S波段寬帶高增益微帶準(zhǔn)八木天線陣列設(shè)計(jì)

李玄玄，劉貴亞，張 宇，李民權(quán)，周永光，沈純純

(安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

S波段寬帶高增益微帶準(zhǔn)八木天線陣列設(shè)計(jì)

李玄玄，劉貴亞，張 宇，李民權(quán)，周永光，沈純純

(安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

依據(jù)八木天線的高增益特性，結(jié)合微帶天線的相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款工作在S波段的1×2寬帶高增益微帶準(zhǔn)八木天線陣列。運(yùn)用HFSS電磁仿真軟件對設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行建模、仿真與優(yōu)化，并進(jìn)行了實(shí)物的加工與測試。分析及測試結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)天線在2.2～3.2 GHz范圍內(nèi)S11均小于-10 dB，通帶內(nèi)最小增益為5 dBi，最大增益達(dá)到10 dBi，工作帶寬達(dá)到50%以上，仿真分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致。

S波段；準(zhǔn)八木天線；寬帶；高增益；微帶天線

0 引言

1926年，日本學(xué)者八木秀次和宇田太郎研制出了一款高增益定向天線，這就是經(jīng)典的“八木天線”[1]。該天線具有高增益、方向性強(qiáng)及結(jié)構(gòu)簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)。不過由于其是基于偶極子天線演變而來，存在尺寸較大、工作帶寬較窄等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了其在目前便攜式通訊領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著微帶天線技術(shù)的發(fā)展，將八木天線的設(shè)計(jì)原理與微帶技術(shù)相結(jié)合，人們稱這種天線為“準(zhǔn)八木天線”。微帶技術(shù)的引入解決了傳統(tǒng)八木天線體積笨重、帶寬較窄等缺點(diǎn)，使得八木天線以另一種形式不斷改進(jìn)與發(fā)展。Y.Qian等人[2]最早將微帶技術(shù)應(yīng)用到八木天線的設(shè)計(jì)當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)了八木天線的小型化。微帶準(zhǔn)八木天線相較于傳統(tǒng)的八木天線帶寬較寬[3]，同時(shí)還保留了傳統(tǒng)八木天線[4-5]的高增益、輻射能力強(qiáng)及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。目前的無線頻譜中，S波段涵蓋了許多重要的通信頻段，如WiFi、4G、藍(lán)牙和Zigbee等，這些主流的通信設(shè)備都工作在S波段，所以設(shè)計(jì)一款S波段的小型化、寬帶和高增益天線有很強(qiáng)的市場應(yīng)用前景。

1 天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一款S波段1×2微帶準(zhǔn)八木天線陣列，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線采用一分二微帶等功分器[6]對2個(gè)陣子進(jìn)行等幅同相饋電，2個(gè)陣子在空間進(jìn)行功率合成[7]。

根據(jù)八木天線的設(shè)計(jì)原理，采用3個(gè)引向陣子即可滿足增益要求，由于設(shè)計(jì)的天線工作在S波段，暫且將天線的諧振頻率點(diǎn)設(shè)在3GHz，其對應(yīng)的空間波長λ=10cm,由此來初步得出天線有源振子、反射振子的長度和間距。

(a) 1×2微帶準(zhǔn)八木天線陣列正面

(b) 1×2微帶準(zhǔn)八木天線陣列背面圖1 1×2微帶準(zhǔn)八木天線陣列結(jié)構(gòu)示意圖

微帶八木天線各個(gè)部分的初步尺度如下：

① 由于有引向器，天線整體介質(zhì)板形狀為矩形，尺寸為150 mm×110 mm×1.6 mm。

② 有源振子為半波振子，首先按照半波長長度取其為l0=0.5、λ=50mm，同時(shí)考慮到實(shí)際半波振子的長度要比理論略短，加上介質(zhì)基板起到一定的縮短效應(yīng)[8]，最終取其長度為40mm。有源振子距離反射振子的距離d0通常可以取0.2λ，同樣考慮到介質(zhì)基板的縮短效應(yīng)，取其為20mm。

