一种平衡微带线馈电的宽带八木天线

一种平衡微带线馈电的宽带八木天线
李涛;林澍;荆丽雯;田雨;董佳鑫;陆加;徐扬;赵志华
【摘要】提出了一种平衡微带线馈电的宽带印刷型八木天线,该天线具有剖面低、带宽宽、馈电简单的优势.使用CST Microwave Studio(R)软件分析了天线的金属表面电流,建立了与天线辐射特性等效的对称振子阵列模型,解释了天线的辐射原理.根据仿真分析结果制作了天线样机并进行了测试,该天线可以在1.62～2.35 GHz 的频率范围内满足反射系数低于-10 dB.在工作频率范围内的增益约为5 dBi,其尺寸仅为100 mm ×38.5 mm×1 mm,可以应用于无线通信领域.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2014(014)020
【总页数】5页(P56-60)
【关键词】八木天线;印刷天线;宽带;平衡微带线
【作者】李涛;林澍;荆丽雯;田雨;董佳鑫;陆加;徐扬;赵志华
【作者单位】驻哈尔滨地区舰船配套军事代表室,哈尔滨150046;哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨150080
【正文语种】中文
【中图分类】TN823.17
八木天线由日本东北大学的八木秀次和宇田太郎于1928年发明，自从问世以来，由于其具有简单的结构以及较高的增益，已经广泛应用于无线电通信以及雷达系统中。

这种天线的结构一般是由一副有源振子(通常为半波振子)、一个反射器和若干个引向器组成，典型的结构为圆柱形振子结构。

随着对该天线研究的深入，先后出现了有源振子为折合振子、扇形振子、圆锥振子等形式的引向天线，反射器也出现了角反射器和抛物面反射器等形式。

随着印刷电路技术的发展，由Qian等人首先提出了印刷电路形式的准八木天线，这类天线一般是将反射器和馈电网络进行一体化设计，集成馈电线的地板就是引向天线的反射器，如文献[1]的微带线馈电网络，这是一种典型的印刷型准八木天线，它的馈电网络包含了平衡—不平衡转换器(Balun)和阻抗变换器，这种八木天线的增益可以通过增加引向器的数目和组成阵
列实现。

文献[2]设计了一种介质集成波导馈电的八木天线，也是通过馈电结构实
现了平衡和匹配的问题。

文献[3]在平衡微带线馈电的对称振子天线[4]的基础上设
计了一种八木天线，实现了平衡馈电，没有引入反射器。

在文献[3]的基础上，文
献[5]的天线没有引入Balun，另外添加了反射器来提高天线增益。

但是文献[5]中
并没有给出天线工作原理的详细分析。

文献[6]提出了一种槽线馈电的单面印刷八
木天线，通过控制引向器的位置实现了较宽的带宽。

准八木天线单元的特点是，具有较宽阻抗带宽的同时结构尺寸较大，尤其是馈电结构的尺寸较大，需要在天线的尺寸、带宽和增益三者之间实现平衡。

借鉴了文献[3，5]提出的简单的馈电结构，本文提出一种平衡微带线馈电的宽带印刷型八木天线，是一种具有较高增益、较宽带宽和较小尺寸的引向天线单元。

在文中首先通过CST Microwave Studio®软件对天线的表面电流进行了仿真分析，在此基础上建立了天线的等效对称振子阵列的模型，通过分析该模型对所设计的天线的工作原理
进行了解释。

文中给出了详细的仿真分析和测试结果。

1 天线结构特点
天线的结构如图1所示，整个天线由四部分组成，分别为平衡微带线馈线部分、
一个反射器、有源振子以及一个引向器。

天线为双面印刷电路板结构，有源振子为印刷型的对称振子，由两个相同尺寸的金属带条组成，印刷在介质板的同侧，它的馈电结构是一种平衡微带线的结构，与振子相连的部分为平衡微带线，该结构与平行双线类似，可以实现平衡馈电，有源振子及引向器和反射器印刷在同一平面，介质板的材料为FR4环氧板，这是一种常见的印刷电路基片材料，其相对介电常数
为εr=4.4，厚度h=1.0 mm。

