一種應(yīng)用于WiFi頻段的高增益新型微帶準(zhǔn)八木天線*

黃文靜，孫 俊，楊唐鋼

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650504）

0 引 言

八木天線是八木-宇田天線的簡(jiǎn)稱，是1926年由一名日本學(xué)生和他的導(dǎo)師八木設(shè)計(jì)提出的。八木天線作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定向性較好的天線，一直以來(lái)都被國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者研究，也被廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)[1-2]。但是，八木天線通常體積龐大、重量較大且調(diào)整相對(duì)較困難，限制了其在某些場(chǎng)合的應(yīng)用。1953年，微帶天線的概念被Deschamp提出。但是，直到20世紀(jì)70年代初，由于微波集成技術(shù)的發(fā)展和各種低耗材質(zhì)的生產(chǎn)，才使得微帶天線的制作工藝得到保障。由于微帶天線質(zhì)量輕、體積小、易于共形、易于集成、易于生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于各種場(chǎng)合。但是，微帶天線一般存在輻射效率低、性能受基片材料的影響較大等缺點(diǎn)。隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，基于兩種天線各自的優(yōu)缺點(diǎn)，越來(lái)越多的學(xué)者將八木天線的理論應(yīng)用于微帶天線，提出了兩種微帶八木天線的形式。一種是微帶貼片天線，其最大輻射方向?yàn)闇?zhǔn)端射方向，主瓣波束像端射方向傾斜；另一種是微帶準(zhǔn)八木天線，最大輻射方向?yàn)槎松浞较?，即垂直于天線表面的方向。微帶準(zhǔn)八木天線作為典型的端射天線，在無(wú)線通信領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。隨著無(wú)線通信的快速發(fā)展，天線具有高增益和單向輻射模式，在諸如衛(wèi)星等各種通信系統(tǒng)中非常需要。然而，準(zhǔn)八木天線的增益相對(duì)較低。針對(duì)這個(gè)缺陷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種高增益的八木天線，但結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。近年來(lái)，許多具有獨(dú)特性能的超材料被廣泛應(yīng)用于微波器件和天線應(yīng)用[4-9]。其中，低/零指數(shù)（LIM/ZIM）材料具有控制發(fā)射方向的特點(diǎn)[4-5]。將ZIM結(jié)構(gòu)作為微帶天線的上層，增益提高了1～2 dB。然而，這種結(jié)構(gòu)使得天線體積大、質(zhì)量重。文獻(xiàn)[6]將非諧振人工材料（Non-Resonant Artificial Material，NRAM）引入對(duì)拓槽天線的例子，高頻段13～18 GHz的增益平均提高3 dB。后面，又有學(xué)者利用人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conducto，AMC）提高了微帶天線的增益[7]。文獻(xiàn)[8-9]利用頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）作為空間濾波器來(lái)提高微帶天線增益。

近幾年，開口諧振環(huán)因其奇特的電磁特性，引起了許多研究者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[10]介紹了一種利用SRR的負(fù)磁導(dǎo)率特性實(shí)現(xiàn)Vivaldi天線帶內(nèi)頻率可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[11]實(shí)現(xiàn)了利用一種新型互補(bǔ)開口諧振環(huán)（CSRR）實(shí)現(xiàn)小型多頻帶微帶天線。文獻(xiàn)[12]利用發(fā)卡式的SRR結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種柔性且頻帶單獨(dú)可控的雙頻超材料，其帶阻特性實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的屏蔽作用。但是，將開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)用在提高微帶準(zhǔn)八木天線增益方面的應(yīng)用還并不成熟。本文利用SRR結(jié)構(gòu)的特殊諧振作用，使之在準(zhǔn)八木天線的端射方向的前方形成特殊功能的引向器，設(shè)計(jì)了一種覆蓋WiFi頻段的高增益新型微帶準(zhǔn)八木天線，在保證天線尺寸和帶寬的前提下，有效提高了增益。

1 開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和諧振特性分析

要將開口諧振環(huán)應(yīng)用于本文設(shè)計(jì)的微帶準(zhǔn)八木天線，開口諧振環(huán)單元的設(shè)計(jì)如圖1所示。深色部分為開口諧振環(huán)，淺色部分為厚度為0.8 mm，介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)板。開口諧振環(huán)單元由兩個(gè)邊長(zhǎng)不同的正方形開口諧振環(huán)組成，開口方向相反，具體參數(shù)如表1所示。

圖1 開口諧振環(huán)單元結(jié)構(gòu)

