工作，使得通信設(shè)備可以在不同的通信標(biāo)準(zhǔn)之間無縫切換，提高了設(shè)備的通用性和適應(yīng)性。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，多頻化的需求同樣顯著。衛(wèi)星通信需要與地面站在多個(gè)不同的頻段上進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)不同類型的數(shù)據(jù)傳輸。在氣象衛(wèi)星通信中，需要在C頻段（3.4-4.2GHz）傳輸氣象云圖等低分辨率數(shù)據(jù)，用于日常的氣象監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)；同時(shí)，需要在Ku頻段（12-18GHz）傳輸高分辨率的氣象圖像和數(shù)據(jù)，以滿足對(duì)氣象災(zāi)害的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和預(yù)警需求。此外，衛(wèi)星通信還需要在不同的頻段上與不同的地面站進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的覆蓋。多頻化的準(zhǔn)八木天線能夠滿足衛(wèi)星通信在多個(gè)頻段上的通信需求，提高了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的兼容性和靈活性。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的快速發(fā)展也對(duì)準(zhǔn)八木天線的多頻化提出了要求。物聯(lián)網(wǎng)中包含了大量的智能設(shè)備，這些設(shè)備分布廣泛，通信需求各異，且往往工作在不同的頻段。智能家居設(shè)備如智能攝像頭、智能音箱等，通常工作在2.4GHz的ISM頻段，用于實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部的無線通信；工業(yè)傳感器如溫度傳感器、壓力傳感器等，可能需要在其他特定頻段上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以滿足工業(yè)環(huán)境下的通信要求。如果每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都配備專門的單一頻段天線，不僅會(huì)增加設(shè)備的成本和復(fù)雜度，還會(huì)導(dǎo)致頻譜資源的浪費(fèi)。多頻化的準(zhǔn)八木天線可以集成在一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)多頻段通信，減少設(shè)備的天線數(shù)量，降低成本，同時(shí)提高頻譜利用率，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。在軍事通信領(lǐng)域，多頻化的準(zhǔn)八木天線具有重要的戰(zhàn)略意義。軍事通信需要在不同的頻段上進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)通信的保密性、抗干擾性和可靠性。在戰(zhàn)場(chǎng)上，敵方可能會(huì)對(duì)特定頻段進(jìn)行干擾，多頻化的天線可以通過切換頻段，避開干擾，確保通信的暢通。軍事通信還需要在不同的頻段上與不同的作戰(zhàn)單位進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)。多頻化的準(zhǔn)八木天線能夠滿足軍事通信在多個(gè)頻段上的需求，提高了軍事通信系統(tǒng)的性能和可靠性。準(zhǔn)八木天線的多頻化是現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它對(duì)于滿足不同通信場(chǎng)景的需求、提高通信系統(tǒng)的性能和兼容性、促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和軍事通信等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。4.2實(shí)現(xiàn)多頻化的途徑4.2.1加載PIN二極管實(shí)現(xiàn)模式切換加載PIN二極管實(shí)現(xiàn)模式切換是一種有效的準(zhǔn)八木天線多頻化方法，在艦載通信等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。以黃楷程、卞立安等人提出的艦載微帶準(zhǔn)八木天線為例，該天線針對(duì)艦載無線通信設(shè)備布局擁擠、干擾嚴(yán)重以及迫切需要天線功能重構(gòu)的現(xiàn)狀而設(shè)計(jì)。在這款微帶準(zhǔn)八木天線上加載了PIN二極管。PIN二極管是一種特殊的二極管，其在正向偏置時(shí)呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，近似于短路；在反向偏置時(shí)呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，近似于開路。通過控制PIN二極管的通斷，能夠改變天線的電流分布和電磁特性，從而實(shí)現(xiàn)多波段的多模式切換。