原创针对工作在ISM2.4GHz频段下的Yagi-Uda PCB天线的仿真实验

 2013-1-28 11:39  834 9 9 分类: 消费电子

博主按：本文完成于2011年11月01日，新开博客，拿来充数

一.理论分析

八木天线由一个有源振子和若干无源振子组成

有源振子与馈线直接相连，引向器和反射器都是无源振子。有源振子在被馈电后在空间产生电磁波，通过耦合在无源振子上产生感应电流并发生辐射。

改变振子长度与间距时，无源振子上感应电流的幅度和相位也随之变化。适当地调整振子的长度和间距就能获得良好的方向图、阻抗等电气指标。若无源振子与有源振子间距小于λ/4，且长度短于有源振子，方向图指向无源振子一侧，相应的无源振子被称为引向器。比有源振子长的无源振子则称为反射器。

二.天线设计

1.单元数目N的确定

振子数目N主要根据增益和方向性系数确定。由于八木天线效率一般高达90%以上，因此增益近似于方向性系数。八木天线是慢性波结构的行波天线，因此它的增益可以用行波天线估算。即：G≈10L/λ（1）

下图为增益G与振子数目N的关系图：

由于尺寸限制为150*100mm的FR4 PCB板，且增益要求7dBi，也出于留有设计余量的考虑。故取N=6。

2.引向器的设计

引向器是八木天线的关键部分，对天线的增益、后向辐射、输入阻抗等都有明显的影响。确定N之后，则引向器的数目为N-2。间距d的取值范围一般为（0.15~0.4）λ，超过0.4λ则增益会下降。d较大时，波瓣较窄，输入阻抗频响较平稳，但副瓣较大；d较小时，副瓣电平低，抗干扰能力强，但增益稍差。

确定引向器的方法有两种，（1）采用等长无源振子，长度范围取（0.38~0.44）·λ，加工简单方便，但带宽较窄；（2）采用不等长无源振子，先取第一个引向器（靠近有源振子）为0.46λ，之后按照2%~3%缩短系数递减，可以实现较宽带宽，但加工复杂。本次试验为了仿真方便，采用第一种方法。

为方便仿真调试，引向器按照等间距排列。

3.反射器的设计

反射器通常只用一个无源振子。前人大量实验表明，在第一个反射器后再增加反射器对增益帮助甚微。

反射器长度需要长于有源振子和引向器，取值一般为（0.5~0.55）λ。且最小不能小于半波长。同时，振子粗细对天线输入阻抗有一定影响。振子越粗阻抗越低，对展宽带宽有直接帮助。故本次试验将有源振子后的地作为无源振子。

4.有源振子的设计

有源振子可采用单根半波振子或折合振子，长度一般为0.475λ。若振子越粗，可适当减短，但不能短于引向器。采用折合振子可扩宽带宽。在天线的输入端与馈线之间应加阻抗变换器，若采用同轴馈电，则需要加巴伦使得天线左右振子电流分布对称。为简化仿真，本次试验采用单线半波振子，并且在天线输入端设置为集总端口并且设两边电流分布对称。

天线模型如下图：