表1 開口諧振環(huán)單元尺寸表

將設(shè)計(jì)好的開口諧振環(huán)單元放置于TEM導(dǎo)波中，開口諧振環(huán)單元以如圖2所示的形式擺放，沿z軸方向的波導(dǎo)壁設(shè)為理想磁邊界，沿y軸方向的波導(dǎo)壁設(shè)為理想電邊界，使電磁波沿x方向傳播。波導(dǎo)中TEM波的磁場(chǎng)H垂直穿過(guò)開口諧振環(huán)單元所在的平面，電場(chǎng)E平行于開口諧振環(huán)單元開口所在邊的方向。開口諧振環(huán)單元在理想電邊界的鏡像作用下，可以等效周期的開口諧振環(huán)陣列，通過(guò)一個(gè)開口諧振環(huán)單元結(jié)構(gòu)的特性參數(shù)，分析周期結(jié)構(gòu)開口諧振環(huán)的電磁特性。

圖2 開口諧振環(huán)單元結(jié)構(gòu)置于TEM導(dǎo)波中

本設(shè)計(jì)的開口諧振環(huán)單元在TEM波導(dǎo)中的傳輸特性，如圖3所示。在4 GHz以下的頻段內(nèi)，S11≤-10 dB；在頻段4～6.2 GHz內(nèi)，-3 dB≤S11≤-10 dB；電磁波的傳輸在6.2 GHz以上頻段受到抑制；在諧振頻率為7.2 GHz處，出現(xiàn)最小諧振頻率。

圖3 傳輸特性曲線

2 加載開口諧振的高增益準(zhǔn)八木天線設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的天線幾何結(jié)構(gòu)，如圖4所示。將天線印刷在厚度h為0.8 mm，尺寸為Wsub×Lsub的FR4環(huán)氧樹脂介質(zhì)板上，其介電常數(shù)εr為4.4，損耗正切tanδ為0.02。天線采用漸變式微帶巴倫結(jié)構(gòu)對(duì)天線進(jìn)行饋電，并采用漸變式結(jié)構(gòu)將微帶線和激勵(lì)陣子相連。該結(jié)構(gòu)中，左側(cè)的激勵(lì)陣子印刷在介質(zhì)板背面，再與背面的反射貼片連接；右側(cè)的激勵(lì)陣子印刷在介質(zhì)板正面，與正面的反射貼片通過(guò)微帶線饋線相連。上下反射貼片通過(guò)幾個(gè)金屬圓柱連接，這樣與左側(cè)的激勵(lì)陣子形成180°相位差。激勵(lì)陣子內(nèi)側(cè)部分有一個(gè)切角，兩個(gè)切角形成一個(gè)張角，可以增加天線的帶寬。天線的帶寬會(huì)隨著切角大小的改變而改變。通過(guò)仿真優(yōu)化，取一個(gè)使天線帶寬最大的切角值。激勵(lì)陣子前端放置了5個(gè)引向陣子。介質(zhì)板正面和反面的反射貼片作為反射陣子，構(gòu)成了八木天線的基本結(jié)構(gòu)，也是本設(shè)計(jì)的原型天線.如圖4（a）所示，為了進(jìn)一步提高增益，在引向陣子前端正反面加入8個(gè)開口諧振環(huán)單元，改進(jìn)后的天線結(jié)構(gòu)圖如圖4（b）所示。為了證明改進(jìn)后天線增益的提高是由加載開口諧振環(huán)引起的，設(shè)計(jì)了加載六元引向陣子的對(duì)比天線，對(duì)比天線結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示。

圖4 天線幾何結(jié)構(gòu)

加載開口諧振環(huán)的高增益準(zhǔn)八木天線的總體尺寸為Wsub×Lsub，其余各部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示。各部分初始值根據(jù)八木天線理論來(lái)計(jì)算，本設(shè)計(jì)八木天線要求工作在WiFi頻段，因而中心頻率f0設(shè)計(jì)為2.45 GHz。在確定中心頻率、介質(zhì)板材料和厚度后，為了保證較高的輻射效率，輻射陣子的寬度W3和引向陣子的寬度W4的理論值為：

式中c為自由空間光速，輻射陣子的長(zhǎng)度dr的理論值為 0.45λg～0.5λg，引向陣子的長(zhǎng)度 d1的理論值為 0.25λg～0.45λg，反射陣子和輻射陣子的間距 g1的理論值為 0.15λg～0.3λg，激勵(lì)陣子與引向陣子的間距g2及兩個(gè)引向陣子之間的距離g3的理論值為 0.15λg～0.25λg，其中 λg為電磁波在介質(zhì)中的工作波長(zhǎng)：

其中，εe為天線的相對(duì)介電常數(shù)：

圖5 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

先確定理論值后，用HFSS優(yōu)化天線尺寸，最終確定的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸如表2所示。