③ 引向振子印刷在有源振子的左側(cè)，其中包含3個(gè)引向陣子，其長度分別為l1、l2、l3，且通常要比有源振子要短，根據(jù)八木天線的設(shè)計(jì)原理，這里取l1=0.95l0、l2=0.9l0，最后一個(gè)引向陣子通過切縫來改善天線的增益效果，取其縫隙寬度為1 mm，半個(gè)振子長度2l3=0.85l0，相鄰2個(gè)引向器之間的間距及其距離有源振子的長度一般為0.15λ，取其d1=d2=d3=15 mm；使用HFSS電磁仿真軟件對所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行建模仿真與優(yōu)化，所選用的介質(zhì)板的介電常數(shù)εr=4.5，厚度h=1.6 mm,最終得到微帶八木天線的最優(yōu)振子長度l0=30 mm,l1=0.95l0=28.5 mm,l2=0.9l0=27 mm,2l3=0.85l0=25.5 mm,在此參數(shù)下天線的-10 dB帶寬達(dá)到1 GHz，在諧振頻率點(diǎn)增益達(dá)到9.1 dBi。

2 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，天線的S曲線如圖2所示，從圖中可以看出天線具有很好的寬帶特性，所產(chǎn)生的共鳴頻率分別為2.35 GHz、3 GHz、4.5 GHz和5.3 GHz。頻帶帶寬達(dá)到1 GHz(從2.2～3.2 GHz)，所以準(zhǔn)八木天線的寬頻帶特性得到驗(yàn)證[9]。

圖2 天線的S11曲線圖

對設(shè)計(jì)的陣列天線仿真，得到在其在3 GHz處的E面和H面的方向圖，結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看到，天線的增益大約在9.5 dBi，E面的波束寬度約為80°，H面的波束寬度約為30°，陣列天線的增益明顯高于單個(gè)天線的增益，這得益于2個(gè)天線輻射的能量在空間中進(jìn)行疊加[10]。

圖3 天線仿真方向圖

對設(shè)計(jì)的天線增益帶寬進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。從圖可以得到，天線在2.2～3.2 GHz范圍內(nèi)，增益均大于5 dBi，在3.2 GHz處達(dá)到最大，增益達(dá)到10 dBi。同時(shí)天線的增益大于0 dBi，帶寬達(dá)到1.9 GHz。說明天線在不僅有較寬的阻抗帶寬[11-13]，同時(shí)天線的增益帶寬也很寬，完全滿足實(shí)際工程對于增益帶寬的需求。

圖4 天線增益仿真圖

3 實(shí)物加工與測試

在上述仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)物加工，如圖5所示，為加工后的1×2準(zhǔn)八木天線實(shí)物圖，并進(jìn)行了相關(guān)的測試。加工所選用的介質(zhì)板為性價(jià)比較高的FR-4介質(zhì)板，整個(gè)天線的尺寸為150 mm×110 mm×1.6 mm。

(a) 天線正面

(b) 天線背面

對天線的S11參數(shù)進(jìn)行測試，結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出測試的結(jié)果與仿真的結(jié)果存在一定的誤差，在通帶內(nèi)形成了多個(gè)毛刺點(diǎn)，這與實(shí)物加工的誤差和測試環(huán)境都有很大的關(guān)系，不過實(shí)測的天線S11在2.2～3.2 GHz范圍內(nèi)均小于-10 dB,這與仿真的結(jié)果相吻合，滿足所設(shè)計(jì)的寬帶準(zhǔn)八木天線要求。

圖6 實(shí)測天線S11測試圖

4 結(jié)束語

為了滿足現(xiàn)在大部分工作在S波段的通信設(shè)備對于高增益天線的需求，設(shè)計(jì)了一款1×2準(zhǔn)八木寬帶高增益陣列天線，運(yùn)用HFSS電磁仿真軟件對該款天線進(jìn)行仿真和優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上加工出了實(shí)物，并進(jìn)行了相關(guān)性能的測試。從仿真與實(shí)物測試的結(jié)果對比可以看出，天線的S11參數(shù)與仿真結(jié)果基本吻合，滿足工程應(yīng)用的需求。在后續(xù)的研究過程中，將重點(diǎn)解決天線的小型化問題，使其更能廣泛應(yīng)用于便攜式移動(dòng)通信設(shè)備上。該款天線的設(shè)計(jì)，對于后續(xù)超寬帶、高增益和多陣列天線的設(shè)計(jì)提供了相關(guān)實(shí)驗(yàn)依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

[1] Uda S,Mushiake Y.Yagi-Uda Antenna[M].Research Institute of Electrical Communication.Japan：Tohoku University,1954.

