基于八木天線的雙頻帶微帶天線

陳　明, 朱先成

(1. 西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121；　2. 西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

基于八木天線的雙頻帶微帶天線

陳明1, 朱先成2

(1. 西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121；2. 西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

摘要:為解決八木天線體積大和印制天線增益普遍較小的矛盾，設(shè)計一種基于八木天線結(jié)構(gòu)的雙頻帶印制準(zhǔn)八木天線。該天線制作在以聚四氟乙烯(1 mm, εr =2.65)為材料的基板上，兩振子在基板的上下兩側(cè)呈對稱分布，背面部分的振子通過帶線與地直接相連，而正面部分的振子則通過帶線-微帶線直接饋電。這種簡單的饋電結(jié)構(gòu)可使該天線在5.2 GHz和5.8 GHz處分別獲得了8.85 dB和9.47 dB的增益，且定向性較強。利用三維電磁仿真軟件(Ansoft HFSS13.0)進(jìn)行仿真設(shè)計，并將制作好的天線通過SMA連接器連接到矢網(wǎng)儀(Agilent Technologies N5230C 10MHz～20GHz)進(jìn)行測試。實際測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，符合設(shè)計要求，驗證了設(shè)計的正確性。

關(guān)鍵詞:八木天線；雙頻帶；高增益；定向輻射模式

八木天線自問世以來, 就因其方向性強、增益高、結(jié)構(gòu)簡單且具有較寬的帶寬而倍受青睞[1-3]。八木天線是一種引向天線，是由平行偶極子產(chǎn)生的用于產(chǎn)生端射陣的寄生陣列。八木天線由一個有源振子、一個反射器和一個或多個引向器構(gòu)成，反射器和引向器不是被直接激勵，而是通過耦合方式激勵。通過調(diào)節(jié)反射器和引向器可實現(xiàn)端射輻射模式。八木天線通常體積大，重量也大，這限制了其在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用。

隨著雷達(dá)、電子對抗和現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)備對天線的要求也越來越高。微帶天線因重量輕、體型小和制作簡單而得到廣泛研究。將八木天線的設(shè)計概念與微帶結(jié)構(gòu)相結(jié)合，制作重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊且具有定向輻射模式和高增益的天線，是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點[4-7]。

基于八木天線的設(shè)計原理以及微帶結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，本文擬設(shè)計一款具有簡單饋電網(wǎng)絡(luò)的雙頻帶印制準(zhǔn)八木天線，并通過仿真與實驗測試驗證其性能。

1天線設(shè)計

所設(shè)計的天線模型如圖1所示。

圖1　天線模型

天線由一個振子、反射器和三個相同結(jié)構(gòu)的引向器構(gòu)成。饋電方式為側(cè)饋，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。振子被分布在介質(zhì)基板的上下兩側(cè)，呈對稱分布，正面部分的振子通過帶線直接饋電，背面部分的振子則通過帶線與充當(dāng)反射器的地直接相連。這種簡化的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可減少傳輸線的長度，降低輻射損失。天線制作在以聚四氟乙烯為材料的基板上，該基板材料的相對介電常數(shù)為2.65，基板的厚度為1 mm，大小為40 mm×40 mm。制作出的天線具有方向性強、增益高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于加工制作等特點。

這種結(jié)構(gòu)容易選擇初始參數(shù)。以初始頻率5.2 GHz為基礎(chǔ)設(shè)計天線參數(shù)，根據(jù)八木天線的設(shè)計原則，振子的長度L0約為波長一半，引向器的長度L1約為0.45倍的波長。引向器之間的間距d應(yīng)為0.1～0.2倍波長，為了獲得緊湊型天線，選擇0.1倍的波長。第一引向器與振子之間的距離d01約為引向器之間間距d的0.6～0.7倍。由于所設(shè)計的是雙頻帶天線，所以實際波長介于5.2 GHz與5.8 GHz所對應(yīng)波長之間[8-12]。采用有限元法，利用Ansoft HFSS13.0對模型進(jìn)行仿真分析,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，得出優(yōu)化后的數(shù)據(jù)按照所設(shè)計的天線參數(shù)進(jìn)行加工，制作的天線實物如圖2所示。

