一种应用于WiFi频段的高增益新型微带准八木天线*

黄文静，孙 俊，杨唐钢

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650504）

0 引 言

八木天线是八木-宇田天线的简称，是1926年由一名日本学生和他的导师八木设计提出的。八木天线作为一种结构简单、定向性较好的天线，一直以来都被国内外很多专家学者研究，也被广泛应用于各种通信系统[1-2]。但是，八木天线通常体积庞大、重量较大且调整相对较困难，限制了其在某些场合的应用。1953年，微带天线的概念被Deschamp提出。但是，直到20世纪70年代初，由于微波集成技术的发展和各种低耗材质的生产，才使得微带天线的制作工艺得到保障。由于微带天线质量轻、体积小、易于共形、易于集成、易于生产等优点，被应用于各种场合。但是，微带天线一般存在辐射效率低、性能受基片材料的影响较大等缺点。随着通信系统的发展，基于两种天线各自的优缺点，越来越多的学者将八木天线的理论应用于微带天线，提出了两种微带八木天线的形式。一种是微带贴片天线，其最大辐射方向为准端射方向，主瓣波束像端射方向倾斜；另一种是微带准八木天线，最大辐射方向为端射方向，即垂直于天线表面的方向。微带准八木天线作为典型的端射天线，在无线通信领域受到了广泛关注。随着无线通信的快速发展，天线具有高增益和单向辐射模式，在诸如卫星等各种通信系统中非常需要。然而，准八木天线的增益相对较低。针对这个缺陷，国内外学者进行了大量研究。文献[3]设计了一种高增益的八木天线，但结构过于复杂。近年来，许多具有独特性能的超材料被广泛应用于微波器件和天线应用[4-9]。其中，低/零指数（LIM/ZIM）材料具有控制发射方向的特点[4-5]。将ZIM结构作为微带天线的上层，增益提高了1～2 dB。然而，这种结构使得天线体积大、质量重。文献[6]将非谐振人工材料（Non-Resonant Artificial Material，NRAM）引入对拓槽天线的例子，高频段13～18 GHz的增益平均提高3 dB。后面，又有学者利用人工磁导体（Artificial Magnetic Conducto，AMC）提高了微带天线的增益[7]。文献[8-9]利用频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）作为空间滤波器来提高微带天线增益。

近几年，开口谐振环因其奇特的电磁特性，引起了许多研究者的广泛关注。文献[10]介绍了一种利用SRR的负磁导率特性实现Vivaldi天线带内频率可调节设计；文献[11]实现了利用一种新型互补开口谐振环（CSRR）实现小型多频带微带天线。文献[12]利用发卡式的SRR结构，设计了一种柔性且频带单独可控的双频超材料，其带阻特性实现了信号的屏蔽作用。但是，将开口谐振环结构应用在提高微带准八木天线增益方面的应用还并不成熟。本文利用SRR结构的特殊谐振作用，使之在准八木天线的端射方向的前方形成特殊功能的引向器，设计了一种覆盖WiFi频段的高增益新型微带准八木天线，在保证天线尺寸和带宽的前提下，有效提高了增益。

1 开口谐振环结构设计和谐振特性分析

要将开口谐振环应用于本文设计的微带准八木天线，开口谐振环单元的设计如图1所示。深色部分为开口谐振环，浅色部分为厚度为0.8 mm，介电常数为4.4的FR4介质板。开口谐振环单元由两个边长不同的正方形开口谐振环组成，开口方向相反，具体参数如表1所示。

图1 开口谐振环单元结构

表1 开口谐振环单元尺寸表

将设计好的开口谐振环单元放置于TEM导波中，开口谐振环单元以如图2所示的形式摆放，沿z轴方向的波导壁设为理想磁边界，沿y轴方向的波导壁设为理想电边界，使电磁波沿x方向传播。波导中TEM波的磁场H垂直穿过开口谐振环单元所在的平面，电场E平行于开口谐振环单元开口所在边的方向。开口谐振环单元在理想电边界的镜像作用下，可以等效周期的开口谐振环阵列，通过一个开口谐振环单元结构的特性参数，分析周期结构开口谐振环的电磁特性。

图2 开口谐振环单元结构置于TEM导波中

本设计的开口谐振环单元在TEM波导中的传输特性，如图3所示。在4 GHz以下的频段内，S11≤-10 dB；在频段4～6.2 GHz内，-3 dB≤S11≤-10 dB；电磁波的传输在6.2 GHz以上频段受到抑制；在谐振频率为7.2 GHz处，出现最小谐振频率。

图3 传输特性曲线

2 加载开口谐振的高增益准八木天线设计

本设计的天线几何结构，如图4所示。将天线印刷在厚度h为0.8 mm，尺寸为Wsub×Lsub的FR4环氧树脂介质板上，其介电常数εr为4.4，损耗正切tanδ为0.02。天线采用渐变式微带巴伦结构对天线进行馈电，并采用渐变式结构将微带线和激励阵子相连。该结构中，左侧的激励阵子印刷在介质板背面，再与背面的反射贴片连接；右侧的激励阵子印刷在介质板正面，与正面的反射贴片通过微带线馈线相连。上下反射贴片通过几个金属圆柱连接，这样与左侧的激励阵子形成180°相位差。激励阵子内侧部分有一个切角，两个切角形成一个张角，可以增加天线的带宽。天线的带宽会随着切角大小的改变而改变。通过仿真优化，取一个使天线带宽最大的切角值。激励阵子前端放置了5个引向阵子。介质板正面和反面的反射贴片作为反射阵子，构成了八木天线的基本结构，也是本设计的原型天线.如图4（a）所示，为了进一步提高增益，在引向阵子前端正反面加入8个开口谐振环单元，改进后的天线结构图如图4（b）所示。为了证明改进后天线增益的提高是由加载开口谐振环引起的，设计了加载六元引向阵子的对比天线，对比天线结构如图4（c）所示。

