基于八木天线的双频带微带天线

陈　明, 朱先成

(1. 西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121；　2. 西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

基于八木天线的双频带微带天线

陈明1, 朱先成2

(1. 西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121；2. 西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

摘要:为解决八木天线体积大和印制天线增益普遍较小的矛盾，设计一种基于八木天线结构的双频带印制准八木天线。该天线制作在以聚四氟乙烯(1 mm, εr =2.65)为材料的基板上，两振子在基板的上下两侧呈对称分布，背面部分的振子通过带线与地直接相连，而正面部分的振子则通过带线-微带线直接馈电。这种简单的馈电结构可使该天线在5.2 GHz和5.8 GHz处分别获得了8.85 dB和9.47 dB的增益，且定向性较强。利用三维电磁仿真软件(Ansoft HFSS13.0)进行仿真设计，并将制作好的天线通过SMA连接器连接到矢网仪(Agilent Technologies N5230C 10MHz～20GHz)进行测试。实际测试结果与仿真结果基本吻合，符合设计要求，验证了设计的正确性。

关键词:八木天线；双频带；高增益；定向辐射模式

八木天线自问世以来, 就因其方向性强、增益高、结构简单且具有较宽的带宽而倍受青睐[1-3]。八木天线是一种引向天线，是由平行偶极子产生的用于产生端射阵的寄生阵列。八木天线由一个有源振子、一个反射器和一个或多个引向器构成，反射器和引向器不是被直接激励，而是通过耦合方式激励。通过调节反射器和引向器可实现端射辐射模式。八木天线通常体积大，重量也大，这限制了其在通信领域中的应用。

随着雷达、电子对抗和现代通信技术的不断发展，设备对天线的要求也越来越高。微带天线因重量轻、体型小和制作简单而得到广泛研究。将八木天线的设计概念与微带结构相结合，制作重量轻、体积小、结构简单紧凑且具有定向辐射模式和高增益的天线，是当前国内外研究的热点[4-7]。

基于八木天线的设计原理以及微带结构的优势，本文拟设计一款具有简单馈电网络的双频带印制准八木天线，并通过仿真与实验测试验证其性能。

1天线设计

所设计的天线模型如图1所示。

图1　天线模型

天线由一个振子、反射器和三个相同结构的引向器构成。馈电方式为侧馈，结构简单，容易实现。振子被分布在介质基板的上下两侧，呈对称分布，正面部分的振子通过带线直接馈电，背面部分的振子则通过带线与充当反射器的地直接相连。这种简化的馈电网络结构简单紧凑，可减少传输线的长度，降低辐射损失。天线制作在以聚四氟乙烯为材料的基板上，该基板材料的相对介电常数为2.65，基板的厚度为1 mm，大小为40 mm×40 mm。制作出的天线具有方向性强、增益高、结构简单紧凑，易于加工制作等特点。

这种结构容易选择初始参数。以初始频率5.2 GHz为基础设计天线参数，根据八木天线的设计原则，振子的长度L0约为波长一半，引向器的长度L1约为0.45倍的波长。引向器之间的间距d应为0.1～0.2倍波长，为了获得紧凑型天线，选择0.1倍的波长。第一引向器与振子之间的距离d01约为引向器之间间距d的0.6～0.7倍。由于所设计的是双频带天线，所以实际波长介于5.2 GHz与5.8 GHz所对应波长之间[8-12]。采用有限元法，利用Ansoft HFSS13.0对模型进行仿真分析,并对数据进行优化处理，得出优化后的数据按照所设计的天线参数进行加工，制作的天线实物如图2所示。

L0=38.1 mm，

W0=2.2 mm，

d=3.9 mm，

d01=2 mm，

dr=8 mm，

df=5.5 mm，

L1=18.5 mm，

W1=4 mm，

Wf=2.7 mm。

(a) 正面

(b) 背面

2实验结果及分析

将制作好的天线通过SMA连接器连接到矢网仪(Agilent Technologies N5230C 10 MHz～20 GHz)进行测试。实验测试系统如图3所示。

图3　矢网仪

所设计天线的回波损耗仿真及测试结果如图4所示。测试结果与仿真结果吻合比较好。测试结果与仿真结果出现细微偏差的原因在于，实际材料存在参数误差，而且制做工艺也难免存在误差。对比结果基本可以说明设计的正确性。

图4　天线回波损耗

所设计天线在5.2 GHz和5.8 GHz处的仿真方向图如图5所示，与其相对应的三维增益方向图如图6所示。可见，所设计天线具有较强定向辐射特性和较高增益。在5.2 GHz处，天线在最大辐射方向上增益为8.85 dB。在5.8 GHz处，天线在最大辐射方向上增益为9.47 dB。

(a) 5.2 GHz

(b) 5.8 GHz

(a) 5.2 GHz

(b) 5.8 GHz

3结语

将八木天线的设计概念与微带结构结合起来，可设计出体积小、结构简单，且具有高增益和强定向性的天线。实际设计的线体积较小，仅有40 mm×40 mm×1 mm，但增益却比较高，在5.2 GHz和5.8 GHz处增益分别能达到8.85 dB和9.47 dB，且定向性较强。不过，此次设计的方向图显示，天线尾瓣较大，还有待进一步改进。

参考文献

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[责任编辑:瑞金]

A dual-band microstrip antenna based on Yagi antenna

CHEN Ming1，ZHU Xiancheng2

(1. School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China;2. School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

Abstract:In order to solve the contradictions between the big volume of traditional Yagi antenna and the small gain of the printed antenna, a dual-band printed quasi-Yagi antenna based on the structure of Yagi antenna is designed in this paper. Manufactured on the teflon substrate (1 mm,εr=2.65), the antenna has a driver dipole printed symmetrically on the opposite sides of the dielectric substrate. The lower vibrator is connected to the ground by a strip line while the upper one is fed by stripline-microstrip line. With simple feed structure in the antenna, a directional radiation pattern is obtained. In addition, the gains of it are 8.85 dB and 9.47 dB at the 5.2 GHz and 5.8 GHz respectively. After the antenna is simulated by three-dimensional electromagnetic simulation software (Ansoft HFSS13.0), it is fabricated on a substrate with teflon material. The sample of the presented antenna was connected to the test equipment (Agilent Technologies N5230C 10 MHz ～ 20 GHz) for testing via the SMA adaptor. The measured result is consistent with the simulated result, which verifies the correctness of the design.

Keywords:Yagi antenna, dual-band, high gain, directional radiation pattern

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.01.014

收稿日期：2015-11-04

基金项目：西安邮电大学研究生创新基金资助项目(CXL2014-09)

作者简介：陈明(1956-),男，博士，教授，博导，从事射频与无线技术及微波光子学研究。E-mail:chenming5628@sina.com 朱先成(1989-),男，硕士研究生，研究方向为宽带无线通信技术。E-mail:785320694@qq.com

中图分类号：TN82

文献标识码：A

文章编号：2095-6533(2016)01-0072-04