作为电磁换能元件，天线在整个无线电通信系统中位置十分重要，质量好坏直接影响着收发信距离的远近和通联效果，可以说没有了天线也就没有了无线电通信。
作为一款经典的定向天线，八木天线在HF、VHF以及UHF波段应用十分广泛。八木天线由一个有源振子（一般用折合振子）、一个无源反射器和若干个无源引向器平行排列而成的端射式天线。在二十世纪20年代，由日本东北大学的八木秀次和宇田太郞两人发明了这种天线，被称为“八木宇田天线”，简称“八木天线”。
八木-宇田天线

八木-宇田天线实物


八木天线的原理
什么是八木天线呢，八木天线别名引向天线、、波渠天线，是一种端射式天线，在二十世纪20年代，由日本东北大学的八木秀次和日本仙台大学的宇田太郞两人发明了这种天线，被称为“八木宇田天线”，简称“八木天线”，具有良好的方向性，较高的增益，适用于远距离通信，传统八木天线的相对带宽一般为20%以下。
八木天线定向工作的原理，可依据电磁学理论进行详尽地数学推导，但是比较繁琐复杂，普通读者也不易理解，这里只做定性的简单分析：我们知道，与天线电气指标密切相关的是波长λ，长度略长于λ/4整数倍的导线呈电感性，长度略短于λ/4整数倍的导线呈电容性。
由于主振子L采用长约λ/2的半波对称振子或半波折合振子，在中心频点工作时处于谐振状态，阻抗呈现为纯电阻，而反射器A比主振子略长，呈现感性，假设两者间距a为λ/4，以接收状态为例，从天线前方某点过来的电磁波将先到达主振子，并产生感应电动势ε1和感应电流I1，再经λ/4的距离后电磁波方到达反射器，产生感应电动势ε2和感应电流I2，因空间上相差λ/4的路程，故ε2比ε1滞后90°，又因反射器呈感性I2比ε2滞后90°，所以I2比ε1滞后180°，反射器感应电流I2产生辐射到达主振子形成的磁场H2又比I2滞后90°，根据电磁感应定律H2在主振子上产生的感应电动势ε1‘比H2滞后90°，也就是ε1比ε1滞后360°，即反射器在主振子产生的感应电动势ε1‘与电磁信号源直接产生的感应电动势ε1是同相的，天线输出电压为两者之和。
同理可推导出，对天线后方某点来的信号，反射器在主振子产生的感应电动势与信号直接产生的感应电动势是反相的，起到了抵消输出的作用。而引向器B、C、D等都比主振子略短，阻抗呈容性，假定振子间距b、c、d也等于λ/4，按上述方法也可推出引向器对前方过来的信号起着增强天线输出的作用。综上所述，反射器能够有效消除天线方向图后瓣，并和引向器共同增强天线对前方信号的灵敏度，使天线具有了强方向性，提高了天线增益。对于发射状态，推导过程亦然。实际制作过程中，通过缜密设计和适当调整各振子的长度及其间距，就能获得工作在不同中心频点、具有一定带宽、一定阻抗值和较好端射方向图的八木天线。
八木天线属于方向性天线，这里的驱动振子与反射器各由一对振子组成，可以看作为偶极子天线，反射器振子的长度会略长于驱动振子。
导引振子的个数越多，天线的定向性越好，但导引振子数量越多，离驱动振子的距离越远，导引振子上产生的感应电流越弱，添加导引振子对天线定向性的增强效果也逐渐减弱。八木天线的方向性可通过增加引导振子的数量得到增强。
八木天线工作原理

八木天线的导引振子长度稍短于反射器，其每一根导引振子的阻抗是容性的，而反射器的长度稍长与驱动振子，阻抗呈感性。反射器和导引振子上的电流的相位不仅由它们的尺寸决定，也由它们相邻单元的间距决定。对于接收Wi-Fi信号，天线的导引振子对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°；导引振子感应的电磁波会向驱动振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后90°恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，两者加起来刚好差180°，起到了抵消作用。一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。
这类天线的典型方向图如下所示：




八木天线辐射特性

2.2天线参数
相关理论经验，八木天线的各个振子长度的计算公式如下：
（1）反射器长度：


（2）驱动振子长度：


（3）反射器与驱动振子间距dR：


（4）导引振子长度：


（5）导引振子间距：


按照上述公式，如果即导引振子长度和导引振子间距均相等时称为均匀天线。

印刷八木天线设计

PCB八木天线基本馈电类型

印刷八木天线是将八木天线结构平面化后印制在单层介质板上，这样在保留行波辐射的特性的同时缩小了体积，同时保持优秀的前后比值和交叉极化值。
1）含巴伦结构的PCB八木天线
下图是一种含巴伦的PCB八木天线，通过该结构使得左右两侧的激励振子可以形成半个周期的相位差，这样有源振子和微带馈线可以设计在同一平面，并进行阻抗匹配。
含巴伦PCB八木天线

从上图可以看出，天线中的巴伦结构体积较大，使得天线的结构也随着增加，同时，这个结构也会影响天线的辐射方向，此时便出现了不含巴伦结构的八木天线，能简化天线结构。
2）不含巴伦结构的PCB八木天线
不含巴伦结构的PCB八木天线一种的结构如下，正面微带线与介质基板正面的微带馈线相连，背面微带线与介质基板背面半截地板相连，通过这种方法实现平衡不平衡的转换，也可以使得左右两侧的激励阵子可以形成半个周期的相位差。
不含巴伦的八木天线

通过对比两种不同馈电形式的天线，不含巴伦的八木天线相对简易，且方向性不受影响。

PCB八木天线设计

1）天线结构
这里我们建立一种不含巴伦结构的简易馈电型微带准八木天线，天线结构如下图所示，该天线长100mm，宽50mm，采用RF-4作为PCB天线的基板，较之前的网红Wi-Fi天线结构而言，两者天线最大尺寸相仿；从组装复杂度来看，本次研究的天线具有一次成型的特点，易用加工。
天线结构

2）天线工作原理
该天线结构与前面章节介绍的两种微带天线不同的是：正面的微带线不与馈线相连，而是通过耦合的形式馈电给正面的振子；同时馈线经由过孔与背面地板相连，激发天线振子。
该天线的激励振子前放置了三个导引振子，PCB反面的激励振子与反射振子连接。
工作原理

3）仿真结果分析
建立模型，设置好参数后进行仿真，其S11参数在2.42GHz达到-12.2dB，具有较好的驻波特性。
S11特性

天线的辐射特性如下所示，从图中可看出其具有较强的方向性，增益可达到10dBi。
辐射图

正面振子电流分布

反面振子电流分布

4）天线改进
从上图的电流分布可知，在第三个导引振子处的电流幅值意味着该天线可进一步通过引入第四个导引振子增强方向性，将获得比目前10dBi更高的天线增益。
添加四个引导振子后的PCB八木天线正面


小结

本期我们研究了一款微带八木天线，通过设计一种比较简易的馈电方法，省去复杂的巴伦，实现天线的阻抗匹配，简化了天线结构，同时对其工作原理进行了解释，并对影响天线性能的参数进行了分析，该天线具有低成本、易用加工的特点，只要焊接一个SMA接头即可，不需要额外的加工。


来源：多物理场仿真技术