當(dāng)PIN二極管導(dǎo)通時(shí)，天線的電流分布發(fā)生變化，等效電路參數(shù)改變，使得天線在某一頻段產(chǎn)生諧振，工作在該頻段；當(dāng)PIN二極管斷開時(shí)，天線的電流分布和等效電路參數(shù)再次改變，天線在另一個(gè)頻段產(chǎn)生諧振，實(shí)現(xiàn)頻段的切換。為了保證天線具有穩(wěn)定的頻率諧振點(diǎn)以及穩(wěn)定的輻射方位角，該天線還附著了雪花式開口諧振環(huán)（SRR）。SRR是一種具有特殊電磁特性的結(jié)構(gòu)，它能夠在特定頻率下產(chǎn)生電磁諧振，與天線的其他結(jié)構(gòu)相互作用，增強(qiáng)天線在特定頻段的諧振效果，從而保證了天線具有2個(gè)穩(wěn)定的頻率諧振點(diǎn)。通過這種方式，該天線實(shí)現(xiàn)了C波段（5.77-7.10GHz，7.40-7.56GHz）和X波段（8.33-8.64GHz，8.76-9.27GHz）內(nèi)的頻率可重構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，這種通過加載PIN二極管實(shí)現(xiàn)模式切換的多頻化準(zhǔn)八木天線，能夠根據(jù)艦載通信系統(tǒng)的需求，靈活地在不同頻段之間切換，提高了艦船系統(tǒng)頻譜的利用率，避免了多天線之間的耦合干擾。當(dāng)艦船需要與不同的通信對(duì)象進(jìn)行通信時(shí)，或者在不同的通信環(huán)境下，天線可以快速切換到合適的頻段，確保通信的穩(wěn)定和可靠。這種技術(shù)也為其他需要多頻化天線的應(yīng)用場(chǎng)景提供了重要的參考和借鑒，推動(dòng)了準(zhǔn)八木天線在多頻化領(lǐng)域的發(fā)展。4.2.2采用多條帶準(zhǔn)八木元件采用多條帶準(zhǔn)八木元件是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)八木天線多頻化的一種創(chuàng)新途徑，通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使天線能夠在多個(gè)不同的頻段上工作。F.Fertas提出的由多條帶準(zhǔn)八木元件和共面波導(dǎo)到共面饋線組成的準(zhǔn)八木天線，在這方面具有典型性。該天線的驅(qū)動(dòng)器采用基于經(jīng)典偶極子配置的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為天線的多頻段工作奠定了基礎(chǔ)。多條帶準(zhǔn)八木元件通過精心設(shè)計(jì)的幾何形狀和排列方式，與共面波導(dǎo)到共面饋線協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了在3.2、4.35和10.5GHz三個(gè)不同頻段的穩(wěn)定工作。在3.2GHz頻段，多條帶準(zhǔn)八木元件的特定尺寸和相互之間的電磁耦合效應(yīng)，使得天線在該頻率下產(chǎn)生諧振，形成穩(wěn)定的輻射模式；在4.35GHz頻段，元件的幾何參數(shù)和電磁特性發(fā)生變化，滿足了該頻率下的諧振條件，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的有效輻射；同樣，在10.5GHz頻段，通過對(duì)元件結(jié)構(gòu)和饋電方式的優(yōu)化，天線也能夠正常工作，輻射出符合要求的電磁波。共面波導(dǎo)到共面饋線的設(shè)計(jì)在其中起到了關(guān)鍵作用。共面波導(dǎo)具有良好的傳輸特性，能夠有效地將信號(hào)傳輸?shù)蕉鄺l帶準(zhǔn)八木元件上，同時(shí)保證信號(hào)在不同頻段的傳輸效率和質(zhì)量。通過合理設(shè)計(jì)共面波導(dǎo)的寬度、與元件的連接方式以及共面饋線的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了與多條帶準(zhǔn)八木元件在不同頻段的良好阻抗匹配，減少了信號(hào)反射和損耗，確保了天線在多個(gè)頻段上的高效工作。這種采用多條帶準(zhǔn)八木元件的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其多頻段特性，使其成為多波段應(yīng)用的理想選擇。在無線通信領(lǐng)域，它可以同時(shí)滿足多種通信標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)對(duì)不同頻段的需求。在一個(gè)通信設(shè)備中集成這種多頻準(zhǔn)八木天線，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同頻段信號(hào)的接收和發(fā)射，如在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，可同時(shí)與工作在不同頻段的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，提高了通信設(shè)備的通用性和適應(yīng)性，為多頻段通信系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的思路和解決方案。