八木微帶天線的設(shè)計與研究

摘 要:對八木微帶天線進行了研究。仿真設(shè)計一種寬帶寬波束圓極化八木微帶天線，在中心頻率上實現(xiàn)了波束由側(cè)射向端射偏轉(zhuǎn)26°，頻率帶寬達800 MHz，0 dB主波束寬度為110°;采用Wilkinson微帶功分器產(chǎn)生兩路幅度相等相位相差90°信號對天線進行饋電，實現(xiàn)了圓極化。同時研究了在設(shè)計天線中參數(shù)對于八木微帶天線主波束偏轉(zhuǎn)角度的影響，得出了偏轉(zhuǎn)角度隨各參數(shù)變化的一般規(guī)律。

關(guān)鍵詞:八木微帶; 圓極化; 寬波束; 波束偏轉(zhuǎn)

中圖分類號:TN82文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0033-04

Design and Analysis of Microstrip Yagi Antenna

TIAN Hui， WANG Jie

(Beijing Institute of Remote Sensing Equipment， Beijing 100854， China)

Abstract: The microstrip Yagi antennan is studied. The simulation design of a wide-band wide-beam circular polarization microstrip Yagi antenna is implemented， which realizes 26° beam deflexion from side-fire to end-fire at center frequency， 800 MHz frequency bandwidth and 110° main beam bandwidth at 0 dB. The antenna is fed by two signals which have the same maximum available gain but 90° phase difference produced by Wilkinson microstrip power splitter， and realize the circular polarization. The influence of the parameter variation on the beam deflexion of the microstrip Yagi antenna in the antenna design is analyzed. The normal law of the variation of the deflection angle with the parameters is obtained.

Keywords: microstrip Yagi antenna; circular polarization; wide beam; beam deflexion

0 引 言

八木天線是一種典型的定向天線，通過調(diào)整八木天線的振子長度、數(shù)量以及振子間距離可以很容易改變天線的各性能參數(shù)。但是八木天線只能實現(xiàn)端射輻射，無法直接與載體表面共面安裝。利用微帶天線實現(xiàn)八木天線的功能，不僅可與載體表面共面安裝，而且可使波束從端射向側(cè)射傾斜，實現(xiàn)對不同天線傾角波束的控制[1-3]。

微帶天線是20世紀70年代初期研制成功并迅速發(fā)展起來的一種天線。和其他微波天線相比，具有如下優(yōu)點:體積小、重量輕、低剖面，具有平面結(jié)構(gòu)，并可制成與導彈、衛(wèi)星等載體表面共形的結(jié)構(gòu)，饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起制成，適合于用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)，能與有源器件和電路集成為單一的模塊，便于獲得圓極化、容易實現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作[4-6]。微帶天線的突出優(yōu)點決定了其可以比較自由而充分地利用彈體表面，且安裝時不影響彈體結(jié)構(gòu)的強度，很容易實現(xiàn)裝置小型化，共形微帶天線具有不額外占有空間和對飛行姿態(tài)影響小等優(yōu)點，在航空制導等多個領(lǐng)域具有很大的吸引力。

因此，以微帶天線理論作為基礎(chǔ)，研究八木形式的微帶天線，通過優(yōu)化參數(shù)，使其在性能指標上達到更好的要求，這在工程上有很大的應用價值。本文在John Huang的微帶八木天線[7]的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程應用，對天線進行改進，對參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，并設(shè)計了饋電網(wǎng)絡(luò)，完成了一種性能優(yōu)良的圓極化八木微帶天線設(shè)計，使天線滿足了應用需求。同時重點研究了八木微帶天線波束偏轉(zhuǎn)角度隨天線各參數(shù)變化的關(guān)系，對這種天線的設(shè)計具有非常實用的參考價值。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

八木微帶天線是在一塊介質(zhì)基片上，同時刻蝕一個有源貼片，一個反射貼片和幾個引向貼片，這些貼片都做成正方形的。其中有源貼片的尺寸約為工作頻率的介質(zhì)波長的1/2左右，反射貼片略大于有源貼片，而引向貼片略小于有源貼片。電磁波主要通過有源貼片輻射，在相鄰貼片之間產(chǎn)生較強的耦合，使天線波束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。貼片之間的間隙一般約等于介質(zhì)基片的厚度[8-9]。在介質(zhì)基片確定的前提下，通過調(diào)整貼片尺寸的大小和貼片間隙的大小，可以改變波束偏轉(zhuǎn)的角度，調(diào)整饋電點的位置，可以結(jié)合饋電網(wǎng)絡(luò)調(diào)整端口的匹配情況以及端口駐波特性。

