准八木型宽带高增益微带天线_图文

1、第 25卷 第 5期 2010年 10月 电 波 科 学 学 报CH INESE JO URNAL OF RADIO SCIENCEVol. 25, No. 5 October, 2010文章编号 1005 0388(2010 05 0828 05准八木型宽带高增益微带天线王 鹏 郑剑锋 高 旭 李 越 冯正和(清华大学微波与数字通信国家重点实验室 , 北京 100084摘 要 基于八木天线的结构设计并制作了一个准八木型宽带高增益微带天线 , 利 用三维电磁仿真软件 (Ansoft H FSS 进行仿真设计 , 在已有的单一引向器结构的基 础上 , 通过增加引向器数量实现了高增益和较宽的带宽

2、。 实际测试表明 :天线工作频 段在 4 86 4GH z, 在中心频率 5 6GH z 处 , 峰值增益约为 10 2dB, 前后比约为 21 dB, 与仿真结果基本吻合 。 另外 , 还给出了准八木型高增益微带天线的设计过程 , 并 对具体结构和参数的选择对天线性能的影响进行了比较和讨论 。关键词 准八木型天线 ; 高增益 ; 宽带 ; 微带天线中图分类号 TN828 6 文献标志码 A1 引 言八木天线在上个世纪二十年代由日本东北大学 的 H idetsugu Yagi 和 Shintaro U da 率先研制 , 这种 天线随即被命名为 八木 -宇田天线 , 简称 八木天 线 。八木天

3、线自问世以来 , 就因其方向性强、 增益 高和结构简单而倍受青睐 1 2。传统的八木天线通 常体积庞大 , 由于振子材料和尺寸的限制因而重量 难以减小 , 限制了其在移动通信和其他使用空间受 限制的环境中的应用。但是随着现代通信的发展 , 工作频率不断提高 , 对传输效率和增益的需求也不 断提高 , 因而促进了对宽带高增益天线的研究。准 八木型 微带 天 线的 设 计和 应用 受 到 了广 泛 的 重 视 3 4, 由于准八木型微带 天线具有结 构简单而 紧 凑、 可以使用微带电路来实现的特点 , 大大减小了天 线单元的体积和重量 , 扩大了八木天线的应用范围。 准八木型微带天线的另一个特点是

4、可以实现比较宽 的带宽 , 对于采用一个引向器的经典结构 , 可以实现 50%的带宽和接近 4dB 的绝对增益 5。增益的提 高需要以牺牲带宽为代价 , 对于采用一个引向器的 经典结构最高可以实现 6 5dB 的绝对增益 , 此时带 宽减小到 20%5。进 一步地提高增益则必须对天 线的结构进行改变 , 与普通的八木天线一样 , 通过增 加引向器的数量可以改善天线的方向性进而提高增 益 6。本文利用三维电磁场仿真软件 (Anso ft H F SS 对天线单元进行了设计和仿真 , 研究了引向器 数量和尺寸等结构和参数对天线性能的影响 , 通过 优化设计 , 得到了符合应用要求、 具有宽带高增益

5、特 性的设计结果 , 并对设计步骤和过程进行了一些讨 论。2 准八木型微带天线的结构准八木型微带天线的结构如图 1所示。与八木 天线的平面结构基本相同 , 准八木型微带天线的有 源辐射振子、 反射器和引向器也都是互相平行 , 且垂 直于主辐射方向。不同的是 , 准八木型微带天线用 微带线背面截断的接地面替代了振子反射器 , 通过 实验证明 , 接地面起到了良好的反射作用。由于准八木型微带天线使用偶极子作为辐射振 子 , 所以在馈电端需要一个微带线到共面带线的转 换 , 即图中的下半部分。微带线的两臂长度相差半波 长 , 以实现差模激励 , 实际上起到了一个巴伦的作用。收稿日期 :2010 01

6、 05基金项目 :国家重点基础研究发展规划 项目 (2009CB320205 ; 国家科技重大专项课题 (2009ZX03007 003 ; 国家 863计 划项目资助课题 (2009A A011503 ; 国家自然科学基金 (60771009联系人 :王鹏 E mail:w ang peng 00tsinghua o rg cn 图 1 准八木型微带天线平面图3 天线单元的设计3 1 引向器的数量通常偶极子天线的增益可以达到 6dB, 为了提 高准八木型微带天线的 增益 , 就需 要增加引向器。 引向器的数量增加一倍 , 理论上增益最高可以提高 一倍 , 即增加 3dB 。但是引向器的数量并

