基于魔T的準八木天線(xiàn)的設計

1 引言

八木天線(xiàn)，又稱(chēng)為引向天線(xiàn)或波道天線(xiàn)，廣泛用于米波和分米波通信、雷達、電視以及其他無(wú)線(xiàn)電技術(shù)設備中，傳統的八木天線(xiàn)是由一個(gè)有源陣子，一個(gè)反射器和一個(gè)引向器組成。八木天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，可以得到很高的增益。缺點(diǎn)是頻帶較窄。

隨著(zhù)微波技術(shù)的快速發(fā)展，小型化、低剖面、低成本的天線(xiàn)倍受關(guān)注。微帶八木天線(xiàn)具有高增益、低剖面的特點(diǎn)，傳統的微帶八木天線(xiàn)需要引入一個(gè)180°相位差的功分器作為饋電網(wǎng)絡(luò )。由于180°相位差的功分器是不對稱(chēng)結構，天線(xiàn)方向圖最大輻射方向受其影響，指向偏離端射方向。

本文結合一款新型的魔T，利用其等幅反相輸出端口，設計了一種新型的微帶八木天線(xiàn)。相對比文獻，該天線(xiàn)采用的對稱(chēng)饋電端口，降低了饋電網(wǎng)絡(luò )對天線(xiàn)輻射方向圖的影響。該天線(xiàn)最大增益為5.95 dBi,電壓駐波比在工作頻帶內低于1.93。

2 天線(xiàn)單元的結果與分析

微帶八木天線(xiàn)的結構如圖1所示。它是由三部分組成：一個(gè)有源陣子，一個(gè)引向陣子和實(shí)現等幅反相的魔T。其中魔T是用耦合饋電的方式實(shí)現兩個(gè)輸出端口的相位相反，地板作為微帶八木天線(xiàn)反射器。

天線(xiàn)各個(gè)單元尺寸如下：微帶饋線(xiàn)長(cháng)度L0，線(xiàn)寬W0；地板耦合縫隙寬度S，長(cháng)度Ls；50歐姆傳輸線(xiàn)L1，輸出端口間距g；四分之一波長(cháng)阻抗變化器L2×W2；有源陣子L3×W3，引向陣子L4×W4，陣元間距G。本文采用介電常數為2.65，厚度為1 mm的介質(zhì)板，尺寸為L(cháng)×W，利用ANSOFT公司的電磁仿真軟件HFSS11.0進(jìn)行仿真。

圖1 微帶八木天線(xiàn)

2.1 魔T差端口饋電網(wǎng)絡(luò )

魔T是微波、毫米波電路中的重要器件，廣泛應用于微波集成電路、電子對抗以及制導系統等。如圖2所示，傳統的魔T是一種四端口網(wǎng)絡(luò )，端口2與端口4是相互隔離的。信號從4端口輸入，從1，3端口輸出，信號等幅反相，4端口稱(chēng)為Δ端口；信號從2端口輸入，從1，3端口輸出，信號等幅同相，2端口稱(chēng)為Σ端口。

圖2 魔T

利用魔T以上特點(diǎn)，結合設計了魔T差端口饋電網(wǎng)絡(luò )，并應用在微帶八木天線(xiàn)設計中，其結構如下圖3。

圖3 魔T差端口饋電網(wǎng)絡(luò )

經(jīng)過(guò)優(yōu)化得到差端口網(wǎng)絡(luò )的S參數，仿真結果如圖4所示。在5GHz~6GHz范圍內，S11小于-14 dB，S21和S31在-4.4 dB±0.3 dB范圍內。傳輸系數與理想情況下-3 dB的要求還存在一定的差距，原因在與能量在兩次微帶與縫隙傳輸過(guò)程中向外輻射損耗。