[2] Qian Y,Deal W R,Kaneda N,et al.A Uniplanar Quasi-Yagi Antenna with Wide Bandwidth and Low Mutual Coupling Characteristics[C]∥ Antennas and Propagation Society International Symposium，1999：924-927.

[3] Qian Y,Itoh T.A Broadband Uniplanar Microstrip-to-CPS Transition[C]∥Microwave Conference Proceedings,1997.APMC′97,1997 Asia-Pacific.IEEE,1997：609-612.[4] 陳 明,朱先成.基于八木天線的雙頻帶微帶天線[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2016,21(1)：72-75.

[5] 徐君書.利用HFSS電磁軟件仿真設(shè)計(jì)準(zhǔn)八木天線[R].上海大學(xué)通信與信息工院,2005：28-29.

[6] 趙 菲,葉良豐,柴舜連,等.基于子陣合成技術(shù)的微帶天線陣設(shè)計(jì)[C]∥全國天線年會(huì),2009：158-159.

[7] Sahu A K,Das M R.4× 4 Rectangular Patch Array Antenna for Bore Sight Application of Conical Scan S-band Tracking Radar[C]∥Antenna Week(IAW),2011Indian.IEEE,2011：1-4.

[8] 梅立榮,張乃柏,馬延爽,等.一種 C 波段寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真[J].無線電通信技術(shù),2014,40(4)：64-66.

[9] 徐逢舉.一種中心頻率為3GHz的微帶準(zhǔn)八木天線的仿真設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2009(4)：22-23.

[10] 韓國棟,杜 彪,陳如山.衛(wèi)星移動(dòng)通信相控陣天線研究現(xiàn)狀與技術(shù)展望[J].無線電通信技術(shù),2013,39(4)：1-6.

[11] 戴彩艷,蔡堅(jiān)勇,陳銀燕,等.13.56 MHz RFID讀寫器天線的設(shè)計(jì)與仿真[J].無線電工程,2013,43(1)：42-45.

[12] 梅立榮,張乃柏,馬延爽,等.C波段1×2微帶準(zhǔn)八木天線陣列的設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2014,44(7)：57-60.

[13] 李麗嫻,胡俊毅,王建中.一種新型C波段輕型低副瓣線陣天線[J].無線電工程,2014,44(10)：55-58.

Design on S-band Wideband High-gain Microstrip Quasi-Yagi Antenna Array

LI Xuan-xuan,LIU Gui-ya,ZHANG Yu,LI Min-quan,ZHOU Yong-guang,SHEN Chun-chun

(School of Electronic Information Engineering,Anhui University,Hefei Anhui 230009,China)

In view of high gain of Yagi antenna,this paper designs an S-band 1×2 broadband high-gain microstrip quasi Yagi antenna array combining with related technologies of microstrip antenna.The modeling,simulation and optimization of the designed antenna are implemented by using HFSS electromagnetic simulation software,and the manufacture and test of real object are performed.The analysis and test results show that the S11 of designed antenna in the range of 2.2GHz to 3.2GHz is less than -10dB,the minimum gain is 5dBi,the the maximum gain is 10dBi,and the operating bandwidth is more than 50%.

S-band;quasi-Yagi antenna;broadband;high-gain;microstrip antenna

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.16

李玄玄,劉貴亞,張 宇,等.S波段寬帶高增益微帶準(zhǔn)八木天線陣列設(shè)計(jì)[J].無線電通信技術(shù),2017,43(2)：64-66.

2016-12-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51477001)

李玄玄(1992—)，男，碩士研究生，主要研究方向：微帶天線。李民權(quán)(1968—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：天線、濾波器、超強(qiáng)透射。

TN823.17

A

1003-3114(2017)02-64-3