7、不能无限 制地增加 , 引向器超过 10个时 , 远端引向器上产生 的感应电流将非常微小 , 几乎可以忽略 , 因此 , 引向 器的数量一般不超过 10个。通过实验发现 , 由于引向器之间的耦合和增加 的引向器对天线匹配网络产生的影响 , 实际上引向 器数量的增加带来的天线增益提高非常有限。图 2中给出了每增加一个引向器所能实现的天线最大增 益增加值 , 这个增加值是在不考虑 S 参数恶化的情 况下得到的 , 实际选取的参数还要考虑工作频段和 带宽的要求 , 因此 , 实际增益会比这个最大值更小。 图 2中可以看出 , 引向器数量超过 6个后 , 每增加一 个引向器带来的增益提高越来越小 ,

8、但同时天线的 , 图 2 引向器数量与天线增益的增加值单元性能的参数就越多 , 也就愈发难于调节和设计。 因此 , 结合本设计的应用要求 , 最终使用了 6个引向 器的结构。3 2 辐射振子和反射器的设计准八木型微带天线的工作频段和匹配等性能主 要由辐射振子和反射器部分决定。输入端为 50 线 , 所以 W 0应为 5 6GH z 时 50 的对应宽度 2 2m m 。为了使输入阻抗匹配 , 需要通过 选取合适的 L c 和 W c , 对巴仑两臂并联得到的 50 /2进行阻抗变换 , 所以微带线的 L c 和 W c 对应的特征阻抗应为 50 /2! 35 。 作为辐射振子的偶极子其工作频

9、率主要由长度 L b 决定 , 而天线的 S 参数则主要受辐 射振子到反射器的距离 L a 以及共面带线间的距离 d 影响。在设计过程中 , 应该先设计满足工作频段和带 宽要求的巴伦、 辐射振子 和反射器 , 通过调节 L a 、 L b 、 W a 和 W b 使其工作在要求的频段内 , 并在满足 带宽条件的前提下有尽量高的增益。仿真中 , 在板 厚 0 8mm, 介电常数 r =2 65的条件下 , 选取 L a =10mm, L b =11 1mm, W a =W b =2 2mm, 在不 使用引向器的情况下得到增益 6 05dB, 工作频段 约为 4 56 8GH z 。由于辐射振子和

10、共面带线引 入的阻抗 , 使得通过巴伦到输入端的等效阻抗发生 变化 , 不再是两个 50 并联 , 因此 L c 和 W c 也需相 应的发生变化 , 以使阻抗变换到输入端仍为 50 。 在后面的设计中增加了引向器后 , 仍然会使输入阻 抗发生变化 , 所以还需要对 L c 和 W c 做相应调整。仿真中发现 , 在天线的后面 (引向器指向方向的 反方向 再增加一个垂直于天线 z 方向面向 +z 方 向的金属板作为反射器时 , 或者再增加一个和引向 829第 5期 王 鹏等 :准八木型宽带高增益微带天线时 , 天线的性能都没有任何改变。这证明微带线背 面的接地面已经起到了良好的反射器作用。 3

11、 3 引向器的设计引向器的长度和位置是影响天线增益的最主要 因素。第 i 个引向器的长度为 L i , 其到第 i 1引向 器的距离为 D i , 这一对参数决定了第 i 个引向器对 天线性能的影响。通过实验发现 :D i 主要影响天线 的增益 , 而对匹配几乎没有影响。而 L i 则对天线的 匹配和增益都有较明显的影响 , 尤其是第一个引向 器的长度 L 1, 因为直接与辐射振子和反射器发生耦 合 , 因而对匹配的影响最大。而其他的引向器由于 第一个引向器的阻挡 , 与辐射振子和反射器的耦合 都非常小 , 基本可以忽略。图 3给出了只有一个引 向器时 , 在引向器与辐射振子间距离 D 1不

12、变的情 况下 , 引向器的长度 L 1与 S 11的变化曲线。图 4中 是 L 1不变的情况下 , D 1与 S 11的变化曲线 , 可见 D 1对 S 11的影响非常有限。因此 , 在设计中 , 应先选定 一个符合匹配的工作带宽要求的 L i 参数 , 然后再进 行 D i 参数的选取。图 3 L 1的对 S 11的影响 (D 1=7 2mm D i 可以利用 L i 进行估算。为了使远场区的增 益最大 , 应使辐射器振子和引向器在远场区同相叠 加 , 而引向器比辐射振子距离远场区更近 , 为了使它 们在远场区相位相同 , 需要使引向器的初始相位比 辐射振子略微落后。由于引向器的长度 L i