設(shè)計的微帶八木天線中心頻率為f0，結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個結(jié)構(gòu)的尺寸為2.07λ×1.32λ。

圖1 八木微帶天線結(jié)構(gòu)圖

2 天線仿真結(jié)果

圖2是使用HFSS仿真時建立的天線仿真模型，天線采用上下兩層結(jié)構(gòu)，上層使用介電常數(shù)為2.95，厚度為15 mm的介質(zhì)基片，基片上方刻蝕輻射貼片，在實現(xiàn)良好圓極化性能的條件下對天線的各貼片的邊長、間隙距離以及饋電點的位置進行微調(diào)，優(yōu)化之后的參數(shù)為:a/λ=0384， b/λ=0273，c/λ=0249，d1/λ=0045，d2/λ=0028，饋電點的位置dx/λ=dy/λ=0055。天線下層饋電網(wǎng)絡(luò)采用介電常數(shù)為22，厚度為0.508 mm的介質(zhì)基片，基片的下方刻蝕Wilkinson功分器，兩臂的長度差約為1/4波長，用來產(chǎn)生相位相差90°的等幅信號。兩層之間采用直徑為1.4 mm的理想金屬圓柱互連。

圖2 八木微帶天線仿真模型

對Wilkinson功分器兩臂的長度差進行微調(diào)，可以使天線達到更好的匹配，從而得到更好的S參數(shù)。天線的方向圖、軸比特性以及不同頻率下的電壓駐波比等性能如圖3～圖6所示。

從圖4中可以看出，設(shè)計的八木微帶天線在中心頻率和邊頻，主波束方向相對于微帶天線法向向引向貼片方向偏轉(zhuǎn)了26°，yoz平面0 dB帶寬在110°左右。在主波束方向，增益可達7.82 dB。隨著頻率的變化，波束寬度和增益會有相應的變化，但是從圖中可以看出，主波束的偏轉(zhuǎn)角度基本不隨頻率改變，穩(wěn)定在26°左右。

圖5為中心頻率以及兩個邊頻在不同方向的軸比圖，對于中心頻率，θ角從-23°~57°都在3 dB以下，3 dB軸比波束寬度達到80°。在實際應用中，可以通過調(diào)節(jié)兩個饋電點距離驅(qū)動貼片中心的距離以及Wilkinson功分器兩臂的長度差來改變天線的軸比特性，這種調(diào)整對于天線的其他性能，比如增益，偏轉(zhuǎn)角度等沒有多大的影響。

圖3 八木微帶天線3D方向圖

圖4 中心頻率及兩個邊頻增益方向圖

圖5 中心頻率和兩個邊頻的軸比圖

圖6 天線的電壓駐波比

圖6為輸入端口的電壓駐波比隨頻率變化的曲線圖，在中心頻率電壓駐波比可達102，電壓駐波比不大于1.5的帶寬可以達到800 MHz，對于中心頻率工作在C波段的天線，相對帶寬可達百分之十幾，真正實現(xiàn)了天線的寬波束性能。

3 結(jié)構(gòu)的變化對波束偏轉(zhuǎn)角度的影響

在不改變其他參數(shù)的條件下，對設(shè)計八木微帶天線做些結(jié)構(gòu)上的改變，增加或者減少反射器以及引向器的個數(shù)，天線波束偏轉(zhuǎn)角度隨結(jié)構(gòu)的變化如圖7所示。

圖7 波束偏轉(zhuǎn)角度隨天線結(jié)構(gòu)變化圖

圖7中黑色條柱表示天線在只有一個反射器的情況下，方向圖最大輻射方向偏轉(zhuǎn)的角度與引向器數(shù)量變化的關(guān)系，紅色條柱表示天線在兩個反射器的情況下，方向圖最大輻射方向偏轉(zhuǎn)的角度與引向器數(shù)量變化的關(guān)系。在引向器數(shù)量不變的情況下，增加反射器的數(shù)量可以增加天線最大輻射方向偏轉(zhuǎn)的角度，同樣，隨著引向器個數(shù)的增加，偏轉(zhuǎn)角度也隨之增大。通過不同的試驗可知，在引向片個數(shù)為5個，反射器個數(shù)為2個的時候，可以得到最大偏角39°。當引向器的個數(shù)多于5個，反射器的個數(shù)多于2個的時候，偏轉(zhuǎn)角度不再有多大的變化。這是因為八木微帶天線的能量主要通過介質(zhì)耦合到寄生貼片上，增加的再多的寄生貼片距離激勵貼片會更遠，使得耦合到這些貼片上的能量非常小，因此它們對方向圖的影響也就非常小了。

