一种多驱动单元广义八木天线及其优化方法与流程
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种多驱动单元广义八木天线及其优化方法。
背景技术：
八木天线自问世以来就因其方向性强、增益高、结构简单而备受青睐。但是传统的八木天线包括一个驱动单元、一个反射器和多个引向器，体积庞大，这限制了其在通信和其他空间受限环境中的应用。而微带八木天线是一种平面天线，它是由薄介质片、设置在薄介质片顶层的几何金属辐射元以及设置在薄介质片底层的接地金属构成。近几十年来，由于其重量轻、体型小、制作简单和易于集成等优点在天线技术领域发展迅速。但是微带八木天线由于其底层接地金属的影响，使得其增益的最大辐射方向发生偏转，并不是严格意义上的端射天线。p.aguilà等人在“planaryagi–udaantennaarraybasedonsplit-ringresonators(srrs)”(ieeeantennaswirelesspropag.lett.,vol.16,pp.1233–1236,may2017)中设计了一款采用开口谐振环(srrs)作为辐射单元的印刷准八木天线。由于其单元的结构优势，此设计的宽度减小到了四分之一个工作波长(λ)。但为了确保该设计与传统半波偶极子八木天线的端射增益保持一致，则需要增加引向器的数量。这意味天线虽然宽度明显减小，但是长度却增加了许多。
由于八木天线的单元间距较小，单元之间耦合较大，采用现有技术很难设计拥有多个驱动单元的八木天线。这也是八木天线经过这么多年的发展仍然只有单个驱动单元的原因。因此，传统八木天线很难再有性能上的提高。
技术实现要素：
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种多驱动单元广义八木天线及其优化方法。本发明提出新的优化方法和新的八木天线概念，不同于传统八木天线设计，该优化方法引入多个驱动单元，通过采用功率传输效率最大化理论对驱动单元的激励进行优化，从而使天线在保持整体尺寸不变的情况下，其端射增益进一步提高，这表明在天线端射增益相同的情况下，采用本发明优化方法的天线尺寸将会明显减小。本发明将这种新的天线形式称为广义八木天线。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种多驱动单元广义八木天线，由介质基板，辐射单元阵列和馈电网络组成。所述辐射单元包括驱动单元、反射器和引向器。驱动单元、反射器和引向器形状相同、尺寸不同。一块介质基板上刻蚀辐射单元阵列作为天线基板，另一块介质基板上刻蚀馈电网络，两块介质基板垂直连接，所述馈电网络的输出激励端口与驱动单元的馈电端口相连接。
本发明不限定天线的单元形式以及工作频率。其中，不限定单元形式是指辐射单元可以采用开口谐振环(srr)、印刷半波偶极子或者其他天线单元。本发明也不限定驱动单元、反射器和引向器数量，例如：天线可以包括五个驱动单元，一个反射器和两个引向器，也可以包括四个驱动单元，一个反射器和三个引向器，可以根据现场需求调整驱动单元、反射器和引向器数量。驱动单元、反射器和引向器的尺寸以及间距也可以根据现场需求进行优化设计。本发明多个驱动单元的广义八木天线概念可推广到任意其他天线单元。
一种多驱动单元广义八木天线的优化方法，包括以下步骤：
(1)根据驱动单元、反射器和引向器的数量以及尺寸间距，设计出工作频率f的天线辐射单元；
(2)将步骤(1)的天线辐射单元组成发射天线阵列，计算远场距离，并在远场放置一个接收天线；
(3)利用功率传输最大化理论，优化发射天线驱动单元的激励振幅和相位；
(4)根据步骤(3)中优化得到的激励振幅和相位，优化设计出实现最佳激励的馈电网络；
(5)做出实物并进行实际测量，对比实测结果与仿真结果，如果对比实测结果与仿真结果不符合要求，重复步骤(1)至步骤(5)，直到设计出符合要求的天线。
其中，在步骤(3)中，利用功率传输最大化理论，优化发射天线驱动单元的激励振幅和相位，方法如下：
首先设计一个传输系统，其中包含一个na端口的发射天线阵列和一个接收天线，发射天线阵列和接收天线相隔距离为d，如图10所示。整个传输系统可以看作na+1端口网络，并可以通过(na+1)×(na+1)散射矩阵如式(1)表示：
其中
特征向量[at]表示发射天线归一化入射波，
假设接收天线是完全匹配的，则可以得到[ar]＝0。利用式(1)和式(2)可以得到：
