一种S波段宽带单极八木天线

张 宁，王 建

(电子科技大学电子工程学院， 成都611731)

0 引言

作为一种经典的天线，八木天线自诞生以来无论从形式还是用途上都一直在发展。例如:近年来比较热门的准八木天线［1-5］，极大的提高和丰富了人们对微带准八木天线的认识。由于其具有前后比高、交叉极化低、结构紧凑、体积小、振子间互耦低、更易于共形等优势，在无线网络、微波集成电路中得到广泛的应用。

文献［6］提出了一种自相似的分型天线作为振子实现了双频带的印刷八木天线;文献［7-9］提出了一种单极八木天线，分别采用印刷振子形式和金属杆的形式，通过不等长度的振子和寄生振子扩展了带宽，相对带宽最大可以达到59.1%;文献［10］用FDTD法分析了有限地面的单极八木天线。凭借着八木天线的优良特性，单极八木天线成为了存在地面情况下实现端射的一种很好的选择，在通信和雷达等方面都有重要的应用。小尺寸的单极八木天线可以实现低抛面的端射，也是当今热门研究方向之一。

本文设计的单极八木天线工作在S波段，采用一种新的展宽带宽的方法，使其驻波相对带宽达到81%，方向图带宽达到66.7%，比文献［7-9］中介绍单极八木天线具有更宽的相对带宽。

1 天线结构与改进

1.1 传统单极八木天线

八木天线是一种行波天线，由一系列平行振子排列在一条直线上。其中只有一根振子被激励，受激单元长度通常为工作波长的一半，其前方的一系列无源单元被称为引向器，其后方的无源单元被称为反射器。引向器的长度短于受激单元呈容性，反射器的长度长于受激单元呈感性。间距适当的引向器上的电流近似于幅度相等，相位均匀递减，这将加强馈电方向上的场形成端射。传统的八木天线是窄带的，如果借助加长反射器以改变低频性能，缩短引向器改变高频性能，频带特性可以得到改善，但十分有限［1］。

单极八木天线是一种垂直接地的八木天线，因为地面的存在，如果希望天线沿着地面的方向端射，根据理想导体边界条件，要使振子与镜像上的电流等幅同相，必须采用垂直极化。因此，带有地面的八木天线采用单极子激励，引向器与反射器长度也因此减小了一半。传统单极八木天线如图1所示。

图1 传统单极八木天线模型图

传统的单极八木天线虽然继承了八木天线的端射特性，但是也明显的保留了八木天线带宽太窄的缺点，一般相对带宽不超过30%。为了扩展带宽，人们想了很多方法，如文献［7-8］中所介绍的模型。

如图2所示，在传统单极八木天线的基础上，令各个引向器长度不等并优化其长度，在单极子与反射器之间加入一根无源的寄生振子的方法可以扩展天线带宽。这种类型的单极八木天线阻抗带宽有所扩展，不过最大也只有不到60%。

图2 文献［7-8］中的宽带八木天线

1.2 改进的宽带单极八木天线

展宽单极八木天线带宽的方法一般是引入无源寄生振子［7-8］，使其产生不对称激励。而单极八木天线的核心是单极子，扩展单极子的带宽将有利于增加单极八木天线的带宽。一般单极子天线展宽带宽的方法比较多，在单极天线周围放置套筒是一种比较好的方法，通过调节套筒高度和半径，可以扩展带宽［11］。对于单极八木天线，在受激单元左右放置两根寄生振子相当于一种开式套筒，可以极大地改善天线的频带特性。

图3是改进的宽带单极八木天线实物模型前斜视图，图4是模型的侧视图。

图3 改进的宽带单极八木天线实物模型

图4 宽带单极八木天线侧视图

如图3所示，除了单极子以外的所有部件都连接在地板上，单极子被介质方柱固定，与连接50 Ω馈电同轴线的SMA连接器内导体连接，SMA连接器外导体固定在地板上。单极子两侧有两根高度相同的寄生振子，相当于一种开式套筒，起到扩展阻抗带宽的作用。在图4中，序号1-13分别代表反射板、反射器、单极子、介质方柱、寄生振子、从左到右的7根引向器以及地板，反射板和地板厚度为3mm，寄生振子直径为4 mm，其他圆柱体部件直径均为6 mm。通过HFSS软件仿真优化后天线各部件尺寸与材料如表1所示。

