基于左右手传输线的贴片八木天线概要

文章编号：1005-
6122（2011）02-0056-04基于左右手传输线的贴片八木天线
*
曹卫平
1，2
田国涛
1
李思敏
2
（1．桂林电子科技大学信息与通信学院，桂林541004；2．电子科技大学应用物理研究所，成都610054）
摘
要：
运用左右手传输线的后向波理论，提出了一种新型的小型化微带贴片八木天线。

该天线的有源振子
部分采用左右手传输线结构；同时，
为了进一步减小其物理尺寸，反射器和引向器分别采用了弯折线和微带线加载电容的结构来实现。

实验结果表明，此天线的电性能优于传统八木天线，且尺寸只有传统天线的1/3。

经测试，这种天线在性能上不亚于传统的八木天线。

关键词：
左右手传输线，八木天线，小型化
A New Patch Yagi Antenna Based on Right-Left Handed Transmission Line
CAO Wei-ping 1，2
，TIAN Guo-tao 1，LI Si-min 2
（1．School of Information and Communication ，Guilin University of Electronic Technology ，Guilin 541004，China ；2．Institute of Applied Physics ，University of Electronic Science and Technology of China ，Chengdu 610054，China ）Abstract ：
A new miniaturization Yagi antenna based on right-left handed transmission line which has the backward
waves is researched．The active dipole of this antenna is based on right-left handed transmission line ；meanwhile ，in order to reduce the size ，reflector and director are respectively used with folded line and capacitive microstrip line．Experimental re-sults demonstrate that the performance of this antenna is superior to traditional Yagi antenna ，and the size of this new antenna is only one third of traditional Yagi antenna．The performance tests indicate that this new antenna is better than traditional Yagi antenna．
Key words ：
right-left handed transmission line ，Yagi antenna ，miniaturization
引言
随着通信技术的日益发展，各种通信系统都朝
着小型化、集成化方向发展。

而射频前端的天线尺寸由于取决于其工作频率，以致在低频时天线尺寸相对较大，这样不利于携带和移动，所以小型化、高性能天
线的研制已变得尤为重要。

目前，实现天线小型化主要是通过改变天线的结构、形状、加载，以及利用材料特性、匹配网络来实现。

但很多通常的方法基本上都是以牺牲天线的辐射性能为代价。

复合左右手传输线理论的提出为实现天线的小型化提供了一种崭新途经。

利用左右手传输线结构
来作为天线振子，振子电流幅度会出现在低、高频时
分布一致，在过渡频率时天线上的电磁波的波长无限大，相位常数为零。

这样就能实现天线在物理尺寸不变的情况下降低谐振频率，从而实现天线的小
型化并且在频带内满足辐射特性［1］。

八木天线由于结构、辐射特性优越而被广泛应
用于米波和分米波通信、雷达、电视以及其他无线电技术设备中。

但其有着自身的局限性：工作频率越低，天线尺寸也相应地越大，不利于天线的架设和移动。

在此，我们结合复合左右手传输线，以达到减少尺寸、满足实际工程的需要。

第27卷第2期2011年4月
微波学报
JOURNAL OF MICROWAVES
Vol．27No．2
Apr．2011
*收稿日期：2010-09-17；修回日期：2011-01-23基金项目：国家自然科学基金项目（61071018）
1
左右手传输线小型化八木天线的设计
八木天线由一个有源振子、一个反射振子和若
干个引向振子组成，反射振子和引向振子都是短路无源振子。

在八木天线中反射振子和引向振子的长度和间距都取决于有源振子的谐振频率，调节这两个参数可以使各个振子电流相位自反射振子到最前
一个引向振子依次滞后，
从而实现天线在前向从有源振子到引向振子的方向发生最大辐射。

而有源振
子的尺寸直接影响着天线总体的尺寸，所以设计小型化的有源振子对八木天线小型化至关重要。

1．1基于左右手传输线有源振子的设计
电磁波在左右手传输线中传播时，在特定频率范围内其传输特性呈现出等效磁导率和等效介电常数同为负数的特性，这使得传输线中的电场、磁场和波矢量遵循左手定则；在其他频段则满足传统的右
手定则［3］。

图1为混合左右手传输线结构示意图。

图1混合左右手传输线一个单元等效模型
根据左右手传输线的理论［4-5］
，图1所示无耗复
合左右手传输线的传输常数可表示为
γ=α+i β=（1）式中Z =j ωL R －
1ωC (L ，Y =j ωC R －1ωL (
L。

无耗复合左右手传输线的色散关系是β（ω）=s （ω）ω2
L R C R +
ω2
L L C L －R L L +R
C L
（2）
s （ω）=
－1，ω＜ωΓ1=min 1R R 1
L (
L +1，ω＞ωΓ1
=max 1R
R
1
L
({
L
（3）
式（3）中，如果L L =C L =0，则复合左右手传输线变为纯右手传输线；如L R =C R =0，则复合左右手传输
线变为纯左手传输线。