4.3多頻化面臨的問題4.3.1頻率間的相互影響在準(zhǔn)八木天線實(shí)現(xiàn)多頻化的過程中，不同頻率信號(hào)之間的相互影響是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題，其對(duì)天線性能的穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著的負(fù)面影響。當(dāng)準(zhǔn)八木天線工作在多個(gè)頻率時(shí)，不同頻率的信號(hào)在天線內(nèi)部的傳輸和輻射過程中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的相互作用。從天線的結(jié)構(gòu)角度來看，不同頻率的信號(hào)在天線的振子、饋電網(wǎng)絡(luò)等部件中傳播時(shí)，由于各部件對(duì)不同頻率信號(hào)的響應(yīng)特性不同，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的傳輸特性發(fā)生變化。在饋電網(wǎng)絡(luò)中，不同頻率信號(hào)的阻抗匹配情況可能存在差異，某些頻率的信號(hào)可能無法實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，從而產(chǎn)生信號(hào)反射。這些反射信號(hào)會(huì)與其他頻率的信號(hào)相互干涉，導(dǎo)致信號(hào)失真和干擾的產(chǎn)生。在信號(hào)輻射過程中，不同頻率信號(hào)的輻射方向圖也會(huì)相互影響。由于準(zhǔn)八木天線的輻射特性是基于特定頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)的，當(dāng)工作頻率增加時(shí)，不同頻率信號(hào)的主瓣方向、副瓣電平以及波束寬度等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。這就可能導(dǎo)致不同頻率信號(hào)的輻射方向出現(xiàn)重疊和交叉，使得接收端接收到的信號(hào)中包含來自其他頻率信號(hào)的干擾成分。在一個(gè)同時(shí)工作在2.4GHz和5GHz頻段的多頻準(zhǔn)八木天線中，2.4GHz信號(hào)的旁瓣輻射可能會(huì)干擾到5GHz信號(hào)的接收，從而降低通信質(zhì)量。這種頻率間的相互影響還可能引發(fā)互調(diào)干擾問題。當(dāng)多個(gè)不同頻率的強(qiáng)信號(hào)同時(shí)輸入到準(zhǔn)八木天線時(shí)，由于天線內(nèi)部的非線性特性，這些信號(hào)之間會(huì)發(fā)生相互調(diào)制，產(chǎn)生一系列新的頻率分量，即互調(diào)產(chǎn)物。這些互調(diào)產(chǎn)物如果落在天線的工作頻帶內(nèi)，就會(huì)對(duì)正常信號(hào)產(chǎn)生干擾。在通信基站中，多個(gè)不同頻段的發(fā)射機(jī)共用一個(gè)多頻準(zhǔn)八木天線時(shí)，如果不采取有效的措施抑制互調(diào)干擾，互調(diào)產(chǎn)物可能會(huì)導(dǎo)致基站信號(hào)傳輸錯(cuò)誤，影響通信的可靠性。4.3.2設(shè)計(jì)難度提升多頻化要求準(zhǔn)八木天線在多個(gè)不同的頻率下均能保持良好的性能，這無疑極大地增加了天線的設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜性。在傳統(tǒng)的單頻準(zhǔn)八木天線設(shè)計(jì)中，只需針對(duì)單一頻率對(duì)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如調(diào)整振子長(zhǎng)度、間距等參數(shù)，使天線在該頻率下實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配、高增益和穩(wěn)定的輻射方向圖。然而，當(dāng)設(shè)計(jì)多頻準(zhǔn)八木天線時(shí)，需要同時(shí)考慮多個(gè)頻率的需求，這使得設(shè)計(jì)過程變得異常復(fù)雜。從天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來看，不同頻率對(duì)天線振子的長(zhǎng)度、形狀和間距等參數(shù)有不同的要求。在某一頻率下，為了實(shí)現(xiàn)良好的輻射性能，振子長(zhǎng)度可能需要接近該頻率的半波長(zhǎng)；而在另一個(gè)頻率下，為了滿足不同的輻射特性，振子長(zhǎng)度可能需要進(jìn)行調(diào)整。要同時(shí)滿足多個(gè)頻率的要求，就需要在不同的設(shè)計(jì)參數(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡和折中。增加引向器的數(shù)量可以提高某一頻率下的天線增益，但可能會(huì)對(duì)其他頻率的帶寬和輻射方向圖產(chǎn)生負(fù)面影響。