其中(·,·)表示为两个向量矢量的内积，[a]和[b]表示两个矩阵，分别定义为
其中，i表示单位矩阵，式(3)取最大值的条件为
[a][at]＝tarray[b][at](4)
式(4)为一个广义特征方程，如果发射天线阵列的各个单元是匹配的，则可以得到[stt]＝[0]，[b]＝i，可以将式(4)进一步简化为：
[a][at]＝tarray[at](5)
通过求解式(5)的本征值，可获得接收天线和发射天线阵列之间的最大传输效率，进而计算出发射天线驱动单元最佳激励振幅和相位，即求解式(5)得到的特征向量[at]各元素的模值就是最佳激励振幅，特征向量[at]各元素的相位就是最佳相位。
一种多驱动单元广义八木天线的测量方法，包括如下步骤：
(1)准备测量需要的设备，包括被测天线、参考天线、传输线、信号发生器和矢量网络分析仪；所述被测天线指的是已设计的天线，所述参考天线选用喇叭天线；
(2)将参考天线与信号发生器通过传输线连接，矢量网络分析仪与被测天线通过传输线连接，参考天线与被测天线之间的距离为d，参考天线放置在被测天线的远场；
(3)设置信号发生器频率f，发射功率pt,db；
(4)通过矢量网络分析仪测得参考天线与信号发生器之间传输线的损耗lt,db，被测天线与矢量网络分析仪之间传输线的损耗lr,db；
(5)将参考天线与被测天线的高度调整到同一水平面，测出矢量网络分析仪接收到的功率pr,db；
(6)设参考天线工作在频率f时的增益gt,db，然后将测得的上述参数代入公式：
(pr,db-lr,db)-(pt,db+lt,db)＝gt,db+gr,db-20log10f-20log10d+147.56
经过计算得出被测天线在当前测试角度的增益gr,db；
(7)保持被测天线不动，将参考天线旋转θ角度，重复步骤(5)和步骤(6)；
(8)将在参考天线调整到不同角度下得到的增益gr,db导入函数绘图软件中即可得到被测天线的辐射方向图；
(9)通过步骤(8)得到的被测天线的辐射方向图找到最大辐射方向，然后在该位置改变信号发生器频率f，重复上述步骤(5)和步骤(6)即可得到被测天线在最大辐射方向的端射增益在工作频带内的变化关系图。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
传统的阵列设计中，人们很大程度上依赖于天线阵因子，而天线阵因子是建立在一些简化和假设的基础上。因此，为了使用天线阵因子概念，有时需要额外的工作量，例如单元去耦。本发明采用功率传输最大化理论进行设计，将单元间的耦合以及复杂环境的影响包含在散射矩阵中。这为减小阵列大小和选择阵列配置，如天线单元的选择及位置摆放提供了方便。因此，采用功率传输最大化理论进行天线阵列设计与传统阵列设计方法相比具有明显优势。本发明所设计的两款天线，第一款与p.aguilà等人的设计相比，模型长度减小了46％，同时保持与其相同的宽度和端射增益，实现了天线小型化。第二款与传统印刷偶极子八木天线相比，增益提高了1.8db，实现了天线增益最大化。
附图说明
图1是本发明的第一实施例的天线驱动单元示意图；
图2是本发明的第一实施例的天线实物图、俯视图和侧视图；
图3是本发明的第一实施例的天线仿真与实测反射系数关系图；
图4是本发明的第一实施例的天线仿真与实测辐射e面和h面方向图；
图5是本发明的第一实施例的天线仿真与实测端射增益在工作频带内的变化关系图；
图6是本发明的第二实施例的天线实物图、俯视图和侧视图；
图7是本发明的第二实施例的天线仿真与实测反射系数关系图；
图8是本发明的第二实施例的天线仿真与实测辐射以及与传统印刷偶极子天线对比的e面和h面方向图；
图9是本发明的第二实施例的天线仿真与实测端射增益在工作频带内的变化关系图；
图10是功率传输系统示意图；
其中：11为反射器，12为驱动单元阵列，121-125为驱动单元，13为引向器阵列，131-132为引向器，14、15为介质基板，16为馈电网络；21为反射器，22为驱动单元阵列，221-224为驱动单元，23为引向器阵列，231-233为引向器，24、25为介质基板，26为馈电网络。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的一种多驱动单元广义八木天线由介质基板，辐射单元阵列和馈电网络组成。所述辐射单元包括驱动单元、反射器和引向器。驱动单元、反射器和引向器形状相同、尺寸不同。一块介质基板上刻蚀辐射单元阵列作为天线基板，另一块介质基板上刻蚀馈电网络，两块介质基板垂直连接，所述馈电网络的输出激励端口与驱动单元的馈电端口相连接。具有制作简单，费用较低的特点。天线的设计过程中，所有散射参数均由电磁仿真软件hfss15.0优化设计得到。利用功率传输效率最大化理论进行计算，可以直接得到最大传输效率，即表明天线的辐射特性达到最佳。
