倪國旗，余白平，梁軍

一種改進(jìn)型微帶貼片八木天線的設(shè)計?

倪國旗1，2，余白平1，梁軍1

（1.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004；2.桂林空軍學(xué)院一系，廣西桂林541003）

設(shè)計了一種寬帶微帶貼片八木天線。通過采用正方形貼片形狀、附加寄生貼片等方法，獲得了較大的相對阻抗帶寬和較好的方向性。該天線工作頻率為12 GHz，三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS仿真結(jié)果表明：這種改進(jìn)型天線在其它參數(shù)不變的情況下，其相對阻抗帶寬達(dá)到27.5%（VSWR≤2），實現(xiàn)了天線頻帶的超寬性，滿足了某項目中無線通信設(shè)備的需要。

微帶天線；貼片八木天線；高增益；寬頻帶；寄生貼片

1 引言

八木天線是一種典型的定向天線，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)及其它無線電技術(shù)設(shè)備中，通常由一個有源振子（通常是半波振子）、一個反射器（通常稍長于半波振子的無源振子）和若干個引向器組成。適當(dāng)調(diào)整振子的長度和它們之間的距離可以改善天線的頻率響應(yīng)和輻射特性。然而，八木天線只能實現(xiàn)端射輻射，而且無法直接與載體表面共面安裝。但在無線通信的實際應(yīng)用中，常常要求天線的主瓣波束在邊射方向和端射方向之間，即準(zhǔn)端射方向，且天線與載體共面安裝。John Huang等人基于微帶天線剖面薄、體積小，易與導(dǎo)彈、衛(wèi)星等載體表面共形，且能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)端射的優(yōu)點，利用微帶貼片八木天線實現(xiàn)了上述要求。

1989年，John Huang提出了微帶貼片八木天線，將一個反射貼片、一個有源貼片和兩個引向貼片共4個正方形金屬貼片印制在一塊介質(zhì)板正面，介質(zhì)板背面是金屬接地板，采用同軸線饋電，天線工作原理與八木振子天線類似，貼片尺寸很接近但依次減小，經(jīng)軟件仿真并制成實物，測試結(jié)果表明這種天線在仰角20°～60°的范圍內(nèi)增益比普通微帶天線明顯提高，阻抗帶寬比單貼片也稍有展寬，具有準(zhǔn)端射方向圖。1991年，John Huang又將4個微帶貼片八木天線并列組陣以提高增益，應(yīng)用于美國的MSAT系統(tǒng)中。2007年，Gerald R.DeJean對John Huang提出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，通過增加引向貼片的個數(shù)，采用微帶線饋電，提高了天線的增益和前后瓣比（F／B），但相對帶寬較小［1，2］。

本文對Gerald R.DeJean提出的天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在保證高增益和相對較高的前后瓣比的前提下，相對阻抗帶寬展寬了3倍多，并且改善了方向性。這種天線結(jié)構(gòu)緊湊，而且饋線與貼片共面，易加工制造。為了提高分析效率，通過電磁仿真軟件AnsoftHFSS分析了天線各貼片尺寸和貼片間距等參數(shù)變化對天線頻率響應(yīng)和輻射方向圖的影響，并對參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，而非實際制作后測得，但這并不影響該設(shè)計方法的有效性。仿真結(jié)果表明，這種天線增益很大，相對阻抗帶寬能達(dá)到27.5%（VSWR≤2），并且容易組陣以達(dá)到更高的增益。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 Gerald R.DeJean設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)

Gerald R.DeJean設(shè)計的微帶貼片八木天線是一個Y字型結(jié)構(gòu)，天線結(jié)構(gòu)俯視圖如圖1所示，介質(zhì)基板下表面是接地板，上表面刻蝕金屬貼片，有源貼片為正方形，反射貼片、引向貼片1和引向貼片2為矩形，其中反射貼片與有源貼片、有源貼片與引向貼片1、引向貼片1與引向貼片2之間的距離相同。采用微帶線饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)與金屬貼片共面。

2.2 對Gerald R.DeJean提出的天線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

上述微帶八木天線結(jié)構(gòu)便于組陣以獲得更高的增益，但工作帶寬較小，并不能滿足實際工作要求。為了增大其阻抗帶寬，本文在保證半功率波束寬度和相對較高的前后向比的前提下，通過選擇不同的貼片形狀，如矩形、方形、三角形、圓形、圓環(huán)等，在有源貼片兩邊加“柵欄”改善其方向性，設(shè)置不同的貼片間距進(jìn)行優(yōu)化等方法，經(jīng)過多次實驗優(yōu)化，并使天線尺寸小型化，主波束控制在20°～60°之間，最終選擇矩形和正方形貼片組合使用結(jié)構(gòu)，并在有源貼片兩邊附加寄生貼片［3］，實現(xiàn)了更寬的阻抗帶寬。設(shè)計出的改進(jìn)型微帶八木天線結(jié)構(gòu)俯視圖如圖2所示，介質(zhì)基板下表面是接地板，上表面刻蝕金屬貼片，反射貼片為矩形，有源貼片、引向貼片1和引向貼片2為正方形，并在有源貼片兩邊加了兩塊矩形寄生貼片。采用微帶線饋電，饋線與金屬貼片共面，反射貼片中間開縫，饋線通過反射貼片的縫隙連接至有源貼片處。該天線的工作原理類似于傳統(tǒng)的偶極子八木天線［4］，激勵貼片、反射貼片和引向貼片的尺寸和間隔都是基于偶極子八木天線設(shè)計的。