在設(shè)計(jì)多頻準(zhǔn)八木天線時(shí)，需要通過大量的理論計(jì)算和仿真分析，找到一組最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以滿足多個(gè)頻率下的性能要求，這需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。多頻化還對(duì)天線的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。饋電網(wǎng)絡(luò)需要能夠?qū)⒉煌l率的信號(hào)有效地傳輸?shù)教炀€的各個(gè)振子上，并且要保證在不同頻率下都能實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配。由于不同頻率信號(hào)的特性差異，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠適應(yīng)多個(gè)頻率的饋電網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。傳統(tǒng)的單頻饋電網(wǎng)絡(luò)無法滿足多頻化的需求，需要設(shè)計(jì)新型的多頻饋電網(wǎng)絡(luò)。采用多端口饋電技術(shù)，為不同頻率的信號(hào)分別提供獨(dú)立的饋電端口，但這會(huì)增加饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度和成本。還需要考慮不同饋電端口之間的隔離度，以避免不同頻率信號(hào)之間的相互干擾。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，還需要考慮天線的尺寸、成本、制作工藝等因素，進(jìn)一步增加了多頻準(zhǔn)八木天線的設(shè)計(jì)難度。五、案例分析5.1寬頻化準(zhǔn)八木天線案例5.1.1案例介紹本案例選取一款由深圳市吉興通科技有限公司研發(fā)的新型435-451MHZ寬頻高增益雙極化八木天線，該天線在無線通信領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，尤其是在寬頻化設(shè)計(jì)方面取得了顯著成果，為相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的解決方案。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，這款天線采用高性能鋁合金材質(zhì)，通過亞光焊將反向圓鋁棒振子和引向圓鋁棒振子焊接在集合振子圓管上，組合成堅(jiān)固的八木支架。這種焊接方式不僅保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還提高了天線的抗風(fēng)能力和防水抗氧能力，使其非常適用于海洋艦船以及風(fēng)大空曠的惡劣環(huán)境。天線的有源振子設(shè)計(jì)獨(dú)具匠心，兩根有源振子的饋電銅棒分別插入集合振子圓管內(nèi)，饋電銅棒芯一端通過螺紋與有源振子的一個(gè)四分之一波長(zhǎng)臂連接，并借助非金屬固定件固定牢靠且與集合振子圓管絕緣；另一端與接頭連接，并用螺釘固定在集合振子圓管上。有源振子的另一個(gè)四分之一波長(zhǎng)臂則用亞光焊直接焊接在集合振子圓管的對(duì)稱一邊上，通過這種巧妙的連接方式實(shí)現(xiàn)電磁波的耦合傳輸。該天線還具備雙極化特性，由水平極化振子和垂直極化振子組成。水平極化振子包含反向振子a1、有源振子a2和八根引向振子a3-a10；垂直極化振子包含反向振子b1、有源振子b2和七根引向振子b3-b9。雙極化八木天線支架由水平極化和垂直極化反向振子和引向振子相互正交焊接在集合振子圓管上構(gòu)成。兩個(gè)極化的反向振子和引向振子相互正交焊接，其中一個(gè)極化的有源振子位于另一個(gè)極化有源振子前面，且這個(gè)極化單元數(shù)比另一個(gè)極化單元數(shù)少一個(gè)單元，具體為有源振子在前的極化是9個(gè)單元，有源振子在后的極化是10個(gè)單元。在引向振子設(shè)計(jì)上，每個(gè)極化的引向振子中間都有一個(gè)引向振子的長(zhǎng)度比相鄰的前一個(gè)引向振子與相鄰后一個(gè)引向振子都要長(zhǎng)，這種設(shè)計(jì)能夠使電磁波在振子間來回輻射，相當(dāng)于加長(zhǎng)了八木天線的絕對(duì)長(zhǎng)度，相對(duì)于同等長(zhǎng)度天線，增益增加了1.5-2dBi。此外，兩根饋電銅棒芯各穿入兩個(gè)耐高溫絕緣子，將饋電銅棒芯固定在正中心，且兩個(gè)極化饋電銅棒芯長(zhǎng)短不同，都經(jīng)過多節(jié)阻抗變換組成，進(jìn)一步優(yōu)化了天線的性能。5.1.2性能分析從性能角度來看，這款435-451MHZ寬頻高增益雙極化八木天線具有多方面的優(yōu)勢(shì)。其最顯著的特點(diǎn)是覆蓋頻率范圍大，實(shí)現(xiàn)了寬頻化的效果，能夠在435-451MHZ頻段內(nèi)穩(wěn)定工作，滿足了該頻段內(nèi)多種通信業(yè)務(wù)對(duì)天線頻率覆蓋的需求。在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，不同的通信協(xié)議和應(yīng)用可能需要在相近但不完全相同的頻率上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該天線的寬頻特性使其能夠適應(yīng)多種通信場(chǎng)景，提高了通信設(shè)備的通用性和靈活性。