表1 天线各部件尺寸以及材料参数

在反射器后方放置的反射板可以提高低频增益，引向器长度与间距非均匀扩展了方向图带宽。经过HFSS仿真软件优化后的天线各个部件间距如表2所示，其中，两个部件间距为 dm，n，m，n为表1中的天线部件的序号。

表2 天线各部件的间距 mm

2 仿真与测试结果

将HFSS优化好的模型加工成实物，实物如图5所示。

图5 宽带单极八木天线加工实物图

用矢量网络分析仪测试了S11参数，在Satimo微波暗室中测试了增益方向图。S11参数仿真与测试结果如图6所示。

从图中可以看出，仿真与测试的S11参数吻合比较好，测试的S11参数在2.2 GHz～5.2 GHz范围内小于-10 dB，相对带宽达到81%。虽然测试的S11参数与仿真结果相比，谐振点位置略有偏移，但是，在3 GHz～4 GHz范围内测试结果比仿真结果更好一些。

图6 仿真与测试的S11参数

图7为在2GHz、3GHz、4 GHz三个频点上仿真与测试的E面归一化增益方向图，天线在微波暗室中的坐标如图3所示。

图7 E面归一化增益方向图

如图可见，在三个频点上仿真与测试得到的E面归一化增益方向图吻合较好，而且在3 GHz和4 GHz频点上，测试方向图的副瓣电平比仿真结果稍微低一些。由于地板不是无限大，在地板边缘会有电磁波的散射与绕射，这使波束指向在不同频率下相对于端射方向有不同程度的上翘，但端射特性仍然明显。天线实测E面增益与增益效率如表3所示。

表3 天线实测效率与增益

在2.9 GHz频率上天线效率最高，达到92%。在3.9 GHz频率上天线增益最大，达到11 dB。

3 结束语

本文设计了一种S波段的宽带单极八木天线，通过在单极子左右两端放置两根高度相同的寄生振子，很好的扩展了天线的带宽。S11参数在2.2 GHz～5.2 GHz内小于-10 dB，阻抗相对带宽达到81%。增益方向图在2 GHz～4 GHz范围内不发生畸变，方向图相对带宽达到66.7%。实测结果与仿真结果吻合较好，天线相对带宽明显宽于文献［7-8］中的结果，为此种天线的后续研究提供了较好的参考。另外此天线结构简单紧凑，便于加工，实用性较强。

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

［2］ Gorbachev A P，Egorov V M.A modified planar quasi-Yagi antenna for wireless communication applications［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2009(8):1091-1093.

［3］ Ha C S，Qian Y X，Itoh T.A modified quasi-Yagi planar antenna with wideband characteristics in C-band［C］//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.Boston，MA:IEEE Press，2001:154-157.

［4］ Alhalabi R A，Rebeiz G M.High-gain Yagi-Uda antennas for millimeter-wave switched-beam systems［J］.IEEE Transcations on Antennas and Propagation，2009，57(11):3672-3676.

［5］ 倪国旗，张 涛，倪 围.一种超宽带平面准八木微带天线的设计［J］.现代雷达，2013，35(2):48-51.Ni Guoqi，Zhang Tao，Ni Wei.Design of planar UWB quasi-Yagi microstrip antenna［J］.Modern Radar，2013，35(2):48-51.

［6］ Gianvittorio J P，Samii Y R.Fractal Yagi antennas:design，simulation，and fabrication［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2004，41(5):375-380.

［7］ Taguchi Y，Chen Q，Sawaya K.Broadband monopole Yagi-Uda antenna［J］.Electronics and Cammunications in Japan，2002，85(1):49-57.

［8］ Nascimento D C，Schildberg R，da S Lacava J C.Low-cost Yagi-Uda monopole array［C］//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.San Diego:IEEE Press，2008:1-4.

［9］ Ahmad A E，Floch J M.Design of a low profile end-fire antenna［C］//2012 Loughborough Antennas and Propagation Conference.Loughborough，UK:IEEE Press.2012:12-13.

［10］ de Moura P R，Silva F C，Soares A J M.Analysis and experimental results of wire antennas on a finite conductor ground plane［C］//2005 SBMO/IEEE MTT-S International Conference on Microwave and Optoelectronics.［S.l.］:IEEE Press，2005:364-367.

［11］ Klaus J D，Marhefka R J.Antennas:for all applications［M］.3rd edition.［S.l.］:The McGraw-Hill Companies，2002.