一種基于容性加載的小型化準(zhǔn)八木天線研究

湯煒 袁良昊 孫鈴武

(1.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,廈門 361021;2. 廈門致聯(lián)科技有限公司,廈門 361000)

一種基于容性加載的小型化準(zhǔn)八木天線研究

湯煒1袁良昊1孫鈴武2

(1.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,廈門 361021;2. 廈門致聯(lián)科技有限公司,廈門 361000)

在傳統(tǒng)準(zhǔn)八木天線的基礎(chǔ)上結(jié)合小型化技術(shù),提出了一種新型的小型化準(zhǔn)八木天線．天線結(jié)構(gòu)上,對(duì)天線的饋電結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行合理布局減小天線的縱向尺寸;對(duì)反射器和饋源振子進(jìn)行容性加載,增加電流路徑長度,進(jìn)而減小天線的橫向尺寸．確定結(jié)構(gòu)后,利用HFSS軟件對(duì)模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化．天線測試結(jié)果顯示,在射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification, RFID)美標(biāo)UHF頻段902～928 MHz內(nèi)實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,其中增益為6.8 dBi,駐波系數(shù)小于1.4,主瓣交叉極化比大于40 dB．天線的尺寸僅為110 mm×105 mm,約為λ0/3×λ0/3(λ0為中心頻點(diǎn)自由空間波長),體現(xiàn)了小型化和優(yōu)秀的電氣性能．

準(zhǔn)八木天線；容性加載；小型化天線；射頻識(shí)別；增益

聯(lián)系人： 湯煒 E-mail: tangwei74@hqu.edu.cn

引 言

八木天線在20世紀(jì)20年代由日本東北大學(xué)學(xué)者H. Yagi和S. Uda率先研制,這種天線命名為“宇田-八木天線”,后根據(jù)其電氣特點(diǎn)也稱為“引向天線”．它具有方向性強(qiáng)、增益高和結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn),迄今仍被大量使用在通信、測速、遙感、定向等領(lǐng)域[1]．由于適用頻率和振子材料等原因,傳統(tǒng)八木天線通常體積較大、重量較重,限制了該天線的應(yīng)用范圍．另一方面,隨著微帶天線的興起,和微波電路集成也成為八木天線的一個(gè)重要課題．

1998年,加州大學(xué)洛杉磯分校T. Itoh教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)提出一種準(zhǔn)八木天線(Quasi Yagi-Uda Antenna)[2],該天線為平面結(jié)構(gòu),同時(shí)兼具微帶天線易集成和八木天線高增益的優(yōu)點(diǎn)．隨后的工作主要圍繞兩方面進(jìn)行展開,一方面是如何提高天線增益?通常而言,提高八木天線的增益有兩種方法:一種是對(duì)天線陣列化．由于天線單元增益相對(duì)較高,在進(jìn)行陣列組合時(shí),需要減小互耦以保證其工作性能,Itoh教授小組對(duì)準(zhǔn)八木天線陣的互耦進(jìn)行了研究,在陣列上部設(shè)置狹長切口減小耦合,維持天線良好的后向性能[3-4];S. X. Ta[5]利用地線間設(shè)置凸金屬條以減輕耦合．另一種方法是以犧牲天線尺寸和復(fù)雜度為代價(jià),增加天線引向器數(shù)目．這方面國內(nèi)學(xué)者研究較多,清華大學(xué)馮正和教授[6]采用6引向器結(jié)構(gòu),得出一款11.6 dB的天線;蘇州大學(xué)劉學(xué)觀教授指導(dǎo)學(xué)生[7]完成一款較寬頻帶4引向器天線,增益9 dBi．另一方面的工作是針對(duì)駐波天線的固有屬性,即如何提高準(zhǔn)八木天線的工作帶寬．其中:北京理工大學(xué)的科研小組采用類似微帶天線中的附加貼片技術(shù),得到了跨越S～C(2.8～5.2 GHz)的優(yōu)化結(jié)果;Y. Kou[8]提出利用微帶魔T的概念進(jìn)行饋電,借鑒了微帶天線中軟振子饋電模型;J. G. Estrada[9]利用電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap,EBG)結(jié)構(gòu)作為襯底,利用多諧振特性展寬帶寬,相對(duì)帶寬達(dá)到53%．

本文針對(duì)準(zhǔn)八木天線的小型化[10]進(jìn)行研究,在原有準(zhǔn)八木天線[11]基礎(chǔ)之上,橫向尺寸通過容性加載,減小反射器和饋源振子的橫向占用空間;縱向尺寸上利用合理的空間布局,將1/4波長匹配部分橫置,減小縱向占用空間．并通過商用軟件HFSS對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化,針對(duì)902～928 MHz頻段設(shè)計(jì)了一款小型化天線, 其基片為105 mm×110 mm,縱橫尺寸約為中心頻點(diǎn)自由空間波長的1/3．通過測試結(jié)果可以看到,天線雖進(jìn)行小型化處理,但是電氣性能,如增益、駐波系數(shù)和交叉極化仍然能夠保持良好特性．