在結(jié)構(gòu)方面，整體優(yōu)化設(shè)計(jì)使得天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，抗風(fēng)能力強(qiáng)。采用鋁合金材質(zhì)以及亞光焊焊接工藝，確保了天線在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性。在海洋環(huán)境中，艦船面臨著強(qiáng)風(fēng)、鹽霧等惡劣條件，該天線能夠可靠地工作，為艦船通信提供穩(wěn)定的信號(hào)支持。在山區(qū)等風(fēng)大空曠的地區(qū)，也能保證通信的正常進(jìn)行，減少因環(huán)境因素導(dǎo)致的信號(hào)中斷或不穩(wěn)定問題。該天線在信號(hào)傳輸性能上表現(xiàn)出色，傳輸速度快、抗干擾性強(qiáng)。其獨(dú)特的雙極化設(shè)計(jì)和振子結(jié)構(gòu)，有效地減少了信號(hào)干擾，提高了信號(hào)的傳輸質(zhì)量。在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如城市中存在大量通信設(shè)備和電磁干擾源的區(qū)域，該天線能夠準(zhǔn)確地接收和發(fā)射信號(hào)，保證通信的可靠性。多節(jié)阻抗變換的饋電銅棒芯設(shè)計(jì)，優(yōu)化了天線的阻抗匹配，減少了信號(hào)反射和損耗，提高了信號(hào)的傳輸效率，使得數(shù)據(jù)能夠快速、準(zhǔn)確地傳輸，滿足了現(xiàn)代通信對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆＿@款新型435-451MHZ寬頻高增益雙極化八木天線通過創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和合理的參數(shù)優(yōu)化，在寬頻化、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及信號(hào)傳輸性能等方面展現(xiàn)出卓越的性能，為無線通信領(lǐng)域提供了一種高性能的天線解決方案，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值。5.2多頻化準(zhǔn)八木天線案例5.2.1案例詳情本案例聚焦于一款針對(duì)艦載無線通信設(shè)備需求而精心設(shè)計(jì)的跨波段頻率可重構(gòu)的微帶準(zhǔn)八木天線，其由黃楷程、卞立安等人提出，在解決艦船通信面臨的復(fù)雜問題方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。這款天線的設(shè)計(jì)理念旨在應(yīng)對(duì)艦載無線通信設(shè)備布局擁擠、干擾嚴(yán)重以及迫切需要天線功能重構(gòu)的現(xiàn)狀。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，創(chuàng)新性地在準(zhǔn)八木天線上加載了PIN二極管。PIN二極管作為一種特殊的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)可通過外部控制信號(hào)靈活調(diào)節(jié)。在正向偏置時(shí)，PIN二極管呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，近似于短路；在反向偏置時(shí)，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，近似于開路。通過巧妙地控制PIN二極管的通斷，能夠精準(zhǔn)地改變天線的電流分布和電磁特性。當(dāng)PIN二極管導(dǎo)通時(shí)，天線的電流分布發(fā)生顯著變化，等效電路參數(shù)也隨之改變，使得天線在某一特定頻段產(chǎn)生強(qiáng)烈諧振，從而工作在該頻段；當(dāng)PIN二極管斷開時(shí)，天線的電流分布和等效電路參數(shù)再次改變，促使天線在另一個(gè)頻段產(chǎn)生諧振，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻段的靈活切換。為了確保天線具有穩(wěn)定的頻率諧振點(diǎn)以及穩(wěn)定的輻射方位角，該天線還附著了雪花式開口諧振環(huán)（SRR）。SRR是一種具有特殊電磁特性的人工結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的幾何形狀和材料特性使得它能夠在特定頻率下產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁諧振。雪花式SRR的特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了其在特定頻段的諧振效果，與天線的其他結(jié)構(gòu)相互作用，形成了穩(wěn)定的電磁環(huán)境。