S波段宽带高增益微带准八木天线阵列设计

李玄玄，刘贵亚，张 宇，李民权，周永光，沈纯纯

(安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230009)

S波段宽带高增益微带准八木天线阵列设计

李玄玄，刘贵亚，张 宇，李民权，周永光，沈纯纯

(安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230009)

依据八木天线的高增益特性，结合微带天线的相关技术，设计了一款工作在S波段的1×2宽带高增益微带准八木天线阵列。运用HFSS电磁仿真软件对设计的天线进行建模、仿真与优化，并进行了实物的加工与测试。分析及测试结果表明：所设计天线在2.2～3.2 GHz范围内S11均小于-10 dB，通带内最小增益为5 dBi，最大增益达到10 dBi，工作带宽达到50%以上，仿真分析结果与实测结果基本一致。

S波段；准八木天线；宽带；高增益；微带天线

0 引言

1926年，日本学者八木秀次和宇田太郎研制出了一款高增益定向天线，这就是经典的“八木天线”[1]。该天线具有高增益、方向性强及结构简单等众多优点。不过由于其是基于偶极子天线演变而来，存在尺寸较大、工作带宽较窄等缺点，严重制约了其在目前便携式通讯领域的应用。随着微带天线技术的发展，将八木天线的设计原理与微带技术相结合，人们称这种天线为“准八木天线”。微带技术的引入解决了传统八木天线体积笨重、带宽较窄等缺点，使得八木天线以另一种形式不断改进与发展。Y.Qian等人[2]最早将微带技术应用到八木天线的设计当中，从而实现了八木天线的小型化。微带准八木天线相较于传统的八木天线带宽较宽[3]，同时还保留了传统八木天线[4-5]的高增益、辐射能力强及结构简单等优点。目前的无线频谱中，S波段涵盖了许多重要的通信频段，如WiFi、4G、蓝牙和Zigbee等，这些主流的通信设备都工作在S波段，所以设计一款S波段的小型化、宽带和高增益天线有很强的市场应用前景。

1 天线结构的设计

设计了一款S波段1×2微带准八木天线阵列，其结构如图1所示。天线采用一分二微带等功分器[6]对2个阵子进行等幅同相馈电，2个阵子在空间进行功率合成[7]。

根据八木天线的设计原理，采用3个引向阵子即可满足增益要求，由于设计的天线工作在S波段，暂且将天线的谐振频率点设在3GHz，其对应的空间波长λ=10cm,由此来初步得出天线有源振子、反射振子的长度和间距。

(a) 1×2微带准八木天线阵列正面

(b) 1×2微带准八木天线阵列背面图1 1×2微带准八木天线阵列结构示意图

微带八木天线各个部分的初步尺度如下：

① 由于有引向器，天线整体介质板形状为矩形，尺寸为150 mm×110 mm×1.6 mm。

② 有源振子为半波振子，首先按照半波长长度取其为l0=0.5、λ=50mm，同时考虑到实际半波振子的长度要比理论略短，加上介质基板起到一定的缩短效应[8]，最终取其长度为40mm。有源振子距离反射振子的距离d0通常可以取0.2λ，同样考虑到介质基板的缩短效应，取其为20mm。

③ 引向振子印刷在有源振子的左侧，其中包含3个引向阵子，其长度分别为l1、l2、l3，且通常要比有源振子要短，根据八木天线的设计原理，这里取l1=0.95l0、l2=0.9l0，最后一个引向阵子通过切缝来改善天线的增益效果，取其缝隙宽度为1 mm，半个振子长度2l3=0.85l0，相邻2个引向器之间的间距及其距离有源振子的长度一般为0.15λ，取其d1=d2=d3=15 mm；使用HFSS电磁仿真软件对所设计的天线进行建模仿真与优化，所选用的介质板的介电常数εr=4.5，厚度h=1.6 mm,最终得到微带八木天线的最优振子长度l0=30 mm,l1=0.95l0=28.5 mm,l2=0.9l0=27 mm,2l3=0.85l0=25.5 mm,在此参数下天线的-10 dB带宽达到1 GHz，在谐振频率点增益达到9.1 dBi。

2 仿真结果分析

经过参数优化，天线的S曲线如图2所示，从图中可以看出天线具有很好的宽带特性，所产生的共鸣频率分别为2.35 GHz、3 GHz、4.5 GHz和5.3 GHz。频带带宽达到1 GHz(从2.2～3.2 GHz)，所以准八木天线的宽频带特性得到验证[9]。

图2 天线的S11曲线图

对设计的阵列天线仿真，得到在其在3 GHz处的E面和H面的方向图，结果如图3所示，从图中可以看到，天线的增益大约在9.5 dBi，E面的波束宽度约为80°，H面的波束宽度约为30°，阵列天线的增益明显高于单个天线的增益，这得益于2个天线辐射的能量在空间中进行叠加[10]。

图3 天线仿真方向图

对设计的天线增益带宽进行仿真，结果如图4所示。从图可以得到，天线在2.2～3.2 GHz范围内，增益均大于5 dBi，在3.2 GHz处达到最大，增益达到10 dBi。同时天线的增益大于0 dBi，带宽达到1.9 GHz。说明天线在不仅有较宽的阻抗带宽[11-13]，同时天线的增益带宽也很宽，完全满足实际工程对于增益带宽的需求。

图4 天线增益仿真图

3 实物加工与测试

在上述仿真优化的基础上，进行实物加工，如图5所示，为加工后的1×2准八木天线实物图，并进行了相关的测试。加工所选用的介质板为性价比较高的FR-4介质板，整个天线的尺寸为150 mm×110 mm×1.6 mm。

(a) 天线正面

(b) 天线背面

对天线的S11参数进行测试，结果如图6所示，从图中可以看出测试的结果与仿真的结果存在一定的误差，在通带内形成了多个毛刺点，这与实物加工的误差和测试环境都有很大的关系，不过实测的天线S11在2.2～3.2 GHz范围内均小于-10 dB,这与仿真的结果相吻合，满足所设计的宽带准八木天线要求。

图6 实测天线S11测试图

4 结束语

为了满足现在大部分工作在S波段的通信设备对于高增益天线的需求，设计了一款1×2准八木宽带高增益阵列天线，运用HFSS电磁仿真软件对该款天线进行仿真和优化，在此基础上加工出了实物，并进行了相关性能的测试。从仿真与实物测试的结果对比可以看出，天线的S11参数与仿真结果基本吻合，满足工程应用的需求。在后续的研究过程中，将重点解决天线的小型化问题，使其更能广泛应用于便携式移动通信设备上。该款天线的设计，对于后续超宽带、高增益和多阵列天线的设计提供了相关实验依据与数据支撑。

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[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] 陈 明,朱先成.基于八木天线的双频带微带天线[J].西安邮电大学学报,2016,21(1)：72-75.

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[13] 李丽娴,胡俊毅,王建中.一种新型C波段轻型低副瓣线阵天线[J].无线电工程,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,刘贵亚,张 宇,等.S波段宽带高增益微带准八木天线阵列设计[J].无线电通信技术,2017,43(2)：64-66.

2016-12-13

国家自然科学基金项目(51477001)

李玄玄(1992—)，男，硕士研究生，主要研究方向：微带天线。李民权(1968—)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：天线、滤波器、超强透射。

TN823.17

A

1003-3114(2017)02-64-3