实施例1
本实施例的一种多驱动单元广义八木天线，其中，辐射单元包括五个相同的驱动单元、一个反射器和两个相同的引向器，即驱动单元121-125，反射器11和引向器131-132。驱动单元阵列12包括五个相同的驱动单元121-125，引向器阵列13包括两个相同的引向器131-132。驱动单元121-125、反射器11和引向器131-132形状相同、尺寸不同，将辐射单元沿最大辐射方向纵向排列得到多驱动单元八木天线阵列，如图2所示。
驱动单元121-125为图1所示的srr单元，其中，金属环宽度w＝0.5mm，内外金属环间隔d＝0.3mm，金属环平均半径r＝5.2mm，馈电端口宽度g＝0.762mm，金属环开口宽度c＝1.3mm，反射器11的尺寸比驱动单元121的尺寸大3％，引向器131的尺寸比驱动单元121的尺寸小4％。反射器11与驱动单元121之间的间隔为18mm，相邻驱动单元之间的间隔为17.8mm，驱动单元125与引向器131之间的间隔、引向器131和132之间的间隔均为17.5mm。
本实施例包括介质基板14和15，由激光雕刻机根据反射器11、驱动单元121-125和引向器131-132的形状尺寸将铜皮刻蚀在介质基板15上，制作出上述天线辐射单元，馈电网络16刻蚀在介质基板14上。介质基板14选用尺寸为12mm×90mm×0.762mm的rogers4003基板，介质基板15选用尺寸为14mm×140mm×0.49mm的arloncu250lx基板，介质基板15作为天线基板。介质基板14与15垂直连接，实物如图2所示。
天线实物制作完成后，利用agilentn9918a矢量网络分析仪，频率30khz-26.5ghz，测得天线反射系数s11，将其与仿真得到的天线反射系数s11进行对比，如图3所示。
测量本实施例设计天线的最大辐射方向的增益，步骤如下：
(1)准备测量需要的设备，包括被测天线、参考天线、传输线、信号发生器和矢量网络分析仪；所述被测天线指的是已设计的天线，选用工作带宽为1-18ghz的喇叭天线作为参考天线。
(2)将参考天线与信号发生器通过传输线连接，矢量网络分析仪与被测天线通过传输线连接，参考天线与被测天线之间的距离为d，参考天线放置在被测天线的远场。
(3)设置信号发生器频率f，发射功率pt,db。
(4)通过矢量网络分析仪测得参考天线与信号发生器之间传输线的损耗lt,db，被测天线与矢量网络分析仪之间传输线的损耗lr,db。
(5)将参考天线与被测天线的高度调整到同一水平面。测出矢量网络分析仪接收到的功率pr,db。
(6)设参考天线工作在频率f时的增益gt,db，然后将测得的上述参数代入公式：
(pr,db-lr,db)-(pt,db+lt,db)＝gt,db+gr,db-20log10f-20log10d+147.56
经过计算得出被测天线在该测试角度的增益gr,db。
(7)保持被测天线不动，将参考天线旋转θ角度，重复步骤(5)和步骤(6)。
(8)将在参考天线调整到不同角度下得到的增益gr,db导入函数绘图软件orgin8.0中即可得到被测天线的辐射方向图，如图4所示。
(9)通过步骤(8)得到的被测天线的辐射方向图找到最大辐射方向，然后在该位置改变信号发生器频率f，重复上述步骤(5)和步骤(6)可得到被测天线在最大辐射方向的端射增益在工作频带内的变化关系图，如图5所示。
本实施例采用开口谐振环(srr)作为辐射单元，工作在5.5ghz，该天线包括五个驱动单元，一个反射器和两个引向器。该设计辐射效率达到94％，实测端射增益达到11.7dbi，模型宽度仅1/4λ，长度仅2.54λ，λ表示工作波长。与p.aguilà等人的设计相比，模型长度减小了46％，同时保持与其相同的宽度和端射增益。
一种多驱动单元广义八木天线的优化方法，包括以下步骤：
(1)根据驱动单元、反射器和引向器的数量以及尺寸间距，设计出工作频率f的天线辐射单元；
(2)将步骤(1)的天线辐射单元组成发射天线阵列，计算远场距离，并在远场放置一个接收天线；