4 驅(qū)動器的尺寸對于波束偏轉(zhuǎn)角度的影響

天線是在驅(qū)動貼片上饋電，天線的主諧振頻率主要取決于驅(qū)動器的尺寸，所以驅(qū)動器的大小b的改變對于天線的性能影響非常大，改變驅(qū)動貼片尺寸b的大小，天線波束偏轉(zhuǎn)角度隨驅(qū)動器尺寸b的大小的變化如圖8所示。

微帶矩形貼片天線的尺寸是由天線工作頻率、介質(zhì)基片的介電常數(shù)以及厚度決定的，當這三個參數(shù)確定之后，天線只有在一定的尺寸下才能達到最大的輻射強度以及最小的駐波系數(shù)。從圖8中可以看出，天線最大輻射強度的方向偏轉(zhuǎn)的角度隨著驅(qū)動貼片尺寸的變大而減少，其變化規(guī)律接近于分段線性關(guān)系，這是因為，天線的最大輻射方向的偏轉(zhuǎn)是由于貼片間的耦合造成的，較小的貼片尺寸有較高的諧振頻率，驅(qū)動貼片尺寸的變化造成了諧振頻率的偏移，當貼片尺寸增大的時候，天線諧振頻率遠離引向器諧振頻率，引向器的作用減弱，從而偏轉(zhuǎn)的角度變小。

圖8 波束偏轉(zhuǎn)角度隨驅(qū)動片尺寸的變化曲線

5 驅(qū)動貼片與反射貼片的間隙對于天線性能的影響

改變天線驅(qū)動貼片與反射貼片之間的間隙d1的大小，天線波束偏轉(zhuǎn)角度隨d1變化曲線如圖9所示。

圖9 天線波束偏轉(zhuǎn)角度隨d1的變化曲線

當改變驅(qū)動貼片以及反射貼片之間的間隙d1時，天線方向圖形狀變化不大，但隨著d1增大，天線增益略有增加，最大輻射方向偏轉(zhuǎn)角度呈減小的趨勢。最大輻射方向偏轉(zhuǎn)角度隨d1的變化曲線如圖9所示，但偏轉(zhuǎn)角度不會一直減少下去。通過實驗可知，當d1增大到一定程度之后，最大輻射方向偏轉(zhuǎn)角度會穩(wěn)定在23°附近，這是因為，反射貼片遠離驅(qū)動片時，反射貼片和驅(qū)動片之間的耦合會逐漸減弱，當遠離到一定的程度，反射貼片上的電場耦合強度將會非常的小，此時天線最大輻射方向角度的偏轉(zhuǎn)主要由引向貼片來決定，不再隨d1的變化而變化。另外，隨著d1的增大，反射貼片上電場的耦合強度降低，但其諧振頻率只跟反射貼片的大小相關(guān)，故諧振頻率保持不變，d1只影響天線的諧振深度。

6 驅(qū)動貼片與引向貼片的間隙對于天線性能的影響

改變天線驅(qū)動貼片與引向貼片之間的間隙d2的大小，天線偏轉(zhuǎn)角度隨d2的變化曲線如圖10所示。

圖10 天線波束偏轉(zhuǎn)角度隨d2的變化曲線

隨著d2的增加，天線副瓣出現(xiàn)，且副瓣逐漸增大，最大主波束方向上的增益逐漸減少。天線最大輻射方向偏轉(zhuǎn)的角度隨d2變化的曲線如圖10所示。在驅(qū)動片和引向貼片間隙很小的情況下，隨著間隙d2的增加，方向圖最大輻射方向偏轉(zhuǎn)角度增加很快，當間隙增加到0083λ之后，隨著d2的增加，方向圖偏轉(zhuǎn)角度變化幅度變得很小。這是因為隨著引向貼片遠離驅(qū)動貼片，引向貼片上耦合的電場強度也逐漸減少，引向器對天線方向圖偏轉(zhuǎn)角度的影響越來越弱，在引向貼片與驅(qū)動貼片的間隙增加到一定的程度之后，反射貼片對角度的偏轉(zhuǎn)逐漸起主要作用，天線性能隨間隙d2的變化也就越來越小。

