基于开槽型接地板的新型双频准八木天线设计

黄文静 孙俊 胡耀文 王行

摘  要： 利用电磁仿真软件ANSYS HFSS设计一种基于开槽型接地板的新型双频准八木天线。首先，设计一种新型巴伦结构的准八木天线，该天线的馈电由微带线实现，阻抗匹配通过一段[λ4]阻抗变换器实现，这不仅实现了微带线到共面带状线的转换，也改良了典型八木天线复杂的巴伦结构;然后，在此天线的基础上将矩形的引向振子改进为菱形的引向振子，改进后的天线中心频率处回波损耗降低为-73.5 dB，相比改进前降低了10 dB;最后，在此天线的反射地板非延长部分的中心两侧开两个矩形槽，改进后的天线具有在5.5 GHz和9.5 GHz两个频段内进行双频工作的特征。

关键词： 准八木天线; 微带线; 菱形引向振子; 矩形槽; 回波损耗; 双频工作

中图分类号： TN823+.24?34                       文献标识码： A                        文章编号： 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

自从八木天线被发明以来，因为它设计简单、定向辐射能力强、增益高而倍受重视。八木天线是引向类天线中的一种，基本的八木天线一般由一个有源振子、一个反射器和一个或着多个引向器组成，有源振子被直接激励，而反射器和引向器则是通过耦合的方式激励，通过调整反射器和引向器，可实现端辐射模式。但是八木天线也有很多缺点，例如体积、质量较大，调整相对较困难，工作带宽也相对较窄，这些缺点都限制了八木天线在通信领域中的应用。微带准八木天线在继承了八木天线特点的同时还具有许多优点，例如体积小、质量轻，容易共面、共形以及容易与微波电路集成，因而受到关注[1?5]。文献[6]中用贴片代替偶极子，并且将其作为该八木天线的有源振子。在文献[7?8]中报道了一种印刷偶极子阵列八木天线的结构，该八木天线由微带线实现馈电、带状线过渡。随着通信技术的发展，通信设备往往需要工作在不同的频带实现层出不穷的新功能，因此一个通信系统中通常需要用到多个天线同时实现多频带工作。但是，现有的通信设备体积有限，并且越来越朝着小型化的方式发展，多个天线在通信设备上的布局和互相干扰成为非常棘手的问题，因此多频带天线的设计及应用也就变得十分重要。多频带天线技术旨在利用一个天线来实现不同频带的正常工作，既节约了空间，又解决了多个天线间互相干扰的问题，目前的多频带天线最主要的实现方式是引入附加的谐振结构[9?12]。添加谐振结构虽然能够实现双频工作但天线结构较为复杂，文献[13]通过加载CSRR来实现天线的小型化和多频化。近年来，全世界越来越多的学者研究准八木天线，但目前大多数的研究还是集中在单频准八木天线上，双频或者多频的准八木天线的研究成果仍旧不多。因此，设计出高增益的双频微带准八木天线成为天线研究的热点。

本文基于八木天线的设计概念以及微带天线的结构优势，将这两部分相结合，设计出一款质量轻、体积小、结构简单的微带准八木天线，且具有定向辐射特性、高增益和双频带。本文首先设计一种新型馈电方式的宽带准八木天线，在一定阻抗带宽范围内能够实现较良好的辐射，在此基础上，为了能够进一步提高该天线的辐射性能，将引向振子的形状由矩形改进为菱形，同时，设计了一个新型的反射地板，在地板中心两侧开槽，使得天线的带宽增大，同时实现双频工作，这比起引入附加的谐振结构来实现双频工作更加方便。本文设计的这种基于开槽型接地板的新型双频准八木天线具有高增益和双频工作等良好特性，使该天线在无线通信领域有很好的发展前景。

1  天线设计

本文设计的原型天线结构如图1所示，将天线印刷在尺寸为[W×L]的FR4介质板上，该介质板的厚度为0.8 mm，相对介电常数为4.4。本文设计通过微带线对天线进行馈电，通过一段[λ4]阻抗变换器进行阻抗匹配。同时，通过一种新型的巴伦结构改进原准八木天线巴伦结构过大的缺点，在这种新型的巴伦结构中，天线的微带线直接和左边的共面带状线相连接，而共面带状线的右侧则通过金属过孔和接地板相连，这样就能使右侧的共面带状线和左侧的共面带状线形成180°相位差，再通过两侧间的耦合，实现微带线到共面带状线的转换，进而实现对有源振子的馈电。

为了能将共面带状线的右侧和接地板相连，同时减小地板结构对天线的影响，只在共面带状线的下方对地板进行相应的延长变化。为了增加天线的带宽，在共面带状线和辐射振子相连的地方设计了一个张角，通过改变张角的大小便可以改变天线的带宽。通过HFSS软件的优化功能，可以确定出使天线带宽最大的张角。有源振子前端放置三个引向振子，这样就可以构成八木天线的基本结构。

为了进一步提高天线增益，对原型天线进行改进，首先，将引向振子的形状由矩形改变成菱形，改进引向振子为菱形引向振子后的天线结构如图2所示;然后，为了实现双频工作，为反射地板开槽。开槽方式为在非延长部分的中心两侧进行对称开槽，非延长部分中心保留延长部分的宽度，在此宽度的两侧对称地开两个矩形槽，最终改进后的天线结构参数如图3所示。