现在用左右手传输线构造平面左手加载4单元偶极子天线（图2）。

天线由集总元件周期加载介质板上的敷铜线而成。

电容C L 和电感L L 形成左右手
传输线结构，其值影响天线谐振频率。

电感
L L 起到
改善天线阻抗匹配的作用，
而电容C L 接在阶梯网络的两端，其中一端是馈入点，这导致导线上电流的幅
度有差异，
它们在离天线馈点较远的地方将不会完全抵消，
从而产生电磁波的辐射。

天线两端是开路，并且其上有驻波存在，这与偶极子特性类似
［6-7］。

图2辐射源的结构
用基于有限积分法的三维电磁场仿真软件CST 2008对天线的尺寸和加载的集总元件值进行优化设计，得到天线长L =120mm ，单元长a =30mm ，两线中心距离d =24mm ，中心馈电点缝隙宽g =4mm 。

为了提高天线带宽，下边的铜皮带线较宽，宽w 1=7mm ，其余铜皮带线宽均为w 2=1．4mm ，介质板厚度h
=0．787mm ，介电常数为2．2。

单元串联贴片电容值C L =1．5pF ，并联贴片电感值L L =10nH ，
安装
集总元件的缝隙宽m =3mm ，仿真的天线谐振于500MHz ，S 11＜－10dB 是16MHz ，相对带宽是3%，增益为2．1dBi ，其特性满足工程要求。

设计的天线方向图如图3所示。

图3小型化辐射源E 面和H 面方向图
7
5第27卷第2期曹卫平等：基于左右手传输线的贴片八木天线
1．2
左右手传输线八木天线的设计
设计小型化八木天线考虑出发点是将较低频率的八木天线集成在一个介质板上，采取弯折线的形式来增加其物理长度，
引向振子采用加载电容的方式减小其物理尺寸。

小型化八木天线结构如图4（a ）所示，辐射源、引向器、反射器分别印制在介质板的两面。

辐射源位于板的正面，反射器和引向器位于板的背面。

反射器每个折线的间距为30mm ，长度为0．28λ0。

引向器反射器的微带线宽都为10mm ，引向器的长度为0．28λ0，加载电容为20nF 。

图4（b ）为传统的贴片八木天线。

图4
传统贴片八木天线与小型化八木
天线结构及尺寸的比较
测试结果如图5所示。

天线增益为8．25dBi ，
谐振频率为500MHz ，
E 面波瓣宽度为θ0．5E =115ʎ，H 面波瓣宽度为θ0．5H =63ʎ。

传统的贴片八木天线的增益为8．0dBi 。

由实验结果数据可以看出该天线性能与自由空间中的八木天线性能相比增益低。

经分析我们认为，由于电磁波在反射器等效长度太小，不能完全起
到反射器的作用；而引向器存在能量泄漏，使能量不能完全向一个方向辐射，所以采用给介质板双面都
加引向器和反射器，用来提高反射和引向的效果，其结构如图6所示。

反射器通过过孔将正面与背面的带线连接，引向器也通过过孔使得正面和背面连接，设计得到天线增益为8．7dBi ，谐振频率495MHz ，
E 面波瓣宽度为θ0．5E =111ʎ，H 面波瓣宽度为θ0．5H =62ʎ，测试结果如图7所示。

对比图5和图7可以看出改进后的小型化八木天线增益比之前的天线的性能有了一些提高，而且谐振频率也略有减低。

1．3实物测试结果
为了验证仿真结果的有效性，对仿真的参数进行实物加工测试。

实物与测试结果如图8所示。

馈
图5
传统贴片八木天线与小型化八木天线S 11对
比及E 面和H 面方向图对比
图6
改进的小型化八木天线结构
图7
改进小型化八木天线S 11曲线及E 面和H
面方向图
图8
实物与测试结果
电采用同轴线馈电，实物纵向尺寸为675mm ，比仿
真尺寸小了30mm ，
谐振点到了484MHz 。

实物测试驻波比小于－10dB 的带宽为10MHz ，在这个带宽内
天线的增益为9．2dBi 。

2结论
本文设计了一种新型的基于左右手传输线的八木天线，结果表明这种新型的八木天线与自由空间八木天线相比天线的尺寸明显减小。

辐射源的尺寸减小为
λ0/5，引向器和反射器的尺寸减小为λ0/3。

整体天线的尺寸是普通八木天线的
1/3。

另外我们可以考虑在反射振子加载电感减小其尺寸，引向振子采用交指电容的形式改变其电流相位以减小引向振子之间的间距使得八木天线的尺寸变得更加小。

参
考
文
献
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〔7〕Iizukah ，Hall ，PS ，Lucas Borjaa．Dipole antenna with
left handed loading ［J ］．IEEE Antenna ，Propagation Wireless Letters ，2006，5（1）：483-485
曹卫平男，1971年生，博士，副教授，主要研究方向为宽带电小天线、智能天线、微波与毫米波电路。

田国涛
男，1984年生，硕士，主要研究方向为电磁超介质
在天线中的应用。