一种新型微带准八木天线的设计

五邑大学信息工程学院　袁　陶　李继岚　张　昕

一种新型微带准八木天线的设计

五邑大学信息工程学院袁陶李继岚张昕

对现有的微带准八木天线改进的基础上，本文设计了一种中心频率为2.4GHz的微带准八木天线，将共面带线CPS改进为G字母形状，减小微带到共面带线过渡引起的交叉极化分量，同时增加了两个引向器，使天线的增益从3.1695dBi增加到7.1147dBi。通过软件仿真和实物测试表明改进型方式结构设计合理，能有效地提高天线的增益，改善天线的性能。

准八木天线；天线增益；方向图

引言

随着微带天线在雷达、侦察、导航及移动通信等领域的广泛应用［1］，人们对微带天线的带宽和增益提出了更高的要求。但微带天线具有带宽较窄的特性，如何改善这种特性成为了人们的研究热点［2］。

由Qian等人提出的准八木（quasi-Yagi）天线［2］，继承了传统八木天线优良的辐射特性。通过采用高的介电常数的介质材料，天线的尺寸可以设计的非常小，而且它是单平面的，易于构成阵列，可以结合平面微带技术的多种优点，有着广泛的应用前景［3］。

1.天线设计

1.1准八木天线

微带准八木天线主要有两部分组成［4］：上半部分为辐射部分，包括印刷偶极子和引向器；下半部分实现了微带线到共面带线（CPS）的转换。微带线的两个臂相差半波长，以实现共面带线的寄模激励，因而起到一个宽带巴伦的作用，微带线背面截断的接地面起到反射器的作用［5］。文献［6］在介质基板反面采用了平截的接地板作为其反射单元。其结构如图1所示。

图1　天线结构［文献6］

1.2改进型的微带准八木天线的设计

文献［6］中仿真得到的天线增益为3.1695dBi，并未给出相对带宽的数值。本文在此基础上设计一种中心频率为2.4GHz新型改进准八木型微带天线，为了进一步实现天线的小型化，将高频板介质ROGER改进为环氧树脂板材FR4，即介电常数由2.2增加到4.4，板材的厚度为1.6mm，图2为改进准八木型微带天线的结构图。

图2　改进微带准八木型天线单元

根据准八木天线的设计依据［7］：驱动单元λg的长度控制在 0.5λg（天线的最长有效波长），引向器的长度应为 0.45λg，它的计算公式为：

振子宽度的计算公式：

利用上述公式，可以得到各参数的初值大小，然后利用电磁仿真软件 Ansoft HFSS的优化仿真，得到天线的各尺寸参数如下：W=90mm，L=125mm，W1=20mm，W2=d=5mm，g=1mm，L1=26mm，L2=28 mm，d=0.5 mm，h=20 mm。

2.仿真与分析

2.1仿真分析

利用Ansoft HFSS仿真软件对改进型的微带准八木天线进行建模仿真。并分别对有源振子和引向器进行优化分析。

首先，设置有源振子的长度分别为25mm、26mm、27mm、28mm，其对应的S11仿真结果如图3所示，从仿真曲线可以看出天线的谐振频点主要由天线有源振子的长度决定，有源振子为26mm时比较接近天线的中心频率，故有源振子选用26mm。

图3　天线有源振子对S参数的影响

然后，将天线引向器长度分别设为28mm、30mm、32mm、34mm和36mm，对S参数的影响如图4所示。从图中可以看出长度为34mm和36mm时偏差最大。

图4　天线引向器对S参数的影响

综合以上分析最终选取天线有源振子长度、引向器长度以及引向器的开口宽度分别为26mm、28mm和5mm。

图5　S11的仿真与测试结果

图6　3D辐射方向图

图7　天线E面和H面辐射方向图

图8　天线正面

图9　天线背面

2.2仿真与测试结果

图5分别为S参数的仿真、测试对比图，从图中可以看出S11≤-10dB的相对带宽均为25%左右，图6为辐射方向图，从图中可以看出天线具有良好的辐射特性，轴向增益达到7.1147dBi。

图7的实线和虚线分别代表了天线的E面和H面的辐射方向图，在主方向的天线辐射基本对称，也体现了平衡馈电的作用，两个面的波束宽度分别为63°和87°，前后比良好。图8和图9为天线正面和背面实物图。

3.结论

本文在文献［6］的基础上进行了改进，设计了微带馈线代替了平行双导线，将共面带线CPS改进为G字母形状，以减小微带到共面带线过渡引起的交叉极化分量，同时增加了两个引向器，使天线的增益从3.1695dBi增加到7.1147dBi，同时提高了天线的匹配性能，通过仿真和测试对比，本文所设计天线性能有很大改善和提高，本文设计的天线具有较大的应用价值。

［1］余川飞，李彪.一种具有宽带宽角特性的改进型准八木天线［J］.信息与电子工程，2011，9（1）：39-43.

［2］倪国旗，张涛，倪围，李树彬.一种微带准八木天线的改进设计［J］.微波学报，2013，29（1）：51-54.

［3］Mitola J，Maguire G，Jr..Cognitive radio： Making softwave radios more personal［J］.IEEE Personal Communication Magazine，1999， 6（4）：13-18.

［4］Qian Y，Deal W R，Kaneda N，et al. Microstrip-fed quasi-Yagi antenna with broadband characteristics［J］.Electronics Letters，1998：34（23）：2194-2196.

［5］郭俊，王锋，金谋平.准八木型宽带微带天线单元的设计［J］.现代电子，No.2，pp 25-27，2002.

［6］徐逢举.一种中心频率为3GH的微带准八木天线的仿真设计［J］.通信技术，2009，42（4）：22-26.

［7］STUTZMAN W L，THIELE G A.Antenna theory and design ［M］.New York：Wiley，1998：33-42.

［8］Dandawate A V，Giannakis G B.Statistical test for presence of cyclostationarity［J］.IEEE trans. on Signal Processing，42（9）：2355-2369.

A novel quasi-Yagi antenna

YUAN Tao， LI Ji-Lan， ZHANG Xin
（School of Electronic Information Engineering ， Wuyi University， Jiangmen Guangdong 529000，China）

A novel quasi-Yagi antenna in 2.4GHz is enhanced in this paper. The cross polarization component caused by the transition from microstrip to coplanar strip line is reduced by the coplanar strip line CPS improved to G. Two director elements are designed to improve the gain. And the gain of the antenna is increased from 3.1695dBi to 7.1147dBi. This antenna is tested by software simulation and physical test， it is proved that the structure of quasi-Yagi antenna is reasonable， it can effectively improve the gain and the performance of the antenna.

Quasi-Yagi antenna; Antenna gain; Pattern