一種新型微帶準八木天線的設(shè)計

五邑大學(xué)信息工程學(xué)院　袁　陶　李繼嵐　張　昕

一種新型微帶準八木天線的設(shè)計

五邑大學(xué)信息工程學(xué)院袁陶李繼嵐張昕

對現(xiàn)有的微帶準八木天線改進的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種中心頻率為2.4GHz的微帶準八木天線，將共面帶線CPS改進為G字母形狀，減小微帶到共面帶線過渡引起的交叉極化分量，同時增加了兩個引向器，使天線的增益從3.1695dBi增加到7.1147dBi。通過軟件仿真和實物測試表明改進型方式結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能有效地提高天線的增益，改善天線的性能。

準八木天線；天線增益；方向圖

引言

隨著微帶天線在雷達、偵察、導(dǎo)航及移動通信等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用［1］，人們對微帶天線的帶寬和增益提出了更高的要求。但微帶天線具有帶寬較窄的特性，如何改善這種特性成為了人們的研究熱點［2］。

由Qian等人提出的準八木（quasi-Yagi）天線［2］，繼承了傳統(tǒng)八木天線優(yōu)良的輻射特性。通過采用高的介電常數(shù)的介質(zhì)材料，天線的尺寸可以設(shè)計的非常小，而且它是單平面的，易于構(gòu)成陣列，可以結(jié)合平面微帶技術(shù)的多種優(yōu)點，有著廣泛的應(yīng)用前景［3］。

1.天線設(shè)計

1.1準八木天線

微帶準八木天線主要有兩部分組成［4］：上半部分為輻射部分，包括印刷偶極子和引向器；下半部分實現(xiàn)了微帶線到共面帶線（CPS）的轉(zhuǎn)換。微帶線的兩個臂相差半波長，以實現(xiàn)共面帶線的寄模激勵，因而起到一個寬帶巴倫的作用，微帶線背面截斷的接地面起到反射器的作用［5］。文獻［6］在介質(zhì)基板反面采用了平截的接地板作為其反射單元。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　天線結(jié)構(gòu)［文獻6］

1.2改進型的微帶準八木天線的設(shè)計

文獻［6］中仿真得到的天線增益為3.1695dBi，并未給出相對帶寬的數(shù)值。本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計一種中心頻率為2.4GHz新型改進準八木型微帶天線，為了進一步實現(xiàn)天線的小型化，將高頻板介質(zhì)ROGER改進為環(huán)氧樹脂板材FR4，即介電常數(shù)由2.2增加到4.4，板材的厚度為1.6mm，圖2為改進準八木型微帶天線的結(jié)構(gòu)圖。

圖2　改進微帶準八木型天線單元

根據(jù)準八木天線的設(shè)計依據(jù)［7］：驅(qū)動單元λg的長度控制在 0.5λg（天線的最長有效波長），引向器的長度應(yīng)為 0.45λg，它的計算公式為：

振子寬度的計算公式：

利用上述公式，可以得到各參數(shù)的初值大小，然后利用電磁仿真軟件 Ansoft HFSS的優(yōu)化仿真，得到天線的各尺寸參數(shù)如下：W=90mm，L=125mm，W1=20mm，W2=d=5mm，g=1mm，L1=26mm，L2=28 mm，d=0.5 mm，h=20 mm。

2.仿真與分析

2.1仿真分析

利用Ansoft HFSS仿真軟件對改進型的微帶準八木天線進行建模仿真。并分別對有源振子和引向器進行優(yōu)化分析。

首先，設(shè)置有源振子的長度分別為25mm、26mm、27mm、28mm，其對應(yīng)的S11仿真結(jié)果如圖3所示，從仿真曲線可以看出天線的諧振頻點主要由天線有源振子的長度決定，有源振子為26mm時比較接近天線的中心頻率，故有源振子選用26mm。

圖3　天線有源振子對S參數(shù)的影響

然后，將天線引向器長度分別設(shè)為28mm、30mm、32mm、34mm和36mm，對S參數(shù)的影響如圖4所示。從圖中可以看出長度為34mm和36mm時偏差最大。

圖4　天線引向器對S參數(shù)的影響

綜合以上分析最終選取天線有源振子長度、引向器長度以及引向器的開口寬度分別為26mm、28mm和5mm。

圖5　S11的仿真與測試結(jié)果

圖6　3D輻射方向圖

圖7　天線E面和H面輻射方向圖

圖8　天線正面

圖9　天線背面

2.2仿真與測試結(jié)果

圖5分別為S參數(shù)的仿真、測試對比圖，從圖中可以看出S11≤-10dB的相對帶寬均為25%左右，圖6為輻射方向圖，從圖中可以看出天線具有良好的輻射特性，軸向增益達到7.1147dBi。

圖7的實線和虛線分別代表了天線的E面和H面的輻射方向圖，在主方向的天線輻射基本對稱，也體現(xiàn)了平衡饋電的作用，兩個面的波束寬度分別為63°和87°，前后比良好。圖8和圖9為天線正面和背面實物圖。

3.結(jié)論

本文在文獻［6］的基礎(chǔ)上進行了改進，設(shè)計了微帶饋線代替了平行雙導(dǎo)線，將共面帶線CPS改進為G字母形狀，以減小微帶到共面帶線過渡引起的交叉極化分量，同時增加了兩個引向器，使天線的增益從3.1695dBi增加到7.1147dBi，同時提高了天線的匹配性能，通過仿真和測試對比，本文所設(shè)計天線性能有很大改善和提高，本文設(shè)計的天線具有較大的應(yīng)用價值。

［1］余川飛，李彪.一種具有寬帶寬角特性的改進型準八木天線［J］.信息與電子工程，2011，9（1）：39-43.

［2］倪國旗，張濤，倪圍，李樹彬.一種微帶準八木天線的改進設(shè)計［J］.微波學(xué)報，2013，29（1）：51-54.

［3］Mitola J，Maguire G，Jr..Cognitive radio： Making softwave radios more personal［J］.IEEE Personal Communication Magazine，1999， 6（4）：13-18.

［4］Qian Y，Deal W R，Kaneda N，et al. Microstrip-fed quasi-Yagi antenna with broadband characteristics［J］.Electronics Letters，1998：34（23）：2194-2196.

［5］郭俊，王鋒，金謀平.準八木型寬帶微帶天線單元的設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子，No.2，pp 25-27，2002.

［6］徐逢舉.一種中心頻率為3GH的微帶準八木天線的仿真設(shè)計［J］.通信技術(shù)，2009，42（4）：22-26.

［7］STUTZMAN W L，THIELE G A.Antenna theory and design ［M］.New York：Wiley，1998：33-42.

［8］Dandawate A V，Giannakis G B.Statistical test for presence of cyclostationarity［J］.IEEE trans. on Signal Processing，42（9）：2355-2369.

A novel quasi-Yagi antenna

YUAN Tao， LI Ji-Lan， ZHANG Xin
（School of Electronic Information Engineering ， Wuyi University， Jiangmen Guangdong 529000，China）

A novel quasi-Yagi antenna in 2.4GHz is enhanced in this paper. The cross polarization component caused by the transition from microstrip to coplanar strip line is reduced by the coplanar strip line CPS improved to G. Two director elements are designed to improve the gain. And the gain of the antenna is increased from 3.1695dBi to 7.1147dBi. This antenna is tested by software simulation and physical test， it is proved that the structure of quasi-Yagi antenna is reasonable， it can effectively improve the gain and the performance of the antenna.

Quasi-Yagi antenna; Antenna gain; Pattern