天线的结构参数如下：L=31 mm, Ld=42 mm,
Lr=89.3 mm, Lt=100 mm, Sd=5.8 mm, Sr=8.7 mm, Wd=5.8 mm, Ws=4 mm, Wr=6.4 mm, Wt=38.5 mm, W=6.4 mm, S=16.5 mm, Hs=19.5 mm, X=1.5 mm, Xv=2.5 mm, Yv=2.25 mm, R=1 mm, Lm=1.3 mm。

1为引向器，2为有源振子右分支，3为有源振子左分支， 4为反射器，5为加载
金属带条，6为介质板，图中的红点代表金属化过孔图1 天线的结构图Fig.1 The structure of the proposed antenna
2 工作原理分析
2.1 辐射特性分析
天线金属表面电流的仿真结果如图2所示，以典型频率2.0 GHz为例，天线的有
源振子、引向器和反射器金属上的表面电流都呈现驻波分布，可以等效为一个半波振子的电流分布，整个天线的辐射就可等效为由一系列半波振子所组成的阵列的辐射，这些半波振子上的电流的幅值和相位分布见图2。

在2.0 GHz处，天线可以
视为一个由3个半波振子所组成的阵列，阵列参数见图3。

图中Mi是各个电流幅度相对于有源振子上的电流幅度的归一化值，即M1=0.414，M2=1，M3=0.461；Ai则是各个电流相位的平均值，即A1=172.1°(-187.9°), A2=-110.9°, A3=-12.8°。

图2 天线的金属表面电流的仿真结果Fig.2 Simulated result of metal surface current of the proposed antenna
图3 天线的等效对称振子阵列模型(2.0 GHz)Fig.3 Equivalent dipole array model of proposed antenna in 2.0 GHz
根据图3所列的各项参数以及半波振子天线之间的位置关系，可以建立引向天线的等效对称振子阵列模型，该模型的辐射特性(方向性函数)可以用式(1)～式(5)进行描述：
E面：
fE(δ)=
(1)
H面：
fH(δ)=
(2)
式中：
ψ1=ksdcosδ+(A1-A2)
(3)
ψ3=ksrcosδ-(A3-A2)
(4)
(5)
式中的δ为观察方向和图3中y轴的夹角。

根据公式(1)～式(5)可以得到的等效振子阵列模型的归一化方向图，将其和引向天线方向图的CST软件的仿真结果进行对比(图4)，可以看出，两者的主瓣具有较好的相似性，说明可以应用对称振子阵列模型解释天线的辐射特性。

图4 等效阵列方向图和引向天线方向图的仿真结果Fig.4 Simulated result of radiation pattern of equivalent array and directed antenna
2.2 工作带宽的分析
不同频点处的表面电流的仿真结果表明，在1.3 GHz处，反射器中心位置上的电
流密度要高于引向器，而在2.4 GHz处情况正好相反，这是由于引向器和反射器
的谐振长度不同导致的(图5)。

由此可以得出结论，整个天线由于具有多个谐振结构，所以会具有多个谐振频率，当合理控制这些谐振频率的间隔时，会形成参差调谐的效果，可以展宽天线的带宽，因此本文天线具有较宽的带宽，图6所示的天
线的反射系数的仿真结果证明了这一点，反射系数曲线含两个谐振频率，在
1.75～
2.38的频率范围内，天线的反射系数低于-10 dB，达到了30.5%的相对阻抗带宽。

图5 天线的反射器引向器的中心位置的表面电流仿真结果Fig.5 Simulated surface current result of proposed antenna in centre of the reflector and director
图6 天线反射系数的仿真结果Fig.6 Simulated result of reflection coefficient for proposed antenna
2.3 加载金属带条的分析
图7给出了加载金属带条的长度变化对天线反射系数的影响。

从图7中可以看出，加载带条的长度变化对天线反射系数的影响为：当s在5～19 mm的范围内，天
线反射系数比较稳定，而当s超过20 mm时，天线的反射系数迅速变差。

