基于開(kāi)槽型接地板的新型雙頻準(zhǔn)八木天線設(shè)計(jì)

黃文靜 孫俊 胡耀文 王行

摘 ?要： 利用電磁仿真軟件ANSYS HFSS設(shè)計(jì)一種基于開(kāi)槽型接地板的新型雙頻準(zhǔn)八木天線。首先，設(shè)計(jì)一種新型巴倫結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)八木天線，該天線的饋電由微帶線實(shí)現(xiàn)，阻抗匹配通過(guò)一段[λ4]阻抗變換器實(shí)現(xiàn)，這不僅實(shí)現(xiàn)了微帶線到共面帶狀線的轉(zhuǎn)換，也改良了典型八木天線復(fù)雜的巴倫結(jié)構(gòu);然后，在此天線的基礎(chǔ)上將矩形的引向振子改進(jìn)為菱形的引向振子，改進(jìn)后的天線中心頻率處回波損耗降低為-73.5 dB，相比改進(jìn)前降低了10 dB;最后，在此天線的反射地板非延長(zhǎng)部分的中心兩側(cè)開(kāi)兩個(gè)矩形槽，改進(jìn)后的天線具有在5.5 GHz和9.5 GHz兩個(gè)頻段內(nèi)進(jìn)行雙頻工作的特征。

關(guān)鍵詞： 準(zhǔn)八木天線; 微帶線; 菱形引向振子; 矩形槽; 回波損耗; 雙頻工作

中圖分類號(hào)： TN823+.24?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）15?0008?05

Design of dual?band quasi?Yagi antenna based on slotted earth plate

HUANG Wenjing， SUN Jun， HU Yaowen， WANG Xing

（College of Information Engineering and Automation， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650504， China）

Abstract： A new type of dual?band quasi?Yagi antenna based on slotted ground floor is designed with the electromagnetic simulation software ANSYS HFSS in this paper. First， a quasi?Yagi antenna with a new Balun structure is designed， whose feed is realized by a microstrip line， and impedance matching is realized by a 1/4 impedance converter. It not only realizes the transformation of the microstrip line to the coplanar stripline， but also improves the complex Balun structure of the typical Yagi antenna. And then， the rectangle leading oscillator is improved to the rhombus leading oscillator on the basis of this antenna. The return loss at central frequency of the improved antenna is reduced to -73.5 dB， which means that the return loss is decreased by 10 dB in comparison with that of the antenna before the improvement. Finally， two rectangular grooves are made on both sides of the non?extended portion of the reflective plate of the antenna. The improved antenna has the characteristic of dual frequency operation in the two frequency bands of 5.5 GHz and 9.5 GHz.

Keywords： quasi?Yagi antenna; microstrip line; rhombus leading oscillator; rectangular groove; return loss; dual?band operation

