基于魔T的準(zhǔn)八木天線的設(shè)計

1 引言

八木天線，又稱為引向天線或波道天線，廣泛用于米波和分米波通信、雷達、電視以及其他無線電技術(shù)設(shè)備中，傳統(tǒng)的八木天線是由一個有源陣子，一個反射器和一個引向器組成。八木天線的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可以得到很高的增益。缺點是頻帶較窄。

隨著微波技術(shù)的快速發(fā)展，小型化、低剖面、低成本的天線倍受關(guān)注。微帶八木天線具有高增益、低剖面的特點，傳統(tǒng)的微帶八木天線需要引入一個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結(jié)構(gòu)，天線方向圖最大輻射方向受其影響，指向偏離端射方向。

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

2 天線單元的結(jié)果與分析

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

天線各個單元尺寸如下：微帶饋線長度L0，線寬W0；地板耦合縫隙寬度S，長度Ls；50歐姆傳輸線L1，輸出端口間距g；四分之一波長阻抗變化器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(shù)為2.65，厚度為1 mm的介質(zhì)板，尺寸為L×W，利用ANSOFT公司的電磁仿真軟件HFSS11.0進行仿真。

圖1 微帶八木天線

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(yīng)用于微波集成電路、電子對抗以及制導(dǎo)系統(tǒng)等。如圖2所示，傳統(tǒng)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端口稱為Σ端口。

圖2 魔T

利用魔T以上特點，結(jié)合設(shè)計了魔T差端口饋電網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用在微帶八木天線設(shè)計中，其結(jié)構(gòu)如下圖3。

圖3 魔T差端口饋電網(wǎng)絡(luò)

經(jīng)過優(yōu)化得到差端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)，仿真結(jié)果如圖4所示。在5GHz~6GHz范圍內(nèi)，S11小于-14 dB，S21和S31在-4.4 dB±0.3 dB范圍內(nèi)。傳輸系數(shù)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程中向外輻射損耗。