准八木天线的小型化和宽带化研究

汤炜　孙平

【摘 要】在传统准八木天线基础上，通过合理布局及容性加载技术，本文首先提出了一种小型化准八木天线，该天线在超高频（Ultra-High Frequency；UHF）射频识别（Radio Frequency Identification；RFID）频段内增益约为6.5dBi，天线基片尺寸仅仅只有中心频点自由空间波长1/3；为了能够进一步拓宽天线带宽，将原天线中的馈源振子改为领结型结构，天线增益降为4dBi左右，但-10dB相对带宽达到42.6%。通过样品测试，天线的仿真结果与测试结果吻合较好，验证了本文所提技术方案的可行性和正确性。

【关键词】准八木天线；小型化天线；宽带天线

中图分类号： TN823.17 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0019-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.007

【Abstract】Based on the conventional Quasi-Yagi antenna，this paper presents a novel miniaturization antenna by rearranging the layout and capacitive leading technique.The antenna has a 6.5dBi gain at UHF and its size is just 1/3 of the wavelength of center frequency in free space.Meanwhile，to extend the antenna bandwidth，a modified bowtie dipole is replaced as the driven dipole and its relative bandwidth （S11<-10dB） achieves 42.6% and its gain is about 4dBi.The measurement of the sample is agree well with the simulation by software HFSS，which validate the scheme in this paper.

【Key words】Quasi-Yagi antenna；Miniaturization antenna；Wideband antenna

0 前言

八木天线，也称引向天线，具有方向性强，增益高和结构简单的特点，迄今仍被大量使

用在通信，测速，遥感，定向等领域[1]。但传统八木天线通常体积较大，重量较重，限制了该天线的应用范围。另一方面随着微带天线的兴起，无法与微波电路集成成为八木天线一大缺陷。1998年加州大学Itoh教授提出准八木天线（Quasi Yagi-Uda Antenna）[2]，该天线兼具微带天线易集成和八木天线高增益的优点。随后的工作围绕提高天线增益和拓展带宽两方面展开，Itoh教授小组对准八木天线阵的互耦进行研究，在阵列上部设置狭长切口减小耦合，维持天线良好的后向性能[3，4]；S.X.Ta[5]利用地线间设置凸金属条以减轻耦合；清华大学冯正和教授[6]采用6引向器天线获得11.6dBi增益；苏州大学刘学观教授[7]完成一款较宽频带4引向器天线其增益9dBi；频带宽度方面，北理工采用类似微带天线中的附加贴片技术，得到了跨越S-C（2.8GHz～5.2GHz）的优化结果，但增益较低，Y.Kou[8]中提出利用微带魔T的概念进行馈电，J.G.Estrada[9]利用EBG结构作为衬底，相对带宽达到45%。

本文在传统准八木天线基础上，通过容性加载减小天线反射器和馈源振子的横向占用空间；同時利用合理布局减小纵向占用空间，针对应用于超高频RFID系统915MHz频点设计一款小型化天线，基片大小为105mm*110mm，纵横尺寸约为中心频点自由空间波长1/3。随后考虑到在通信领域使用宽频天线的可能性，将该小型化天线与宽带技术相结合，其中的馈源振子由变型领结型振子替换，此时由于天线Q值下降导致天线增益有所降低，但极大拓宽了天线的使用频带，天线最终相对大小为45mm*52mm，带宽达到46%，增益约为4dBi，且测试结果和HFSS仿真软件吻合较好。

1 天线的小型化技术

八木天线较为普通，在相关的天线教材及参考书中多有涉及，在此不再赘述。通常的三元准八木天线的基本示意图如图一所示，根据其设计原理，传统准八木天线的尺寸一般超过其频点对应的。

其中蓝色部分为基片正面导体，棕红色部分为背面导体。天线由天线端口，天线馈线，阻抗变换器，移相巴伦，馈源振子，引向器和反射器构成。与传统八木天线不同的是，此处基片背面导体既充当微带线电路（端口，馈线，阻抗变换器和巴伦）的地线，同时也充当引向天线的反射器，体现了该天线精妙的设计原理。

但从图一可看到，由于馈线和阻抗变换器为纵向布局，使得天线的下半部留白较多，导致纵向长度过长，如果能够将相关部分横置，有可能实现纵向尺寸的缩减；横向方面我们可以通过容性加载技术，即在较长振子两端附加纵向贴片，只要令振子横向长度与纵向长度之和略长于，即可实现振子的谐振。因而可以得到小型化准八木天线示意图，如图2所示。