1 傳統(tǒng)準(zhǔn)八木天線的尺寸分析

以傳統(tǒng)三元八木天線為例,如圖1所示,天線由反射器、饋源振子和引向器構(gòu)成．從橫向尺寸看,饋源振子全長度Ldri約為(0.45-0.48)λ0,反射器長度Lref略長于饋源振子,引向器略短于饋源振子,因而橫向長度應(yīng)略大于0.5λ0;從縱向長度分析,反射器和饋源振子間距Sref約為0.2λ0,饋源振子與引向器間距Sdir為0.2λ0,因而傳統(tǒng)三元八木天線的大小約為0.5λ0×0.4λ0．

圖1 三元八木天線示意圖

將上述結(jié)論置于微帶八木天線,如圖2所示,由于介質(zhì)作用[6,12],饋源振子等單元橫向尺寸會(huì)有一定縮小,但從相關(guān)文獻(xiàn)[13-15]的實(shí)際設(shè)置看,由于介質(zhì)-空氣邊界對(duì)電磁信號(hào)的影響,天線末端仍需與介質(zhì)邊緣有一定間距,故而一般仍采用0.5λ0大小;縱向方面,饋源振子與共面帶線、180°移相巴倫、λ/4阻抗變換器,以及天線饋線相連,λ/4阻抗變換器兼具穩(wěn)定帶寬的作用,長度約為0.25λ0．考慮到天線微帶饋線的長度,縱向尺寸整體算來也約為0.5λ0,各文獻(xiàn)中天線基片的尺寸一般略大于0.5λ0．為實(shí)現(xiàn)高增益時(shí)如增加引向器數(shù)目,尺寸會(huì)變得更大．一般認(rèn)為,三元準(zhǔn)八木天線尺寸大小為0.5λ0×0.5λ0．

圖2 三元準(zhǔn)八木天線示意圖

2 準(zhǔn)八木天線的小型化

2.1縱向尺寸的縮減

從圖2來看天線的縱向尺寸由以下幾個(gè)方面構(gòu)成:天線饋線長度、λ/4阻抗變換器長度、180°移相巴倫、共面帶線長度、饋源振子與引向器距離、引向器留白距離．其中,共面帶線長度、饋源振子與引向器間距是天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù),涉及到天線的輸入阻抗,這些長度一般較難縮減．引向器的留白部分和天線的增益有一定的關(guān)系．天線饋線長度為了保證輸入信號(hào)的穩(wěn)定性,一般約保留0.1λ0以上的長度,λ/4阻抗變換器長度約為導(dǎo)波波長的1/4,180°移相巴倫的高度涉及折線的耦合,也不能將尺寸限制得太小,否則將引起信號(hào)畸變．因而整體看來,天線各部分的尺寸都有一定的限制,唯一可優(yōu)化的部分似僅為引向器的留白長度．

然而分析圖2的電路整體布局時(shí)可發(fā)現(xiàn),天線的下半部分,即180°移相巴倫、λ/4阻抗變換器和天線饋線的布局較為松散,左右部分空白較多,若將天線饋線和變換器進(jìn)行橫向放置,則可簡單有效減小天線整體縱向尺寸,小型化后該部分布局如圖3所示．

圖3 小型化的天線饋電部分

2.2橫向尺寸的縮減

圖2中的結(jié)構(gòu)顯示,天線的橫向尺寸由天線的地板寬度確定．由于地板在準(zhǔn)八木天線中又承擔(dān)反射器的用途,根據(jù)八木天線的理論,反射器的長度須略長于0.5λ0．為了縮減天線的橫向尺寸,本文采用了容性加載技術(shù)．

如圖4所示,容性加載技術(shù)指的是,在天線工程中為實(shí)現(xiàn)振子單元的小型化,或者當(dāng)提供空間略微不足天線的設(shè)計(jì)要求時(shí),在原天線的頂端與電流垂直方向設(shè)置金屬片(條)．普通振子中,如振子長度a1a2不足0.5λ0,端口饋電處電流小于半波振子電流,因而一方面天線輻射效率不高,同時(shí)由天線理論可知,振子輸入阻抗呈非純阻抗?fàn)顟B(tài),從天線端口輸入的能量有較大反射;在容性加載中,即使b1b2不足0.5λ0,由于這兩點(diǎn)并不處于振子末端,電流可以繼續(xù)沿c1b1、c2b1、b2d1和b2d2流動(dòng),這幾部分等同于延長振子長度．因加載部分c1b1和c2b1、b2d1和b2d2上電流流向相反,該部分電流輻射場在空間幾乎被抵消．然而由于這部分電流處于振子的末端,電流幅度本身較小,抵消的輻射功率非常有限．因而容性加載是振子小型化的一種常規(guī)手段．實(shí)際上在微帶天線中常提及的H型貼片和H型槽縫,實(shí)質(zhì)也為容性加載．從物理方面來說,振子兩端增加貼片,能夠起到堆積電荷的作用,也使得天線等效長度加大,其作用與增粗振子的效能相當(dāng)[1,16]．

