學(xué)個(gè)Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主，理論原理為輔的干貨天線技術(shù)專(zhuān)欄，包括天線入門(mén)知識(shí)以及各類(lèi)天線的原理簡(jiǎn)介、仿真軟件建模、設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程及思路。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問(wèn)題，可以在文尾寫(xiě)下留言。

摘要：

八木天線是由一個(gè)有源振子（一般用折合振子）、一個(gè)無(wú)源反射器和若干個(gè)無(wú)源引向器平行排列而成的端射式天線。在二十世紀(jì)20年代，由日本東北大學(xué)的八木秀次和宇田太郞兩人發(fā)明了這種天線，被稱(chēng)為“八木-宇田天線”，簡(jiǎn)稱(chēng)“八木天線”。

本文使用的軟件為CST2018和AnsysEM 18.2

八木天線的命名

提到八木天線，大家可能以為這天線是一個(gè)名字里有八木的人發(fā)明的，而且這就是天線的全稱(chēng)。事實(shí)上，八木天線的原始設(shè)計(jì)和工作原理首先由日本東北帝國(guó)大學(xué)的 S. Uda發(fā)表于日本的I.E.E. 雜志^[1]。

但使得該天線更廣泛流傳和閱讀的文章^[2]卻來(lái)自Uda 教授的一位同事——H. Yagi。

盡管Yagi在他的英文論文中致謝了Uda教授，但全世界還是習(xí)慣將該天線稱(chēng)為Yagi-antenna，這也成了天線詞典中的通用術(shù)語(yǔ)。

參考資料

[1]Uda S . Wireless Beam of Short Electric Waves[J]. Journal of the Institute of Electrical Engineers of Japan, 1927(452):273-282: https://www.researchgate.net/publication/285280214_Wireless_Beam_of_Short_Electric_Waves

[2]Yagi H . Beam Transmission Of Ultra Short Waves[J]. Proceedings of the Institute of Radio Engineers, 1928, 85(6):715-740: https://ieeexplore.ieee.org/document/1670051

宇田新太郎完成了八木-宇田天線的大部分工作并最先獨(dú)立發(fā)表了該研究成果，但之后八木秀次教授將論文翻譯成英文并成為第一作者，因此理所當(dāng)然地成為了成果對(duì)外的展示者。除此之外，八木秀次在申請(qǐng)專(zhuān)利時(shí)也未加上宇田教授的名字，這一切操作直接導(dǎo)致了外界認(rèn)為八木秀次是“八木-宇田天線”的主要發(fā)明者。

不過(guò)隨著時(shí)間的推移，世人漸漸肯定了宇田教授的貢獻(xiàn)。為了更恰當(dāng)?shù)胤从硟晌话l(fā)明人的貢獻(xiàn)，在國(guó)際上通用的教科書(shū)里，該天線統(tǒng)稱(chēng)為八木-宇田天線(Yagi-Uda antenna)。也算是為其"加冕"了。

https://www.jstage.jst.go.jp/article/transele/E98.C/7/E98.C_616/_article/-char/ja/

八木-宇田天線的工作原理

我們都知道，偶極子天線，其H面方向圖為一個(gè)圓，沒(méi)有定向性。但是將兩個(gè)半波振子放置一定間距d組成二元陣，并對(duì)其以一定相差進(jìn)行饋電，其方向圖就會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性變化。

下圖所示為兩半波陣子間隔，饋電相差為時(shí)，其單元方向圖，二元陣陣因子圖和利用方向圖相乘原理計(jì)算出的二元陣E面方向圖。

類(lèi)似來(lái)看，激勵(lì)半波振子，其H面方向圖為一個(gè)圓，無(wú)方向性。但加上一根或幾根無(wú)源振子并排放置后，其H面內(nèi)的方向圖將變得有方向性。

為了實(shí)現(xiàn)端射效果，在主輻射方向上的寄生振子的長(zhǎng)度略小于中間有源振子的長(zhǎng)度。有源振子(Driven)長(zhǎng)度通常略小于(通常為，而引向器(Director)的長(zhǎng)度應(yīng)該是大約。引向器并不必須具有相同的長(zhǎng)度和直徑，其之間的間距通常為。

Uda在大量的實(shí)調(diào)過(guò)程中總結(jié)道：最佳反射器(Reflector)的尺寸約為，與有源振子間距；最佳引向器的尺寸比半波長(zhǎng)約短10%，與有源振子間距波長(zhǎng)。這些只是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不一定對(duì)應(yīng)全局最佳設(shè)計(jì)尺寸。

 

隨著科研學(xué)者的深度研究，微帶八木天線逐漸涌入人們的視野。下圖所示的分別為層疊式微帶八木天線和平面式微帶八木天線。

層疊式微帶八木天線橫向上尺寸并不大，但是縱向上的尺寸卻顯得相對(duì)較高；平面式微帶八木天線的縱向尺寸較小，但在橫向尺寸上卻顯得相對(duì)較大。兩種方案可根據(jù)需求指標(biāo)和具體結(jié)構(gòu)尺寸而定。有興趣的可以搜索微帶八木天線相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)研究，這里就不展開(kāi)贅述了。

CST仿真實(shí)例

如下圖所示的一個(gè)八木天線包含一個(gè)有源振子，一個(gè)反射器和5個(gè)引向器。

有源振子，反射器和引向器的長(zhǎng)度分別為23.5mm，26mm和21mm，反射器和有源振子的間距為12.9mm，第一引向器與有源振子的間距為12.9mm，各引向器之間的間距為17.6mm，振子的直徑均為1mm。

有源振子采用50歐姆離散端口激勵(lì)，仿真結(jié)果表明，該八木天線在WIFI 5G band1頻段內(nèi)S11<-10dB，端口匹配良好。

下圖是八木天線5.1GHz、5.2GHz、5.3GHz、5.4GHz四個(gè)頻點(diǎn)的E面方向圖：

粗調(diào)的八木天線，其帶內(nèi)頻點(diǎn)的副瓣電平和前后比有所差異。主副瓣比基本在9dB左右，最好前后比在5.3GHz，大概有23dB左右。不過(guò)當(dāng)做簡(jiǎn)單的定向天線，用來(lái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊的話，主要還是關(guān)心主波束對(duì)應(yīng)的最大增益值。

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