2.3 改進(jìn)型天線結(jié)構(gòu)尺寸的計算與優(yōu)化

本文所設(shè)計的天線工作頻率為12 GHz，介質(zhì)板采用RT／duroid5880雙面板，其相對介電常數(shù)εr=

2.20 ，厚度h=1.57mm。根據(jù)文獻(xiàn)［5］，其等效相對介電常數(shù)可用下式計算：

則電磁波在介質(zhì)中的工作波長為

式中，c為自由空間光速，f0為天線的工作頻率，εr為天線的相對介電常數(shù)，h為介質(zhì)板的厚度，w為微帶線寬度。

由文獻(xiàn)［6］可知，有源貼片尺寸初值可取Ld= 0.47λg=8.7 mm，引向貼片1和引向貼片2尺寸初值可取Ld1=Ld2=0.423λg=7.8 mm，反射貼片與激勵貼片的間距S和激勵貼片與引向貼片的間距g不能過大，應(yīng)小于介質(zhì)板的厚度h。

由文獻(xiàn)［1］可知，反射貼片長度Lr大約可取反射貼片寬度Wr的1／4。

按照以上計算初值設(shè)置天線參數(shù)，并使用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后得到滿足設(shè)計要求的具體參數(shù)為：Lr=3mm，Wr=14 mm，Ld=8 mm，S=0.6 mm，Ld1=Ld2= 6.3mm，g=0.8mm，S1=0.4mm，S2=11mm。文獻(xiàn)［6］中的經(jīng)驗公式是根據(jù)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出的，本文在此基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，結(jié)構(gòu)不同，尺寸減小了，所以會有一定的差異。

在天線的優(yōu)化設(shè)計中，介質(zhì)板的尺寸對天線增益和方向圖也有一定的影響，經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計后，在保證天線尺寸盡量小的前提下，介質(zhì)板尺寸取為W×L=38mm×48mm。

3 仿真結(jié)果與性能比較

3.1 仿真結(jié)果

該天線結(jié)構(gòu)參數(shù)通過仿真軟件Ansoft HFSS仿真并經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，天線輸入回波損耗曲線如圖3中粗實線所示。從圖3中可以看到，天線輸入回波損耗S11≤-10 dB時的工作帶寬為3.3 GHz（10.3～13.6 GHz），相對帶寬達(dá)到27.5%，在12 GHz處，S11≈-47.4 dB，VSWR=1.008 5。

天線E面和H面輻射方向圖如圖4所示，從圖中可以看出，天線有較高的增益和較小的旁瓣和尾瓣，主瓣在30°方向。

3.2 性能比較

Gerald R.DeJean設(shè)計的微帶貼片八木天線與本文所設(shè)計的天線性能參數(shù)值如表1所示。從表1中可以看出，相對帶寬從8.1%增大到27.5%，增大了3倍多；增益從10.7 dB變?yōu)?0.96 dB，略有增大；前后向比（F／B）從15 dB變?yōu)?0 dB；E面半功率波束寬度從40°變?yōu)?6°，有所增大；本次設(shè)計的天線端口接50Ω同軸線，輸入阻抗Z0=（50.2+j0.37）Ω。

4 各貼片對天線性能影響分析

4.1 一般影響

激勵貼片Ld的尺寸決定著天線的主諧振頻率，適當(dāng)增加引向貼片的尺寸Ld1和Ld2可以提高天線主瓣增益，但過大時，天線副瓣明顯變大，主瓣增益也會降低。引向貼片1確定主波束方向，通過兩個引向貼片1和兩個引向貼片2來獲得高增益和高前后向比。引向貼片2用來提高增益，同時協(xié)助控制主波束達(dá)到一個更高的仰角。適當(dāng)調(diào)整引向貼片2之間的距離可以增大半功率波束寬度。

4.2 反射貼片與激勵貼片間的距離S對天線性能的影響

當(dāng)改變天線反射貼片與激勵貼片間的距離S時，天線方向圖形狀變化不大，最大輻射方向基本保持在30°方向，但隨著S的改變，天線增益也隨之變化。天線輸入回波損耗S11隨S變化曲線如圖3所示。從圖3中可知，隨著S的增加，天線諧振頻率略有減小，對天線輸入回波損耗S11影響較大。當(dāng)S =0.5 mm時，天線的諧振頻率為12.1 GHz，S11≈-42.2 dB；當(dāng)S=0.6mm時，天線的諧振頻率為12 GHz，S11≈-47.4 dB；當(dāng)S=0.8mm時，天線的諧振頻率為11.8 GHz，S11≈-30.3 dB。可見S對天線的諧振深度影響很大。因為當(dāng)S過小時，電磁波在反射貼片與激勵貼片間循環(huán)反射，耦合到引向貼片的能量較少；而當(dāng)S較大時，反射貼片雖然能把電磁波反射出去，使方向圖主瓣偏向有源貼片的一側(cè)，但在空間某處可能反相疊加，能量抵消，只有當(dāng)S大小合適，使得能量在空間某處同相疊加，增益才能達(dá)到最大。