這種協(xié)同作用保證了天線具有2個(gè)穩(wěn)定的頻率諧振點(diǎn)，使得天線在這兩個(gè)特定頻段上能夠穩(wěn)定工作，并且保持穩(wěn)定的輻射方位角，有效提高了天線在復(fù)雜環(huán)境下的性能穩(wěn)定性。5.2.2測(cè)試結(jié)果與應(yīng)用效果經(jīng)過嚴(yán)格的仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證，這款跨波段頻率可重構(gòu)的微帶準(zhǔn)八木天線展現(xiàn)出卓越的性能。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果清晰表明，該天線成功實(shí)現(xiàn)了C波段（5.77-7.10GHz，7.40-7.56GHz）和X波段（8.33-8.64GHz，8.76-9.27GHz）內(nèi)的頻率可重構(gòu)。在不同的工作模式下，通過控制PIN二極管的通斷，天線能夠在這些頻段之間快速、準(zhǔn)確地切換，滿足了艦船在不同通信場(chǎng)景下對(duì)不同頻段的需求。從輻射特性來看，天線輻射方向圖可以穩(wěn)定地指向容性加載導(dǎo)通的方向。這一特性使得天線在工作時(shí)能夠根據(jù)實(shí)際通信需求，將信號(hào)有效地輻射到目標(biāo)方向，提高了信號(hào)的傳輸效率和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)艦船需要與不同方向的通信對(duì)象進(jìn)行通信時(shí)，通過調(diào)整天線的容性加載狀態(tài)，即可使天線的輻射方向圖準(zhǔn)確指向目標(biāo)方向，確保通信的穩(wěn)定進(jìn)行。在增益和波束寬度方面，該天線在所有模式下的增益水平均大于5.7dBi，且3dB波束寬度的平均值約為102°。較高的增益保證了天線能夠有效地接收和發(fā)射信號(hào)，提高了信號(hào)的傳輸距離和強(qiáng)度；合適的波束寬度則在保證信號(hào)方向性的同時(shí)，確保了一定的信號(hào)覆蓋范圍，使得天線在實(shí)際應(yīng)用中能夠更好地適應(yīng)不同的通信環(huán)境。在艦船系統(tǒng)中，這款天線的應(yīng)用效果顯著。由于艦船通信環(huán)境復(fù)雜，頻譜資源緊張，多天線之間容易產(chǎn)生耦合干擾。而該天線的跨波段頻率可重構(gòu)特性，使得艦船可以根據(jù)實(shí)際通信需求，靈活選擇合適的頻段進(jìn)行通信，避免了多天線同時(shí)工作時(shí)在相同頻段產(chǎn)生的耦合干擾。當(dāng)艦船需要與不同類型的通信設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，如與其他艦船、岸上基站或衛(wèi)星進(jìn)行通信，通過切換天線的工作頻段，能夠有效減少不同通信鏈路之間的干擾，提高了艦船系統(tǒng)頻譜的利用率，保障了通信的穩(wěn)定性和可靠性，為艦船通信提供了高效、可靠的解決方案。六、準(zhǔn)八木天線寬頻化與多頻化的應(yīng)用6.1無線通信網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)今廣泛普及的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，準(zhǔn)八木天線的寬頻化和多頻化特性展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)，極大地提升了網(wǎng)絡(luò)的性能和覆蓋范圍。以家庭網(wǎng)絡(luò)為例，隨著智能家居設(shè)備的不斷增多，如智能攝像頭、智能音箱、智能燈泡等，對(duì)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和覆蓋范圍提出了更高的要求。傳統(tǒng)的單頻Wi-Fi天線在面對(duì)多個(gè)設(shè)備同時(shí)連接且分布在不同房間的情況時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)信號(hào)覆蓋不足或信號(hào)強(qiáng)度不穩(wěn)定的問題。而寬頻化的準(zhǔn)八木天線能夠覆蓋2.4GHz和5GHz等多個(gè)頻段，2.4GHz頻段具有較強(qiáng)的穿墻能力，適合遠(yuǎn)距離傳輸和大面積覆蓋，可滿足智能設(shè)備在不同房間的連接需求；5GHz頻段則具有更高的傳輸速率，適合高清視頻播放、在線游戲等對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。通過自動(dòng)切換頻段，準(zhǔn)八木天線能夠根據(jù)設(shè)備的位置和通信需求，為每個(gè)設(shè)備提供最佳的連接頻段，有效提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和傳輸速度，減少了信號(hào)中斷和卡頓現(xiàn)象。在商業(yè)場(chǎng)所，如商場(chǎng)、寫字樓等，多頻化的準(zhǔn)八木天線同樣發(fā)揮著重要作用。這些場(chǎng)所通常需要覆蓋大面積的區(qū)域，并且要滿足大量用戶同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的需求。