7 引向貼片與引向貼片的間隙對于天線性能的影響

改變天線兩個引向貼片之間的間隙d3的大小，天線波束偏轉(zhuǎn)角度隨d3變化的曲線如圖11所示。

圖11 天線波束偏轉(zhuǎn)角度隨d3的變化曲線

當改變天線兩個引向貼片之間的間隙d3時，天線方向圖形狀變化不大，隨著d3增大，天線增益略有減少，最大輻射方向偏轉(zhuǎn)角度呈減小的趨勢，其隨d3的變化曲線如圖11所示，但偏轉(zhuǎn)角度不會一直減少下去，由圖可知，當d3大于0038λ之后，最大輻射方向偏轉(zhuǎn)角度將穩(wěn)定在26°左右。這是因為，第二個引向貼片遠離第一個引向貼片時，貼片上的耦合電場強度會逐漸減弱，當遠離到一定的程度，貼片上的電場耦合強度將會

非常的小，此時第二個引向貼片對天線最大輻射方向角

度偏轉(zhuǎn)的影響將會極其微弱，甚至忽略不計，所以偏轉(zhuǎn)角度將不再隨d3的變化而變化。另外，通過實驗知道，因為第二個引向器遠離驅(qū)動貼片，它對天線性能的影響主要體現(xiàn)在方向圖最大輻射方向的偏轉(zhuǎn)上，對駐波、軸比等其他性能影響很小。當增加更多引向貼片時，引向貼片之間間隙對天線的影響有類似的關(guān)系。

8 結(jié) 語

將典型八木天線的原理應用到微帶天線上，利用HFSS軟件的優(yōu)化仿真功能，結(jié)合工程應用，對天線尺寸、饋電方式以及使用的介質(zhì)等各種參數(shù)進行設(shè)計，并設(shè)計了隔離度很好的饋電網(wǎng)絡(luò)，最后得到一種寬帶寬波束圓極化的八木微帶天線。與通常的圓極化天線不同，它是一個帶傾斜波束的圓極化天線，特別適合彈載條件的應用。在這個基礎(chǔ)上又研究了通過改變八木微帶天線的參數(shù)來改變天線主波束偏轉(zhuǎn)的角度，得到了有意義的結(jié)論，這對于工程上的應用以及類似天線的研制提供了非常有用的參考。

參考文獻

[1]KRAUS John D， MARHEFKARonald J. Antennas: for all applications[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[2]劉學觀，郭輝萍.微波技術(shù)與天線[M].西安:西安電子科技大學出版社，2005.

[3]鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社，1991.

[4]I J 鮑爾，P 布哈蒂亞.微帶天線[M].北京:電子工業(yè)出版社，1984.

[5]林昌祿，聶在平.天線工程手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社，2002.

[6]毛康候.防空導彈天線[M].北京:宇航出版社，1991.

[7]HUANG Jonh，DENSMORE Arthur C. Microstrip Yagi array antenna for mobile satellite vehicle application[J]. IEEE Trans. on Antennas and Prop.，1991，39(7):1024-1030.

[8]趙書晨，王秉中，趙德雙.寬帶寬波束圓極化平面微帶八木天線設(shè)計[C]//全國微波毫米波會議論文集.寧波:[出版者不詳]，2007:365-367.

[9]楊雪松，王秉中，趙德雙，等.一種槽加載的可重構(gòu)微帶八木貼片天線[C]//全國微波毫米波會議論文集.深圳:[出版者不詳]，2005:1328-1331.

[10]鐘玲玲，邱景輝，白文靜，等.新型超寬帶寬波束圓極化天線[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2007，39(5):742-744.

[11]謝擁軍，劉瑩.HFSS原理與工程應用[M].北京:科學出版社，2009.

[12]榜煥，萬國賓，張雪松.微帶八木貼片天線的特性研究[J].中國空間科學技術(shù)，2009，6(3):36-41.