基于魔T的准八木天线的设计

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                1  引言

                        八木天线，又称为引向天线或波道天线，广泛用于米波和分米波通信、雷达、电视以及其他无线电技术设备中，传统的八木天线是由一个有源阵子，一个反射器和一个引向器组成。八木天线的优点是结构简单，可以得到很高的增益。缺点是频带较窄。
                         
                        随着微波技术的快速发展，小型化、低剖面、低成本的天线倍受关注。微带八木天线具有高增益、低剖面的特点，传统的微带八木天线需要引入一个180°相位差的功分器作为馈电网络。由于180°相位差的功分器是不对称结构，天线方向图最大辐射方向受其影响，指向偏离端射方向。
                         
                        本文结合一款新型的魔T，利用其等幅反相输出端口，设计了一种新型的微带八木天线。相对比文献，该天线采用的对称馈电端口，降低了馈电网络对天线辐射方向图的影响。该天线最大增益为5.95 dBi,电压驻波比在工作频带内低于1.93。
                         
                        2  天线单元的结果与分析

                        微带八木天线的结构如图1所示。它是由三部分组成：一个有源阵子，一个引向阵子和实现等幅反相的魔T。其中魔T是用耦合馈电的方式实现两个输出端口的相位相反，地板作为微带八木天线反射器。
                         
                        天线各个单元尺寸如下：微带馈线长度L0，线宽W0；地板耦合缝隙宽度S，长度Ls；50欧姆传输线L1，输出端口间距g；四分之一波长阻抗变化器L2×W2；有源阵子L3×W3，引向阵子L4×W4，阵元间距G。本文采用介电常数为2.65，厚度为1 mm的介质板，尺寸为L×W，利用ANSOFT公司的电磁仿真软件HFSS11.0进行仿真。
                         
       

               

       

                图1  微带八木天线

                         
                        2.1  魔T差端口馈电网络

                        魔T是微波、毫米波电路中的重要器件，广泛应用于微波集成电路、电子对抗以及制导系统等。如图2所示，传统的魔T是一种四端口网络，端口2与端口4是相互隔离的。信号从4端口输入，从1，3端口输出，信号等幅反相，4端口称为Δ端口；信号从2端口输入，从1，3端口输出，信号等幅同相，2端口称为Σ端口。
                         
       

               

       

                图2  魔T

                         
                        利用魔T以上特点，结合设计了魔T差端口馈电网络，并应用在微带八木天线设计中，其结构如下图3。
                         
       

               

       

                图3  魔T差端口馈电网络

                         
                        经过优化得到差端口网络的S参数，仿真结果如图4所示。在5GHz~6GHz范围内，S11小于-14 dB，S21和S31在-4.4 dB±0.3 dB范围内。传输系数与理想情况下-3 dB的要求还存在一定的差距，原因在与能量在两次微带与缝隙传输过程中向外辐射损耗。
                 
                        两个输出端口相位差仿真图如图5所示。在4.8 GHz~5.7 GHz范围内，输出端口相位差在178.6°±0.3°范围内，在5.7 GHz~6 GHz范围内，端口相位差在181.2°±0.1°范围内。
                         
                        由以上对该魔T差端口幅度、相位仿真结果分析可知，两输出端口在工作频率范围内基本满足等幅反相的要求。
                         
       

               

       

                图4  魔T 端口S参数仿真图

       

               

       

                图5  魔T输出端口相位差仿真图

                         
                        2.2  天线仿真结果

                        通过软件仿真优化，本文设计的准八木天线各个单元的尺寸为：L=70mm，W=40mm，L0=15mm，W0=W1=2.8mm，L1=18mm，S=0.4mm，Ls=4mm，L2=10.5mm，W2=1mm，L3=L4=17mm，W3=W4=1.4mm，g=1mm,G=7.5mm。天线实物如图6、7所示。
                         
       

               

       

                图6

       

               

       

                图7

                         
                        利用矢量网络分析仪测量出该天线的电压驻波比，测量结果与仿真结果如图7所示。在5.4GHz～6GHz之间的驻波比，测量结果与仿真结果存在一定的差距，天线存在加工误差与测量误差。但在工作频带内驻波都小于1.93。
                         
       

               

       

                图7

                 
                        仿真得到的准八木天线的E面、H面方向图，如图8所示。由图可知，天线辐射方向图对准Theta=0°方向，馈电电路对主波束方向影响不大。
                         
       

               

       

                (a) 5 GHz E面H面方向图

       

               

       

                (b) 5.5 GHz E面H面方向图

       

               

       

                (c) 6 GHz E面H面方向图

       

                图8  E面(xoy平面)H面(yoz平面)归一化辐射方向图

                         
                        天线增益方向图如图9所示，在工作频带内，天线增益最大为5.95 dBi，最低增益不低于5.6 dBi，满足指标要求。
                         
       

               

       

                图9  天线增益图

       
                        4  结论

                        本文利用魔T结构的差端口等幅反相的特性，成功的设计了一款准八木天线并加工制作了样品，天线实物如图6所示。本天线在5GHz～6GHz工作频带内，最大增益为5.95dBi，电压驻波比小于2。
                         
                        本天线由于采用缝隙耦合的方式实现馈电，能量不可避免将会向外辐射，对天线的增益存在影响。地板对天线方向图也存在一定的影响。进一步的研究工作将致力于改善天线的相关性能。