多頻化的準(zhǔn)八木天線可以在不同的頻段上工作，通過合理規(guī)劃頻段資源，將不同的用戶分配到不同的頻段，減少了頻段擁塞和干擾，提高了網(wǎng)絡(luò)的容量和性能。在商場(chǎng)中，部分用戶可以連接到2.4GHz頻段進(jìn)行基本的網(wǎng)絡(luò)瀏覽和社交應(yīng)用，而需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩?，如進(jìn)行在線直播或高清視頻會(huì)議的用戶，則可以連接到5GHz頻段，保證了不同用戶的通信需求都能得到滿足，提升了用戶體驗(yàn)。在藍(lán)牙通信方面，準(zhǔn)八木天線的寬頻化和多頻化也為藍(lán)牙設(shè)備的性能提升提供了支持。藍(lán)牙技術(shù)廣泛應(yīng)用于無線耳機(jī)、智能手表、藍(lán)牙音箱等設(shè)備中。傳統(tǒng)的藍(lán)牙天線在信號(hào)傳輸距離和穩(wěn)定性方面存在一定的局限性。寬頻化的準(zhǔn)八木天線能夠增強(qiáng)藍(lán)牙信號(hào)的傳輸距離，減少信號(hào)衰減，使得藍(lán)牙設(shè)備在更遠(yuǎn)的距離內(nèi)仍能保持穩(wěn)定的連接。在使用無線耳機(jī)時(shí)，用戶可以在更大的范圍內(nèi)自由活動(dòng)，而不會(huì)出現(xiàn)聲音中斷或卡頓的情況。多頻化的準(zhǔn)八木天線還可以與其他藍(lán)牙設(shè)備在不同的頻段上進(jìn)行通信，避免了頻段沖突，提高了藍(lán)牙通信的可靠性。在4G/5G網(wǎng)絡(luò)中，準(zhǔn)八木天線的應(yīng)用對(duì)提升信號(hào)覆蓋范圍和通信可靠性起到了關(guān)鍵作用。4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛的覆蓋，為人們提供了高速的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；而5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，更是帶來了低延遲、高帶寬的通信體驗(yàn)。準(zhǔn)八木天線的高增益和定向性使得基站能夠?qū)⑿盘?hào)集中發(fā)射到特定的區(qū)域，增加了信號(hào)的覆蓋范圍。在城市中，高樓大廈林立，信號(hào)容易受到阻擋而產(chǎn)生衰減和干擾。準(zhǔn)八木天線可以通過調(diào)整方向，將信號(hào)準(zhǔn)確地傳輸?shù)侥繕?biāo)區(qū)域，減少了信號(hào)的反射和散射，提高了信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于基站覆蓋范圍有限，信號(hào)強(qiáng)度較弱。準(zhǔn)八木天線的高增益特性能夠增強(qiáng)信號(hào)的傳輸距離，使得偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶也能夠享受到穩(wěn)定的4G/5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。準(zhǔn)八木天線的寬頻化和多頻化特性還能夠適應(yīng)4G/5G網(wǎng)絡(luò)中不同頻段的需求，提高了網(wǎng)絡(luò)的兼容性和適應(yīng)性。6.2衛(wèi)星通信在衛(wèi)星通信中，準(zhǔn)八木天線發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用，是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面站之間穩(wěn)定通信的重要設(shè)備。衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電信號(hào)，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信。由于衛(wèi)星與地面站之間的距離遙遠(yuǎn)，信號(hào)在傳輸過程中會(huì)受到很大的衰減，因此對(duì)天線的性能要求極高。準(zhǔn)八木天線憑借其高增益特性，能夠有效地接收來自衛(wèi)星的微弱信號(hào)，并將其傳輸?shù)降孛嬲镜慕邮赵O(shè)備中。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星會(huì)在特定的頻段上發(fā)射信號(hào)，如C頻段（3.4-4.2GHz）、Ku頻段（12-18GHz）等。準(zhǔn)八木天線通過精確的設(shè)計(jì)和調(diào)整，使其工作頻段與衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的頻段相匹配，從而能夠準(zhǔn)確地接收衛(wèi)星信號(hào)。在接收過程中，準(zhǔn)八木天線的高增益特性使得它能夠?qū)⒔邮盏降奈⑷跣l(wèi)星信號(hào)進(jìn)行有效放大，提高信號(hào)的強(qiáng)度，減少信號(hào)在傳輸過程中的損耗，確保地面站能夠接收到清晰、穩(wěn)定的信號(hào)。在氣象衛(wèi)星通信中，衛(wèi)星會(huì)將氣象數(shù)據(jù)和圖像等信息以電磁波的形式發(fā)射到地面。