L0=38.1 mm，

W0=2.2 mm，

d=3.9 mm，

d01=2 mm，

dr=8 mm，

df=5.5 mm，

L1=18.5 mm，

W1=4 mm，

Wf=2.7 mm。

(a) 正面

(b) 背面

2實驗結(jié)果及分析

將制作好的天線通過SMA連接器連接到矢網(wǎng)儀(Agilent Technologies N5230C 10 MHz～20 GHz)進(jìn)行測試。實驗測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　矢網(wǎng)儀

所設(shè)計天線的回波損耗仿真及測試結(jié)果如圖4所示。測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合比較好。測試結(jié)果與仿真結(jié)果出現(xiàn)細(xì)微偏差的原因在于，實際材料存在參數(shù)誤差，而且制做工藝也難免存在誤差。對比結(jié)果基本可以說明設(shè)計的正確性。

圖4　天線回波損耗

所設(shè)計天線在5.2 GHz和5.8 GHz處的仿真方向圖如圖5所示，與其相對應(yīng)的三維增益方向圖如圖6所示?？梢姡O(shè)計天線具有較強定向輻射特性和較高增益。在5.2 GHz處，天線在最大輻射方向上增益為8.85 dB。在5.8 GHz處，天線在最大輻射方向上增益為9.47 dB。

(a) 5.2 GHz

(b) 5.8 GHz

(a) 5.2 GHz

(b) 5.8 GHz

3結(jié)語

將八木天線的設(shè)計概念與微帶結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，可設(shè)計出體積小、結(jié)構(gòu)簡單，且具有高增益和強定向性的天線。實際設(shè)計的線體積較小，僅有40 mm×40 mm×1 mm，但增益卻比較高，在5.2 GHz和5.8 GHz處增益分別能達(dá)到8.85 dB和9.47 dB，且定向性較強。不過，此次設(shè)計的方向圖顯示，天線尾瓣較大，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

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[責(zé)任編輯:瑞金]

A dual-band microstrip antenna based on Yagi antenna

CHEN Ming1，ZHU Xiancheng2

(1. School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China;2. School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

Abstract:In order to solve the contradictions between the big volume of traditional Yagi antenna and the small gain of the printed antenna, a dual-band printed quasi-Yagi antenna based on the structure of Yagi antenna is designed in this paper. Manufactured on the teflon substrate (1 mm,εr=2.65), the antenna has a driver dipole printed symmetrically on the opposite sides of the dielectric substrate. The lower vibrator is connected to the ground by a strip line while the upper one is fed by stripline-microstrip line. With simple feed structure in the antenna, a directional radiation pattern is obtained. In addition, the gains of it are 8.85 dB and 9.47 dB at the 5.2 GHz and 5.8 GHz respectively. After the antenna is simulated by three-dimensional electromagnetic simulation software (Ansoft HFSS13.0), it is fabricated on a substrate with teflon material. The sample of the presented antenna was connected to the test equipment (Agilent Technologies N5230C 10 MHz ～ 20 GHz) for testing via the SMA adaptor. The measured result is consistent with the simulated result, which verifies the correctness of the design.

Keywords:Yagi antenna, dual-band, high gain, directional radiation pattern

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.01.014

收稿日期：2015-11-04

基金項目：西安郵電大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目(CXL2014-09)

作者簡介：陳明(1956-),男，博士，教授，博導(dǎo)，從事射頻與無線技術(shù)及微波光子學(xué)研究。E-mail:chenming5628@sina.com 朱先成(1989-),男，碩士研究生，研究方向為寬帶無線通信技術(shù)。E-mail:785320694@qq.com

中圖分類號：TN82

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-6533(2016)01-0072-04