(3)利用功率传输最大化理论，优化发射天线驱动单元的激励振幅和相位；
(4)根据步骤(3)中优化得到的激励振幅和相位，优化设计出实现最佳激励的馈电网络；
(5)做出实物并进行实际测量，对比实测结果与仿真结果，如果对比实测结果与仿真结果不符合要求，重复步骤(1)至步骤(5)，直到设计出符合要求的天线。
其中，在步骤(3)中，利用功率传输最大化理论，优化发射天线驱动单元的激励振幅和相位，方法如下：
首先设计一个传输系统，其中包含一个na端口的发射天线阵列和一个接收天线，发射天线阵列和接收天线相隔距离为d，如图10所示。整个传输系统可以看作na+1端口网络，并可以通过(na+1)×(na+1)散射矩阵如式(1)表示：
其中
特征向量[at]表示发射天线归一化入射波，
假设接收天线是完全匹配的，则可以得到[ar]＝0。利用式(1)和式(2)可以得到：
其中(·,·)表示为两个向量矢量的内积，[a]和[b]表示两个矩阵，分别定义为
其中，i表示单位矩阵，式(3)取最大值的条件为
[a][at]＝tarray[b][at](4)
式(4)为一个广义特征方程，如果发射天线阵列的各个单元是匹配的，则可以得到[stt]＝[0]，[b]＝i，可以将式(4)进一步简化为：
[a][at]＝tarray[at](5)
通过求解式(5)的本征值，可获得接收天线和发射天线阵列之间的最大传输效率，进而计算出发射天线驱动单元最佳激励振幅和相位，即求解式(5)得到的特征向量[at]各元素的模值就是最佳激励振幅，特征向量[at]各元素的相位就是最佳相位。
实施例2
本实施例的一种多驱动单元广义八木天线，其中，辐射单元包括四个相同的驱动单元、一个反射器和三个相同的引向器，即驱动单元221-224，反射器21和引向器231-233。驱动单元阵列22包括四个相同的驱动单元221-224，引向器阵列23包括三个相同的引向器231-233。驱动单元221-224，反射器21和引向器231-233形状相同、尺寸不同，辐射单元为印刷半波偶极子，将辐射单元沿最大辐射方向纵向排列得到多驱动单元广义八木天线阵列，如图6所示。
驱动单元221的长度为44.6mm，宽度为1.4mm，反射器21的尺寸比驱动单元221的尺寸大10％，引向器231的尺寸比驱动单元221的尺寸小10％。反射器21与驱动单元221之间的间隔为44.2mm，相邻驱动单元之间的间隔为45.8mm，驱动单元224与引向器231之间的间隔、相邻引向器之间的间隔均为39.2mm。
本实施例包括介质基板24和25。由激光雕刻机根据反射器21、驱动单元221-224和引向器231-233的形状尺寸将铜皮刻蚀在介质基板25上，制作出上述天线辐射单元，馈电网络26刻蚀在介质基板24上。介质基板24选用尺寸为12mm×168mm×1.524mm的rogers4003基板，介质基板25选用尺寸为60mm×308mm×1.524mm的rogers4003基板，介质基板25作为天线基板。介质基板24与25垂直连接，实物图如图6所示。
本实施例天线的测量方法和优化方法与第一实施例相同。本实施例天线的辐射方向图，如图8所示。最大辐射方向的端射增益在工作频带内的变化关系图，如图9所示。
本实施例采用印刷半波偶极子作为辐射单元，工作在2.45ghz，该天线包括四个驱动单元，一个反射器和三个引向器。该设计辐射效率96.5％，实测端射增益达到13.4dbi，比传统半波偶极子八木天线高1.8db。
本发明给出了两种应用于无线局域网(wlan)的天线实施例，本发明优化方法可以应用于任意形式的天线单元。第一个实施例采用srr作为辐射单元，与p.aguilà等人的设计相比，本实施例减小46％的模型长度同时保持与他们的设计相同的宽度和端射增益。本发明的优化方法并不限定天线单元形式以及工作频率，第二个实施例采用半波偶极子作为辐射单元，与模型尺寸相同的传统半波偶极子八木天线相比，本发明方法设计的多驱动单元半波偶极子八木天线的端射增益提高1.8db。
以上所述，仅是本发明的优选实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围；凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改或同等变化，均落入本发明的保护范围之内。
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