4.3 附加寄生貼片對天線性能的影響

根據(jù)微帶天線理論可知，在一般微帶天線的振子附近附加寄生振子，可以有效地將簡單RLC電路修改為多諧振點的耦合諧振電路，從而展寬阻抗頻帶［7-9］。附加寄生貼片，可以是共面配置的，也可以是上下配置的。本次設(shè)計采用共面配置，在正方形激勵貼片兩邊各置放一寄生貼片，從而引入新的諧振頻率。

由雙峰諧振理論也可知，當(dāng)寄生貼片長度小于激勵貼片長度時，可以引入一個較高的諧振頻率。調(diào)節(jié)這兩個寄生貼片的大小及距離，當(dāng)兩個諧振頻率彼此靠近時就可以有效地展寬微帶天線的帶寬。經(jīng)過軟件仿真優(yōu)化設(shè)計后，得到寄生貼片長度Lp=

6.3 mm，寬度Wp=4 mm。寄生貼片對天線輸入回波損耗S11的影響如圖5所示。由圖5中S11曲線圖可見，無附加寄生貼片的天線僅有一個諧振頻率，而在激勵貼片兩邊引入兩個寄生貼片后天線的反射系數(shù)曲線呈雙諧振特性，分別在12 GHz和13.15 GHz處，這兩個頻率彼此靠近，明顯展寬了天線的帶寬。當(dāng)S11≤-10 dB時，附加寄生貼片的天線帶寬達(dá)到3.3 GHz（27.5%），而無附加寄生貼片的天線帶寬只達(dá)到2.2 GHz（18.3%），而且附加寄生貼片的天線E面輻射方向圖旁瓣和尾瓣也明顯減小。

5 結(jié)束語

在保證天線半功率波束寬度和前后向比的前提下，本文提出了一種展寬微帶貼片八木天線頻帶，改善天線方向性的改進(jìn)方案，并且分析了天線參數(shù)變化對天線頻率響應(yīng)和輻射方向圖的影響。高精度的三維電磁仿真實驗驗證了這種改進(jìn)型天線具備高增益、低旁瓣、低交叉極化、寬頻帶和準(zhǔn)端射特性，而且這種天線結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、剖面低、饋線與貼片共面，易加工制造。因此，該天線結(jié)構(gòu)成為某項目的首選結(jié)構(gòu)。

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NIGuo-qi，GAO Ben-qing.Newly patch Yagi antenna of cascade-dielectric embedded［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（2）：337-340.（in Chinese）

NIGuo-qiwas born in Hubei Province，in 1964.He received the Ph.D.degree from Beijing Institute of Technology in 2008.He isnow a professor and also the instructor of graduate students.His research interests include microwave technology and antenna，microwave devices andmaterial.

Email：ngq157＠163.com

余白平（1986—），女，湖北人，2009年獲桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院通信工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為微帶天線、無源器件；

YU Bai-ping was born in Hubei Province，in 1986.She received the B.S.degree from Guilin University of Electronic Technology in 2009.She is now a graduate student.Her research interests includemicrostrip antenna and passive devices.

Email：yubaipingping＠126.com

梁軍（1984—），男，廣西人，2009年獲桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院通信工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為微帶天線、無源器件。

LIANG Jun was born in Guangxi Zhuang Autonomous Region，in 1984.He received the B.S.degree from Guilin University of Electronic Technology in 2009.He isnow a graduate student.His research interests includemicrostrip antenna and passive devices.

Email：liangjun3697＠126.com

Design of a Modified Microstrip Patch Yagi Antenna

NIGuo-qi1，2，YU Bai-ping1，LIANG Jun1
（1.School of Information and Communication Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China；2.The 1st Department，Guilin Air Force Academy，Guilin 541003，China）

A broadbandmicrostrip patch Yagiantenna is presented in this paper.It can achieve a greate relative impedance bandwidth and good pattern by using square patch and adding parasitic patch.The operational frequency is 12 GHz.Ansoft HFSS simulation results indicate that this modified antenna can achieve 27.5%（VSWR≤2）relative impedance bandwidth on condition that other parameters are the same.The ultra-wideband property of the antenna bandwidth is realized and the antennameets the requirement of the wireless communication equipment in a project.

microstrip antenna；patch Yagiantenna；high gain；broadband；parasitic patch

The Scientific Research Foundation of Guangxi for Returned Chinese Scholars（No.0991021）

TN823

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.021

倪國旗（1964—），男，湖北人，2008年于北京理工大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為微波技術(shù)與天線、微波器件與材料；

1001-893X（2011）10-0104-05

2011-06-15；

2011-09-02

廣西回國基金項目（桂科回0991021）