确定天线基本模型后，利用商用软件HFSS对天线参数进行优化，最终确定模型的物理尺寸，其中基片采用Taconic-615A，其介电常数，损耗角，厚度为1.27mm，基片尺寸为110mm*105mm。天线部分其余参数表1所示。

2 天线的宽带化技术

在实际应用中，作为端射天线的重要形式之一，在某些通信场合并不需要过高的天线增益而更希望天线在较宽频带内进行工作，本文随后对上述天线进行了修正，将其中的馈源振子更换为领结型振子，其余小型化技术不变，此时天线模型如图3所示。

该基片采用的基片為普通的Fr4材料，介电常数？着r=4.4，厚度为1mm，基片尺寸大小为45mm和52.75mm，经过优化后的基片相关参数如表2所示。

天线2各参数尺寸（单位：mm）

3 样品制作与测试

为后续阐述方便，本文将小型化天线称为天线1，小型宽带化天线称为天线2，加工后的天线照片如图4所示，需要说明的是天线1的工作频段为915MHz，天线2的工作频段为2.45GHz，因而天线的尺寸相差较大，但与波长相比均实现了小型化。

3.1 天线1测量与仿真结果

本文对天线1的测试结果与仿真结果如图5所示，从图中可以看到测试结果与仿真结果吻合很好，在RFID超高频频段内，频段内的驻波系数均小于1.4，达到了工程需求。天线增益超过6.5dBi，和普通三元八木天线相当，但是尺寸仅仅只有（为915MHz电磁波自由空间波长，为327mm），可以本文提出的小型化对于天线的电气性能没有太大影响，体现了设计思想的正确性和可靠性。

3.2 天线2测试与仿真结果

天线2的测试结果与仿真结果如图6所示，对于宽带小型化天线，由于采用了领结型振子，电流在流经辐射振子时，可以通过不同路径长度完成回路，使得天线能够在较宽频带内进行谐振和工作。从测试结果看，S11小于-10dB的频带区域2.14-3.3GHz，相对带宽达到42.6%，即使是较为苛刻的小于-15dB的范围，相对带宽也达到37%左右。天线增益在感兴趣频带内约为4dBi，为中等增益范围。由于天线设计得频带覆盖2.4GHz 的WLAN和Bluetooth，2.45 GHz RFID，2.3 GHz and 2.5 GHz WiMAX，and 2.6GHz LTE，有望在相关领域进行应用。

4 结论

本文提出了两款新型准八木天线，通过对天线结构的合理布局及容性加载技术，相比与传统天线，实现了天线的小型化，基片尺寸仅仅为波长1/3。在小型化基础之上，利用领结型振子的宽频带特性，将原有的容性加载振子用变形领结型振子替代，同时实现了宽带化，相对带宽达到42.6%，覆盖远场和近场通信的若干重要频段，具有较大的理论创新和工程实用价值。

【参考文献】

[1]钟顺时.天线理论与技术[M].北京：电子工业出版社，2011

[2]KANEDA N，QIAN Y，ITOH T.，A novel Yagi–Uda dipole array fed by a microstrip to CPS transition[C].Asia-Pacific Microwave Conference.Dec.，Japan，1998：1413-1416.

[3]DEAL W R，KANEDA N，SOR J，et al.A new quasi-Yagi antenna for planar active antenna arrays[J].IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques （MTT）.2000，48（6）：910-918

[4]QIAN Y，DEAL W R，KANEDA N，et al.Mutual coupling and mitigation in tow-dimensional phased arrays based on planar quasi-Yagi antennas[C]，2000 Asia-Pacific Microwave Conference.Dec，Australia，2000：5-8.

[5]TA S X，PARK I.，Two-element folded-dipole-driven quasi-Yagi array with low mutual coupling[C]，2013 International Workshop on Antenna Technology （iWAT）.March， Germany，2013，pp：236-239

[6]王鹏，陈文华，冯正和.准八木型宽带高增益微带天线的设计[C]，全国天线年会论文集（上）.成都：电子工业出版社，2009：234-236

[7]潘顺中.一种微带准八木天线的设计与分析[D].苏州：苏州大学，2014

[8]KOU Y，WANG X，LIU C，et al.Design of a UWB planar quasi Yagi-Uda antenna on S-C band[C]，IET International Radar Conference.Oct，Hangzhou，China，2015：1-4.

[9]ESTRADA J G，PAECZ C I，FAJARDO A.，A new broadband Quasi Yagi–Uda antenna with an EBG-truncated ground plane [J]，IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.2013，12：1392-1395.