说明天线的阻抗是较为稳定的，这是天线能够宽带工作的原因。

图7 加载金属带条的长度变化对天线反射系数的影响Fig.7 Influence of loaded metal strip by changing its length
3 实验结果
图8 天线样机图Fig.8 Prototype of proposed antenna
图9 天线反射系数测试结果Fig.9 Tested result of reflection coefficient for proposed antenna
根据仿真所得到的天线参数制作了一个天线样机(图8)，并在微波暗室内用Agilent E8363B型矢量网络分析仪进行了测试，测试内容包括反射系数、方向图和增益，测试结果列于图9、图10中和表1中。

测试结果表明，天线在1.62～2.35 GHz的频率范围内的反射系数低于-10 dB，与仿真所得到的结果相比，带宽要稍大一些，且向低频端偏移；增益测试结果比仿真结果要小约1 dB(表1)；H面方向图的测试结果与仿真结果相差不大，而E面方向图的测试结果与主瓣有一定差异。

造成实验结果和仿真结果差异的原因是：①印刷基片采用的是普通的FR4型板，这种材料的损耗是较大的，其损耗正切约为10-2量级，远大于常用的Rogers系列的材料(10-3量级)，所导致的能量损耗会使得天线的反射系数和增益下降；②天线焊接的影响以及天线方向图测试夹具的影响会影响天线方向图副瓣电平的测试结果；③FR4材料的不稳定性会影响天线方向图的测试结果和反射系数的测试结果；④本文天线没有引入平衡，所以在实物测试时造成了振子两极电流分布不平衡，从而导致了E面方向图的差异，但是这个差异不大。

图10 天线方向图测试结果(2.15 GHz)Fig.10 Tested result of radiation pattern for proposed antenna表1 天线增益的仿真和测试结果Table 1 Experimental and simulated result of gain for proposed antenna
频率/GHz仿真结果/dBi测试结果
/dBi1.75.45.01.85.45.11.95.45.32.05.55.22.15.65.02.25.84.82.36.05.02.46.35.2 4 本文天线的特点
从上述的仿真分析可以得到本文天线的特点：
(1)尺寸小，尤其是馈电部分的尺寸很小，这是由于没有引入平衡，节省了很大的
空间，虽然最终产生了馈电不平衡的问题，但是方向图与平衡馈电时的仿真结果相比差异并不很大。

(2)带宽宽，本文天线的工作频带为1.62～2.35 GHz，相对带宽达到了36.8%，这个带宽远大于传统的八木天线带宽，和文献中其它天线的带宽相比(见表2)，本文
天线的带宽是比较宽的。

(3)剖面低，易于和通信系统集成，本文采用平衡微带线进行馈电，这种传输线为
印刷形式的传输线，既可以和同轴线直接连接，也适用于微带线等集成传输线领域。

表2中列举了一些文献中的天线和本文天线的比较结果。

表2 本文天线和文献中天线的比较Table 2 Comparison between the proposed antenna and the antennas in references天线种类工作带宽/GHz相对带宽/%增益/dBi本文天线1.62～2.3536.84.8～5.3文献[1]9.7～11.5176.5文
献[2]8.82～10.1814.44.6～7.5文献[3]2.35～3.4537.92.7
5 结论
提出了一种平衡微带线馈电的宽带印刷型八木天线，通过软件仿真分析了天线金属的表面电流，解释了天线具有宽频带的原因；并且根据金属辐射体表面电流的仿真结果，提出了与该引向天线具有等效辐射特性的独立馈电的对称振子天线阵列模型，解释了天线的定向辐射特性。

天线的仿真与实验结果表明，该天线可以工作于
1.62～
2.35 GHz的频率范围内，工作频带内的增益典型值为5.0 dBi，可以应用
于无线通信领域，另外，该天线所采用平衡微带线馈电的方法可以不引入同轴线，因此可以推广到毫米波以及集成电路系统中的天线设计领域。

参考文献
【相关文献】
1 Qian Y, Deal W R, Kaneda N, et al. Microstrip fed Qusai-Yagi antenna with broadband characteristics. Electronics Lett, 1998; 34(23): 2194—2196
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