13、 比辐射 振子的等效长度 2L b 短 , 因此 , 其谐振频率高于辐射 振子的谐振频率 , 所以在辐射振子的谐振频率上 , 引 向器的相位会比辐射振子的相位落后。据此可以根 据 L i 对 D i 进行估计。同理可知 , 离辐射振子越远 的引向器 , 其长度也应该越短。仿真中发现 :由于引 向器的相位变化缓慢 , 加上耦合的作用 , 实际上这个 图 4 D 1的对 S 11的影响 (L 1=5 6mm调节引向器之间的间距可以使方向性变好 , 但 是副瓣也会相应增大。找出一组在天线的匹配和工 作带宽符合工作需要的情况下能使天线方向性最好 的引向器的参数 , 是准八木型微带天线设计的主要 工作。

14、仿真设计的过程就是逐个增加引向器 , 调节 每个引向器的参数使匹配满足要求的情况下增益最 大。从仿真结果看 , 引向器的间距基本相同 , 这与传 统八木天线的设计范例也是相符的。4 设计结果天线最终的参数为 :W c =4 58m m ; L c =8 67m m; W 0=W a =W b =2 2mm ; L a =9mm; L b =11m m; d =0 5mm ; L 1=15mm; D 1=7mm; L 2=14m m; L 3-6=13m m; D 2-6=9m m 。图 5 仿真和测量的 S 11与增益曲线天线 S 11曲线的仿真和测量 结果如图 5所示。 天线的中心频率为 5

15、 6GH z, 在 4 86 4GH z 范 围内 , S 11均小于 -10dB 。图 5中还画出了增益的 实测结果 , 5 6GH z 的峰值增益约为 10 2dB, 带内 166GH z 830电 波 科 学 学 报 第 25卷图 6 天线增益方向图益方向图 , 图 6(a 和 (b 分别为 x oz 平面和 y oz 平 面的方向图 , 其中 x oz 平面和 yoz 平面的定义如图 1中所示 , z 为天线主传播方向。图 6中分别给出了 两个极化方式的仿真结果和实测方向图。在中心频 率 5 6GH z 处 , x oz 平面的 3dB 波瓣宽度约 45 , y oz 面约为 60 ,

16、 前后比约为 21dB, 极化隔离 度约 20dB 。对比仿真和测量得到的方向图可知 :天线的 实测结果与仿真基本一致。5 结 论本文对准八木型微带天线进行了设计和制作 , 通过增加引向器数量和参数的优化 , 使准八木型微 带天线实现了高的增益和相对较宽的带宽。天线的 实测结果与仿真基本一致。通过实验验证了微带结 构中 , 八木天线同样可以通过增加引向器数量来改 善天线方向性 , 并且能够实现相对较宽的带宽。同 时还讨论了准八木型微带天线的结构和其他各参数 对天线性能的影响。参考文献1 杨绍麟 , 柯亨玉 , 侯 杰昌 , 等 . 一种 八木 天线 前向 增 益优化的改 进处 理 方法 J.

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21、atio n Society International Sy mpo sium, H onolulu, HI, June 9 15, 2007, 1:1753 1756.831第 5期 王 鹏等 :准八木型宽带高增益微带天线 作者简介王 鹏 (1982- , 男 , 辽 宁 人 , 清华大学博士生 。 研究 方向为 室内多极化 MIM O 信道的测 量技 术和建模 。郑剑锋 (1980- , 男 , 安 徽 人 , 清华大学电子系科研助理 。 研 究方向为智能天线和时空信号处理 方面研究以及信道建模的研究 。高 旭 (1986- , 男 , 山 西 人 , 清华大学硕士研究生 。 研究方 向

22、为多极化天线技术 、 测量技术 。李 越 (1984- , 男 , 辽宁 人 , 清华大学博士生 。 研究方向为 可重构天线 、 多极化天线及封装中 天线研究 。冯正和 (1945- , 男 , 上海人 , 清华大学电子工 程系教授 、 博士生导师 , 中国电子学会微波分会主任 委员 , 研究方向为智能天线技术 、 微波毫米波技术 、 电 磁场理论与数值方法 、 无线数字通信 、 时空信号处理 、 微波测量 。Microstrip fed quasi yagi antenna withwide bandwidth and high gainWANG Peng ZHENG Jian feng GAO Xu LI Yue FENG Zheng he(S tate K ey Lab on M icr ow ave and Dig ital Communications ,T singhua Univ er sity , B eij ing 100084, ChinaAbstract A micr ostrip Quasi y a