0 ?引 ?言

自從八木天線被發(fā)明以來(lái)，因?yàn)樗O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、定向輻射能力強(qiáng)、增益高而倍受重視。八木天線是引向類天線中的一種，基本的八木天線一般由一個(gè)有源振子、一個(gè)反射器和一個(gè)或著多個(gè)引向器組成，有源振子被直接激勵(lì)，而反射器和引向器則是通過(guò)耦合的方式激勵(lì)，通過(guò)調(diào)整反射器和引向器，可實(shí)現(xiàn)端輻射模式。但是八木天線也有很多缺點(diǎn)，例如體積、質(zhì)量較大，調(diào)整相對(duì)較困難，工作帶寬也相對(duì)較窄，這些缺點(diǎn)都限制了八木天線在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用。微帶準(zhǔn)八木天線在繼承了八木天線特點(diǎn)的同時(shí)還具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如體積小、質(zhì)量輕，容易共面、共形以及容易與微波電路集成，因而受到關(guān)注[1?5]。文獻(xiàn)[6]中用貼片代替偶極子，并且將其作為該八木天線的有源振子。在文獻(xiàn)[7?8]中報(bào)道了一種印刷偶極子陣列八木天線的結(jié)構(gòu)，該八木天線由微帶線實(shí)現(xiàn)饋電、帶狀線過(guò)渡。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信設(shè)備往往需要工作在不同的頻帶實(shí)現(xiàn)層出不窮的新功能，因此一個(gè)通信系統(tǒng)中通常需要用到多個(gè)天線同時(shí)實(shí)現(xiàn)多頻帶工作。但是，現(xiàn)有的通信設(shè)備體積有限，并且越來(lái)越朝著小型化的方式發(fā)展，多個(gè)天線在通信設(shè)備上的布局和互相干擾成為非常棘手的問(wèn)題，因此多頻帶天線的設(shè)計(jì)及應(yīng)用也就變得十分重要。多頻帶天線技術(shù)旨在利用一個(gè)天線來(lái)實(shí)現(xiàn)不同頻帶的正常工作，既節(jié)約了空間，又解決了多個(gè)天線間互相干擾的問(wèn)題，目前的多頻帶天線最主要的實(shí)現(xiàn)方式是引入附加的諧振結(jié)構(gòu)[9?12]。添加諧振結(jié)構(gòu)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻工作但天線結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，文獻(xiàn)[13]通過(guò)加載CSRR來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的小型化和多頻化。近年來(lái)，全世界越來(lái)越多的學(xué)者研究準(zhǔn)八木天線，但目前大多數(shù)的研究還是集中在單頻準(zhǔn)八木天線上，雙頻或者多頻的準(zhǔn)八木天線的研究成果仍舊不多。因此，設(shè)計(jì)出高增益的雙頻微帶準(zhǔn)八木天線成為天線研究的熱點(diǎn)。

本文基于八木天線的設(shè)計(jì)概念以及微帶天線的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，將這兩部分相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一款質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的微帶準(zhǔn)八木天線，且具有定向輻射特性、高增益和雙頻帶。本文首先設(shè)計(jì)一種新型饋電方式的寬帶準(zhǔn)八木天線，在一定阻抗帶寬范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)較良好的輻射，在此基礎(chǔ)上，為了能夠進(jìn)一步提高該天線的輻射性能，將引向振子的形狀由矩形改進(jìn)為菱形，同時(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的反射地板，在地板中心兩側(cè)開(kāi)槽，使得天線的帶寬增大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙頻工作，這比起引入附加的諧振結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻工作更加方便。本文設(shè)計(jì)的這種基于開(kāi)槽型接地板的新型雙頻準(zhǔn)八木天線具有高增益和雙頻工作等良好特性，使該天線在無(wú)線通信領(lǐng)域有很好的發(fā)展前景。

1 ?天線設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的原型天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，將天線印刷在尺寸為[W×L]的FR4介質(zhì)板上，該介質(zhì)板的厚度為0.8 mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.4。本文設(shè)計(jì)通過(guò)微帶線對(duì)天線進(jìn)行饋電，通過(guò)一段[λ4]阻抗變換器進(jìn)行阻抗匹配。同時(shí)，通過(guò)一種新型的巴倫結(jié)構(gòu)改進(jìn)原準(zhǔn)八木天線巴倫結(jié)構(gòu)過(guò)大的缺點(diǎn)，在這種新型的巴倫結(jié)構(gòu)中，天線的微帶線直接和左邊的共面帶狀線相連接，而共面帶狀線的右側(cè)則通過(guò)金屬過(guò)孔和接地板相連，這樣就能使右側(cè)的共面帶狀線和左側(cè)的共面帶狀線形成180°相位差，再通過(guò)兩側(cè)間的耦合，實(shí)現(xiàn)微帶線到共面帶狀線的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)有源振子的饋電。