表2 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸

3 仿真結(jié)果與分析

為了分析加載開口諧振環(huán)對(duì)天線回波損耗的影響，圖6顯示了原天線、加載開口諧振環(huán)天線和對(duì)比天線的回波損耗圖。仿真結(jié)果顯示，在天線的中心頻率2.45 GHz處，原天線的S11值為-22 dB，對(duì)比天線的S11值為-21.5 dB，加載開口諧振環(huán)天線的S11值降低至-62 dB，相比原天線的S11值降低了40 dB，說(shuō)明加載開口諧振環(huán)對(duì)天線的回波損耗的改善效果十分明顯。原天線能夠覆蓋的頻段范圍為2.3～2.6 GHz，改進(jìn)后的天線能夠覆蓋的頻段范圍為2.28～2.57 GHz，改進(jìn)后的天線覆蓋的頻段范圍和原天線基本一致，都能覆蓋WiFi頻段（2.4～2.483 GHz）。

為了分析加載開口諧振環(huán)對(duì)天線增益的影響，圖7顯示了本設(shè)計(jì)的3個(gè)天線在2.45 GHz處的3D輻射圖，原天線的3D輻射圖如圖7（a）所示，對(duì)比天線的3D輻射圖如圖7（b）所示，加載開口諧振天線的3D輻射圖如圖7（c）所示。從3個(gè)天線在中心頻率處的3D輻射圖可以看出，原天線在中心頻率處的增益為7.37 dB，增加一個(gè)引向陣子的對(duì)比天線在中心頻率處的增益為7.43 dB。可見，天線增益增加并不明顯。而加載開口諧振環(huán)天線在中心頻率處的增益增加到8.79 dB，對(duì)比原天線增加了1.42 dB，說(shuō)明加載開口諧振環(huán)相比于增加天線引向陣子數(shù)目更能提高天線的增益。天線在帶寬范圍內(nèi)的二維輻射方向圖，如圖8、圖9所示。從圖8、圖9可以看出，與原天線相比較，加載開口諧振環(huán)的天線在xoy、zoy面方向圖波束均有變窄。加載開口諧振環(huán)的天線在覆蓋頻段內(nèi)，xoy面半功率波束寬度縮減都在5%以上，zoy面半功率波束寬度縮減都在20%以上。可以看出，加載開口諧振環(huán)天線的主波束相比于原天線的主波束明顯變窄，天線的方向性變好，端射性能較好?？梢?，本設(shè)計(jì)的加載開口諧振環(huán)天線能夠有效改善天線的方向性和端射性能。

圖6 回波損耗

圖7 2.45 GHz處的3D輻射

圖8 天線xoy面方向圖

圖9 天線zoy面方向圖

為了分析加載開口諧振環(huán)對(duì)天線性能改善的原因，圖10顯示了原天線和加載開口諧振環(huán)天線在中心頻率處的電場(chǎng)幅度瞬時(shí)分布圖?？梢钥闯觯炀€的電場(chǎng)能量主要集中在輻射陣子和前3個(gè)引向陣子上。當(dāng)天線的引向陣子超過(guò)4個(gè)后，電場(chǎng)能量明顯減弱。因此，當(dāng)天線的引向陣子超過(guò)4個(gè)后，再增加引向陣子，對(duì)天線性能的改善并不顯著。加載開口諧振環(huán)天線的電場(chǎng)能量主要集中輻射陣子、前3個(gè)引向陣子以及諧振環(huán)上，開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)起到了明顯的引向器作用，有效改善了天線端射方向的輻射性能，證明利用開口諧振環(huán)特殊結(jié)構(gòu)作為引向器可以有效提高天線的增益。

圖10 天線電場(chǎng)幅度瞬時(shí)分布

4 結(jié)論與展望

本文將開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)與準(zhǔn)八木天線相結(jié)合，提出了一種應(yīng)用于WiFi頻段的高增益新型微帶準(zhǔn)八木天線。通過(guò)在該微帶八木天線引向陣子前段加載SRR結(jié)構(gòu)，使之在天線輻射前方形成特殊諧振功能的引向器，以將天線的能量集中于端射方向，明顯提高了天線在端射方向的增益。仿真測(cè)驗(yàn)結(jié)果表明，原天線在中心頻率處的增益為7.37 dB，加載開口諧振環(huán)天線在中心頻率處的增益增加到8.79 dB，對(duì)比原天線增加了1.42 dB。可見，加載開口諧振環(huán)相比于增加天線引向陣子數(shù)目，更能提高天線的增益。與原天線相比較，加載開口諧振環(huán)的天線在覆蓋頻段內(nèi)xoy面半功率波束寬度縮減都在5%以上，zoy面半功率波束寬度縮減都在20%以上，說(shuō)明本設(shè)計(jì)的加載開口諧振環(huán)天線能夠有效改善天線的方向性和端射性能。綜上所述，較好的定向輻射特性和高增益特性，使得本文設(shè)計(jì)的新型準(zhǔn)八木天線在狹長(zhǎng)隧道或礦井中通信中有較好的應(yīng)用。