八木天线往事及仿真实例

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摘要：

八木天线是由一个有源振子（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”。

本文使用的软件为CST2018和AnsysEM 18.2

八木天线的命名

提到八木天线，大家可能以为这天线是一个名字里有八木的人发明的，而且这就是天线的全称。事实上，八木天线的原始设计和工作原理首先由日本东北帝国大学的 S. Uda发表于日本的I.E.E. 杂志^[1]。

但使得该天线更广泛流传和阅读的文章^[2]却来自Uda 教授的一位同事——H. Yagi。

尽管Yagi在他的英文论文中致谢了Uda教授，但全世界还是习惯将该天线称为Yagi-antenna，这也成了天线词典中的通用术语。

参考资料

[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-宇田天线的大部分工作并最先独立发表了该研究成果，但之后八木秀次教授将论文翻译成英文并成为第一作者，因此理所当然地成为了成果对外的展示者。除此之外，八木秀次在申请专利时也未加上宇田教授的名字，这一切操作直接导致了外界认为八木秀次是“八木-宇田天线”的主要发明者。

不过随着时间的推移，世人渐渐肯定了宇田教授的贡献。为了更恰当地反映两位发明人的贡献，在国际上通用的教科书里，该天线统称为八木-宇田天线(Yagi-Uda antenna)。也算是为其"加冕"了。

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

八木-宇田天线的工作原理

我们都知道，偶极子天线，其H面方向图为一个圆，没有定向性。但是将两个半波振子放置一定间距d组成二元阵，并对其以一定相差进行馈电，其方向图就会产生规律性变化。

下图所示为两半波阵子间隔，馈电相差为时，其单元方向图，二元阵阵因子图和利用方向图相乘原理计算出的二元阵E面方向图。

类似来看，激励半波振子，其H面方向图为一个圆，无方向性。但加上一根或几根无源振子并排放置后，其H面内的方向图将变得有方向性。

为了实现端射效果，在主辐射方向上的寄生振子的长度略小于中间有源振子的长度。有源振子(Driven)长度通常略小于(通常为，而引向器(Director)的长度应该是大约。引向器并不必须具有相同的长度和直径，其之间的间距通常为。

Uda在大量的实调过程中总结道：最佳反射器(Reflector)的尺寸约为，与有源振子间距；最佳引向器的尺寸比半波长约短10%，与有源振子间距波长。这些只是经验数据，不一定对应全局最佳设计尺寸。

 

随着科研学者的深度研究，微带八木天线逐渐涌入人们的视野。下图所示的分别为层叠式微带八木天线和平面式微带八木天线。

层叠式微带八木天线横向上尺寸并不大，但是纵向上的尺寸却显得相对较高；平面式微带八木天线的纵向尺寸较小，但在横向尺寸上却显得相对较大。两种方案可根据需求指标和具体结构尺寸而定。有兴趣的可以搜索微带八木天线相关文献进行深入学习研究，这里就不展开赘述了。

CST仿真实例

如下图所示的一个八木天线包含一个有源振子，一个反射器和5个引向器。

有源振子，反射器和引向器的长度分别为23.5mm，26mm和21mm，反射器和有源振子的间距为12.9mm，第一引向器与有源振子的间距为12.9mm，各引向器之间的间距为17.6mm，振子的直径均为1mm。

有源振子采用50欧姆离散端口激励，仿真结果表明，该八木天线在WIFI 5G band1频段内S11<-10dB，端口匹配良好。

下图是八木天线5.1GHz、5.2GHz、5.3GHz、5.4GHz四个频点的E面方向图：

粗调的八木天线，其带内频点的副瓣电平和前后比有所差异。主副瓣比基本在9dB左右，最好前后比在5.3GHz，大概有23dB左右。不过当做简单的定向天线，用来点对点通讯的话，主要还是关心主波束对应的最大增益值。

资源分享

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