為了能將共面帶狀線的右側(cè)和接地板相連，同時(shí)減小地板結(jié)構(gòu)對(duì)天線的影響，只在共面帶狀線的下方對(duì)地板進(jìn)行相應(yīng)的延長(zhǎng)變化。為了增加天線的帶寬，在共面帶狀線和輻射振子相連的地方設(shè)計(jì)了一個(gè)張角，通過(guò)改變張角的大小便可以改變天線的帶寬。通過(guò)HFSS軟件的優(yōu)化功能，可以確定出使天線帶寬最大的張角。有源振子前端放置三個(gè)引向振子，這樣就可以構(gòu)成八木天線的基本結(jié)構(gòu)。

為了進(jìn)一步提高天線增益，對(duì)原型天線進(jìn)行改進(jìn)，首先，將引向振子的形狀由矩形改變成菱形，改進(jìn)引向振子為菱形引向振子后的天線結(jié)構(gòu)如圖2所示;然后，為了實(shí)現(xiàn)雙頻工作，為反射地板開(kāi)槽。開(kāi)槽方式為在非延長(zhǎng)部分的中心兩側(cè)進(jìn)行對(duì)稱開(kāi)槽，非延長(zhǎng)部分中心保留延長(zhǎng)部分的寬度，在此寬度的兩側(cè)對(duì)稱地開(kāi)兩個(gè)矩形槽，最終改進(jìn)后的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。

圖1 ?原型天線

圖2 ?菱形引向振子天線

? 圖3 ?改進(jìn)后的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文設(shè)計(jì)將天線印刷在[W×L]的FR4介質(zhì)板上，根據(jù)八木天線的的理論可算出，有源振子長(zhǎng)度的初始值為[L1=0.5λg]，引向振子長(zhǎng)度的初始值為[0.45λg]，有源振子和地板（反射振子）之間水平距離的初始值為[0.25λg]，有源振子與引向振子之間水平距離的初始值為[0.2λg]，引向振子之間水平距離的初始值為[0.2λg]，其中[λg]為電磁波在介質(zhì)中的工作波長(zhǎng)。

式中：[εr]表示天線的相對(duì)介電常;[h]表示介質(zhì)板的厚度;[w]表示微帶線的寬度。為能實(shí)現(xiàn)雙頻工作，對(duì)反射接地板中心兩側(cè)進(jìn)行開(kāi)槽處理，非延長(zhǎng)部分中心保留延長(zhǎng)部分的寬度。理論初始值確定后，根據(jù)HFSS軟件優(yōu)化功能確定最終值。最終確定的天線參數(shù)優(yōu)化后的單元尺寸如表1所示。

表1 ?天線參數(shù)優(yōu)化后單元尺寸

2 ?仿真結(jié)果與分析

為了分析矩形引向振子和菱形引向振子對(duì)天線回波損耗的影響，圖4顯示了矩形振子和菱形振子天線的回波損耗。仿真結(jié)果圖顯示，原型天線的中心頻率為6.2 GHz，原型天線中心頻率處的回波損耗為-63.5 dB，菱形引向振子天線的回波損耗的值比原型天線的回波損耗值更低，加載菱形引向振子的天線中心頻率為6.1 GHz，中心頻率處回波損耗降低為-73.5 dB，相比改進(jìn)前降低了10 dB。

為了分析反射地板開(kāi)槽的大小對(duì)天線回波損耗的影響，在圖5和圖6中顯示了提出天線具有不同參數(shù)[W6]和[L4]的回波損耗，所有變量最初都設(shè)置為優(yōu)化值。如圖5所示，[W6]值的改變對(duì)低頻處和高頻處的回波損耗均有一定影響。當(dāng)[W6]的值增加時(shí)，低頻處和高頻處的回波損耗均會(huì)先降低后增高，考慮到兩頻率處的回波損耗值，而且由于開(kāi)槽型反射地板和帶狀線之間的相對(duì)位置，[W6]值不大于11.79 mm，因此本文選擇[W6]的值為10.29 mm。從圖6可以觀察到，當(dāng)[L4]的值增加時(shí)，低頻處的中心頻率會(huì)降低，高頻處的回波損耗會(huì)隨[L4]值的增大先降低后增加，考慮到天線兩個(gè)工作頻率處的性能都要相對(duì)良好，本文選擇[L4=5] mm，此時(shí)兩頻率處的[S11<]-20 dB，表明天線阻抗匹配良好。