图1  原型天线

图2  菱形引向振子天线

  图3  改进后的天线结构参数

本文设计将天线印刷在[W×L]的FR4介质板上，根据八木天线的的理论可算出，有源振子长度的初始值为[L1=0.5λg]，引向振子长度的初始值为[0.45λg]，有源振子和地板（反射振子）之间水平距离的初始值为[0.25λg]，有源振子与引向振子之间水平距离的初始值为[0.2λg]，引向振子之间水平距离的初始值为[0.2λg]，其中[λg]为电磁波在介质中的工作波长。

式中：[εr]表示天线的相对介电常;[h]表示介质板的厚度;[w]表示微带线的宽度。为能实现双频工作，对反射接地板中心两侧进行开槽处理，非延长部分中心保留延长部分的宽度。理论初始值确定后，根据HFSS软件优化功能确定最终值。最终确定的天线参数优化后的单元尺寸如表1所示。

表1  天線参数优化后单元尺寸

2  仿真结果与分析

为了分析矩形引向振子和菱形引向振子对天线回波损耗的影响，图4显示了矩形振子和菱形振子天线的回波损耗。仿真结果图显示，原型天线的中心频率为6.2 GHz，原型天线中心频率处的回波损耗为-63.5 dB，菱形引向振子天线的回波损耗的值比原型天线的回波损耗值更低，加载菱形引向振子的天线中心频率为6.1 GHz，中心频率处回波损耗降低为-73.5 dB，相比改进前降低了10 dB。

为了分析反射地板开槽的大小对天线回波损耗的影响，在图5和图6中显示了提出天线具有不同参数[W6]和[L4]的回波损耗，所有变量最初都设置为优化值。如图5所示，[W6]值的改变对低频处和高频处的回波损耗均有一定影响。当[W6]的值增加时，低频处和高频处的回波损耗均会先降低后增高，考虑到两频率处的回波损耗值，而且由于开槽型反射地板和带状线之间的相对位置，[W6]值不大于11.79 mm，因此本文选择[W6]的值为10.29 mm。从图6可以观察到，当[L4]的值增加时，低频处的中心频率会降低，高频处的回波损耗会随[L4]值的增大先降低后增加，考虑到天线两个工作频率处的性能都要相对良好，本文选择[L4=5] mm，此时两频率处的[S11<]-20 dB，表明天线阻抗匹配良好。

得到最终改进后天线的回波损耗如图7所示。改进后的天线可以在两个频段内进行工作：低频处的谐振频率为5.5 GHz，[S11]为-35.5 dB，频带宽度为5.2～6 GHz;高频处的谐振频率为9.5 GHz，[S11]为-56 dB，频带宽度为8.7～9.9 GHz。

图4  矩形振子和菱形振子天线的回波损耗

图5  不同[W6]下改进后天线的回波损耗

图6  不同[L4]下改进后天线的回波损耗

图7  改进后天线的回波损耗

图8分别给出所提出的准八木天线在5.5 GHz和9.5 GHz两个谐振频率处的二维增益方向图（最大辐射方向和与最大辐射方向垂直的面的二维增益坐标图），与其对应的三维增益方向图如图9所示。从图中可以观察到，在两个工作频率上都有着良好的端射特性，天线的主波束指向[y]方向，最大辐射方向與传统八木天线辐射模式相似，天线在高频谐振频率处的方向图发生了轻微畸变，但是天线的主波束较窄，仍可以保持良好的定向辐射特性。

图8  天线的最大辐射方向和与最大辐射方向垂直的面的方向图

图9  天线的三维辐射图

图10显示了原天线和改进后的天线在最大辐射方向的增益。原天线和改进后的天线在整个工作频段上的增益都相对良好，在5.5 GHz时的增益为5.3 dB，在9.5 GHz时的增益为6.8 dB，改进后天线的平均增益比原天线的平均增益有所下降，这是由于对接地板开槽，使得辐射的一部分电磁能量透过槽口渗透导致，但是天线的平均增益还是远大于一般天线设计要求的3 dB，因此满足实际工作的要求，符合天线的设计要求。

图10  原天线和改进后天线的增益曲线

3  结  论

本文将八木天线的设计概念与微带天线的结构结合起来，设计出一款体积小、质量轻、结构相对简单的新型准八木天线，且同时具有强定向性、高增益和双频工作特性。在本文设计中，首先仿真出一种采用新型馈电方式的准八木天线，其巴伦结构很好地实现了微带线到共面带状线的转换，进而能够为天线的有源振子进行馈电;然后，将原天线的矩形引向振子改进为菱形引向振子，使该天线具有良好的回波损耗和辐射性能。在此基础上对反射接地板进行开槽设计，使改进后的天线具有双频工作特性，比起引入附加的谐振结构来实现双频工作更加简便，这为双频带天线的设计提供了一种新思路。经软件优化，得到一个在5.5 GHz和9.5 GHz双频工作的新型准八木天线，且该天线在这两个工作频段内都具有良好的定向辐射特性和增益。较好的定向辐射特性和双频工作特性使得本文所设计的新型准八木天线在通信领域内具有一定应用价值。

注：本文通讯作者为孙俊。

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