準(zhǔn)八木天線通過其高增益特性，能夠接收這些微弱的信號(hào)，并將其傳輸?shù)降孛鏆庀笳镜慕邮赵O(shè)備中，為氣象預(yù)報(bào)和災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供重要的數(shù)據(jù)支持。準(zhǔn)八木天線的定向性也為衛(wèi)星通信提供了可靠的保障。由于衛(wèi)星在太空中的位置相對(duì)固定，準(zhǔn)八木天線可以通過調(diào)整其方向，使其主瓣方向?qū)?zhǔn)衛(wèi)星，從而最大限度地接收衛(wèi)星信號(hào)，減少其他方向干擾信號(hào)的影響。在地面站建設(shè)過程中，需要根據(jù)衛(wèi)星的軌道參數(shù)和地面站的地理位置，精確調(diào)整準(zhǔn)八木天線的安裝角度和方向，確保天線能夠準(zhǔn)確地指向衛(wèi)星。在通信過程中，還需要對(duì)天線的指向進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，以應(yīng)對(duì)衛(wèi)星軌道的微小變化和地球自轉(zhuǎn)等因素的影響。通過這種精確的定向性，準(zhǔn)八木天線能夠有效地提高衛(wèi)星通信的抗干擾能力，保證通信的可靠性和穩(wěn)定性。為了滿足衛(wèi)星通信對(duì)多頻段通信的需求，多頻化的準(zhǔn)八木天線也得到了廣泛應(yīng)用。不同的衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)可能需要在不同的頻段上進(jìn)行通信，如低分辨率的數(shù)據(jù)傳輸可能使用C頻段，而高分辨率的數(shù)據(jù)傳輸則可能需要使用Ku頻段。多頻化的準(zhǔn)八木天線能夠在多個(gè)頻段上工作，通過切換頻段，滿足不同業(yè)務(wù)對(duì)通信頻段的需求。在衛(wèi)星電視廣播中，不同的電視頻道可能使用不同的頻段進(jìn)行傳輸。多頻化的準(zhǔn)八木天線可以同時(shí)接收多個(gè)頻段的信號(hào)，為用戶提供更多的電視頻道選擇。在衛(wèi)星通信中，準(zhǔn)八木天線通過其高增益、定向性和多頻化特性，有效地接收衛(wèi)星信號(hào)，保證了信號(hào)的質(zhì)量和可靠性，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要的技術(shù)支持。6.3雷達(dá)與遙感在雷達(dá)領(lǐng)域，準(zhǔn)八木天線的高增益和方向性發(fā)揮著舉足輕重的作用，對(duì)目標(biāo)探測(cè)的精度和距離有著關(guān)鍵影響。雷達(dá)系統(tǒng)通過發(fā)射電磁波并接收目標(biāo)反射的回波來確定目標(biāo)的位置、速度等信息。準(zhǔn)八木天線的高增益特性使得雷達(dá)發(fā)射的電磁波能量能夠集中在特定方向上傳播，增強(qiáng)了信號(hào)的強(qiáng)度和傳播距離。在對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，如監(jiān)測(cè)空中的飛機(jī)、海上的船只等，高增益的準(zhǔn)八木天線可以使雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)傳播到更遠(yuǎn)的距離，提高了雷達(dá)的探測(cè)范圍。即使目標(biāo)距離較遠(yuǎn)，準(zhǔn)八木天線也能有效地接收目標(biāo)反射回來的微弱回波信號(hào)，從而準(zhǔn)確地探測(cè)到目標(biāo)的存在。其方向性則保證了雷達(dá)能夠精確地確定目標(biāo)的方位。準(zhǔn)八木天線能夠?qū)㈦姶挪休椛涞教囟ǚ较颍纬瑟M窄的波束，使得雷達(dá)在掃描目標(biāo)時(shí)，能夠更準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)所在的方向。在軍事雷達(dá)中，需要對(duì)敵方的飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行精確的定位和跟蹤，準(zhǔn)八木天線的強(qiáng)方向性可以幫助雷達(dá)快速鎖定目標(biāo)的方位，為后續(xù)的跟蹤和打擊提供準(zhǔn)確的信息。在遙感領(lǐng)域，準(zhǔn)八木天線同樣扮演著重要角色，對(duì)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和全面性有著重要意義。遙感技術(shù)通過接收地面物體反射或發(fā)射的電磁波來獲取物體的信息，如土地利用類型、植被覆蓋情況、水資源分布等。準(zhǔn)八木天線的高增益可以增強(qiáng)對(duì)地面微弱信號(hào)的接收能力，提高遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量和分辨率。在對(duì)大面積的森林進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)時(shí)，高增益的準(zhǔn)八木天線能夠更清晰地接收到樹木反射的電磁波信號(hào)，從而準(zhǔn)確地獲取森林的植被類型、生長(zhǎng)狀況等信息。其方向性有助于提高遙感數(shù)據(jù)采集的針對(duì)性和效率。通過調(diào)整準(zhǔn)八木天線的方