得到最終改進(jìn)后天線的回波損耗如圖7所示。改進(jìn)后的天線可以在兩個(gè)頻段內(nèi)進(jìn)行工作：低頻處的諧振頻率為5.5 GHz，[S11]為-35.5 dB，頻帶寬度為5.2～6 GHz;高頻處的諧振頻率為9.5 GHz，[S11]為-56 dB，頻帶寬度為8.7～9.9 GHz。

圖4 ?矩形振子和菱形振子天線的回波損耗

圖5 ?不同[W6]下改進(jìn)后天線的回波損耗

圖6 ?不同[L4]下改進(jìn)后天線的回波損耗

圖7 ?改進(jìn)后天線的回波損耗

圖8分別給出所提出的準(zhǔn)八木天線在5.5 GHz和9.5 GHz兩個(gè)諧振頻率處的二維增益方向圖（最大輻射方向和與最大輻射方向垂直的面的二維增益坐標(biāo)圖），與其對(duì)應(yīng)的三維增益方向圖如圖9所示。從圖中可以觀察到，在兩個(gè)工作頻率上都有著良好的端射特性，天線的主波束指向[y]方向，最大輻射方向與傳統(tǒng)八木天線輻射模式相似，天線在高頻諧振頻率處的方向圖發(fā)生了輕微畸變，但是天線的主波束較窄，仍可以保持良好的定向輻射特性。

圖8 ?天線的最大輻射方向和與最大輻射方向垂直的面的方向圖

圖9 ?天線的三維輻射圖

圖10顯示了原天線和改進(jìn)后的天線在最大輻射方向的增益。原天線和改進(jìn)后的天線在整個(gè)工作頻段上的增益都相對(duì)良好，在5.5 GHz時(shí)的增益為5.3 dB，在9.5 GHz時(shí)的增益為6.8 dB，改進(jìn)后天線的平均增益比原天線的平均增益有所下降，這是由于對(duì)接地板開(kāi)槽，使得輻射的一部分電磁能量透過(guò)槽口滲透導(dǎo)致，但是天線的平均增益還是遠(yuǎn)大于一般天線設(shè)計(jì)要求的3 dB，因此滿足實(shí)際工作的要求，符合天線的設(shè)計(jì)要求。

圖10 ?原天線和改進(jìn)后天線的增益曲線

3 ?結(jié) ?論

本文將八木天線的設(shè)計(jì)概念與微帶天線的結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出一款體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的新型準(zhǔn)八木天線，且同時(shí)具有強(qiáng)定向性、高增益和雙頻工作特性。在本文設(shè)計(jì)中，首先仿真出一種采用新型饋電方式的準(zhǔn)八木天線，其巴倫結(jié)構(gòu)很好地實(shí)現(xiàn)了微帶線到共面帶狀線的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而能夠?yàn)樘炀€的有源振子進(jìn)行饋電;然后，將原天線的矩形引向振子改進(jìn)為菱形引向振子，使該天線具有良好的回波損耗和輻射性能。在此基礎(chǔ)上對(duì)反射接地板進(jìn)行開(kāi)槽設(shè)計(jì)，使改進(jìn)后的天線具有雙頻工作特性，比起引入附加的諧振結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻工作更加簡(jiǎn)便，這為雙頻帶天線的設(shè)計(jì)提供了一種新思路。經(jīng)軟件優(yōu)化，得到一個(gè)在5.5 GHz和9.5 GHz雙頻工作的新型準(zhǔn)八木天線，且該天線在這兩個(gè)工作頻段內(nèi)都具有良好的定向輻射特性和增益。較好的定向輻射特性和雙頻工作特性使得本文所設(shè)計(jì)的新型準(zhǔn)八木天線在通信領(lǐng)域內(nèi)具有一定應(yīng)用價(jià)值。

注：本文通訊作者為孫俊。

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