图4 天线几何结构

加载开口谐振环的高增益准八木天线的总体尺寸为Wsub×Lsub，其余各部分的结构参数如图5所示。各部分初始值根据八木天线理论来计算，本设计八木天线要求工作在WiFi频段，因而中心频率f0设计为2.45 GHz。在确定中心频率、介质板材料和厚度后，为了保证较高的辐射效率，辐射阵子的宽度W3和引向阵子的宽度W4的理论值为：

式中c为自由空间光速，辐射阵子的长度dr的理论值为 0.45λg～0.5λg，引向阵子的长度 d1的理论值为 0.25λg～0.45λg，反射阵子和辐射阵子的间距 g1的理论值为 0.15λg～0.3λg，激励阵子与引向阵子的间距g2及两个引向阵子之间的距离g3的理论值为 0.15λg～0.25λg，其中 λg为电磁波在介质中的工作波长：

其中，εe为天线的相对介电常数：

图5 天线结构参数

先确定理论值后，用HFSS优化天线尺寸，最终确定的天线结构参数尺寸如表2所示。

表2 天线的结构参数尺寸

3 仿真结果与分析

为了分析加载开口谐振环对天线回波损耗的影响，图6显示了原天线、加载开口谐振环天线和对比天线的回波损耗图。仿真结果显示，在天线的中心频率2.45 GHz处，原天线的S11值为-22 dB，对比天线的S11值为-21.5 dB，加载开口谐振环天线的S11值降低至-62 dB，相比原天线的S11值降低了40 dB，说明加载开口谐振环对天线的回波损耗的改善效果十分明显。原天线能够覆盖的频段范围为2.3～2.6 GHz，改进后的天线能够覆盖的频段范围为2.28～2.57 GHz，改进后的天线覆盖的频段范围和原天线基本一致，都能覆盖WiFi频段（2.4～2.483 GHz）。

为了分析加载开口谐振环对天线增益的影响，图7显示了本设计的3个天线在2.45 GHz处的3D辐射图，原天线的3D辐射图如图7（a）所示，对比天线的3D辐射图如图7（b）所示，加载开口谐振天线的3D辐射图如图7（c）所示。从3个天线在中心频率处的3D辐射图可以看出，原天线在中心频率处的增益为7.37 dB，增加一个引向阵子的对比天线在中心频率处的增益为7.43 dB。可见，天线增益增加并不明显。而加载开口谐振环天线在中心频率处的增益增加到8.79 dB，对比原天线增加了1.42 dB，说明加载开口谐振环相比于增加天线引向阵子数目更能提高天线的增益。天线在带宽范围内的二维辐射方向图，如图8、图9所示。从图8、图9可以看出，与原天线相比较，加载开口谐振环的天线在xoy、zoy面方向图波束均有变窄。加载开口谐振环的天线在覆盖频段内，xoy面半功率波束宽度缩减都在5%以上，zoy面半功率波束宽度缩减都在20%以上。可以看出，加载开口谐振环天线的主波束相比于原天线的主波束明显变窄，天线的方向性变好，端射性能较好。可见，本设计的加载开口谐振环天线能够有效改善天线的方向性和端射性能。

图6 回波损耗

图7 2.45 GHz处的3D辐射

图8 天线xoy面方向图

图9 天线zoy面方向图

为了分析加载开口谐振环对天线性能改善的原因，图10显示了原天线和加载开口谐振环天线在中心频率处的电场幅度瞬时分布图。可以看出，原天线的电场能量主要集中在辐射阵子和前3个引向阵子上。当天线的引向阵子超过4个后，电场能量明显减弱。因此，当天线的引向阵子超过4个后，再增加引向阵子，对天线性能的改善并不显著。加载开口谐振环天线的电场能量主要集中辐射阵子、前3个引向阵子以及谐振环上，开口谐振环结构起到了明显的引向器作用，有效改善了天线端射方向的辐射性能，证明利用开口谐振环特殊结构作为引向器可以有效提高天线的增益。

图10 天线电场幅度瞬时分布

4 结论与展望

本文将开口谐振环结构与准八木天线相结合，提出了一种应用于WiFi频段的高增益新型微带准八木天线。通过在该微带八木天线引向阵子前段加载SRR结构，使之在天线辐射前方形成特殊谐振功能的引向器，以将天线的能量集中于端射方向，明显提高了天线在端射方向的增益。仿真测验结果表明，原天线在中心频率处的增益为7.37 dB，加载开口谐振环天线在中心频率处的增益增加到8.79 dB，对比原天线增加了1.42 dB。可见，加载开口谐振环相比于增加天线引向阵子数目，更能提高天线的增益。与原天线相比较，加载开口谐振环的天线在覆盖频段内xoy面半功率波束宽度缩减都在5%以上，zoy面半功率波束宽度缩减都在20%以上，说明本设计的加载开口谐振环天线能够有效改善天线的方向性和端射性能。综上所述，较好的定向辐射特性和高增益特性，使得本文设计的新型准八木天线在狭长隧道或矿井中通信中有较好的应用。