(a) 普通陣子

(b) 容性加載圖4 普通振子與容性加載振子電流分布

如僅僅考慮天線匹配,容性加載可進(jìn)一步縮短天線橫向尺寸,但如上所述過分縮短主振子長度,將嚴(yán)重影響天線輻射性能,因而設(shè)計(jì)時(shí)需在輻射性能、天線尺寸及外形之間綜合考慮且相互權(quán)衡．該天線為便攜式讀寫器設(shè)計(jì),增益過低會(huì)導(dǎo)致讀距減小進(jìn)而影響到RFID讀寫器性能,因而在小型化過程中,還要考慮天線的具體實(shí)際情況．

另外需要說明的是,容性加載中的b1c2段和b2d2段并不是必須的,去除后天線的幾何形狀呈現(xiàn)兩個(gè)L形,也為容性加載的常規(guī)形式．

由上所述,如需對(duì)傳統(tǒng)準(zhǔn)八木天線進(jìn)行橫向的尺寸縮減,可考慮對(duì)反射器采用L型容性加載,據(jù)此可以完成一部分小型化工作．當(dāng)要求的寬度小于饋源振子寬度時(shí),還需要對(duì)其進(jìn)行H型容性加載．據(jù)此本文提及的準(zhǔn)八木天線小型化的最終模型如圖5所示,涉及的相關(guān)參數(shù)一并列出．

(a) 俯視圖

(b) 正視圖圖5 小型化準(zhǔn)八木天線

圖5為了簡化模型及標(biāo)注,未指定金屬條寬度處默認(rèn)均為w1．為避免過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置,反射器、饋源振子和引向器均采用左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)．

3 準(zhǔn)八木天線相關(guān)參數(shù)及優(yōu)化

本文中采用基片介電常數(shù)εr=6.15,正切角損耗tanσ=0.002 3,基片厚度h=1.27 mm．針對(duì)RFID美標(biāo)UHF頻段即902～928 MHz,進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化．根據(jù)天線尺寸要求,設(shè)定基片尺寸a=105 mm,b=110 mm,約為915 MHz自由空間波長的1/3．

3.1輸入端口及相關(guān)參數(shù)的確定和優(yōu)化

根據(jù)相關(guān)準(zhǔn)八木天線文獻(xiàn)以中心頻點(diǎn)915 MHz進(jìn)行設(shè)計(jì),天線饋線和匹配微帶線寬度分別為w1=1.87 mm,w2=3.30 mm．匹配微帶線長度約為1/4導(dǎo)波波長,有Lx2=37.84 mm．180°移相電路,要求兩路信號(hào)形成反相關(guān)系,即彎折線段要求1/2波長,可初步設(shè)定Lx3=39 mm．下半部分其余參數(shù)可設(shè)置為:Ly1=1 mm,Ly2=3 mm．差模電路與地板縱向邊緣參數(shù)d=1 mm．通過考察差模電路輸出端兩端口與天線饋線端口的S參數(shù),可完成上述設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化.

3.2天線各振子相關(guān)參數(shù)的確定和優(yōu)化

關(guān)于未容性加載時(shí)振子長度,可以依據(jù)D.Jackson[12]或A. Abbosh[17]所提供的公式計(jì)算,前者精度較差但計(jì)算簡單,后者精度高但涉及復(fù)雜計(jì)算．由于基片尺寸太小,開始設(shè)置初值時(shí),可令饋源振子長度Ldri,x=48 mm．按照八木天線的調(diào)試原則,先對(duì)反射器和饋源振子組成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,得出相關(guān)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果．再加入引向器,并對(duì)原有的參數(shù)進(jìn)行微調(diào),在保證駐波(輸入阻抗)的前提下,盡可能提高增益．優(yōu)化過程中注意到,反射器加載長度Lref,y,饋源振子加載長度Ldri,y和引向器長度Ldri,x對(duì)增益影響較大．而各振子之間的間距Sdir和Sref對(duì)駐波影響較大,并對(duì)增益有部分影響,這與傳統(tǒng)八木天線的結(jié)論基本相同．

3.3其他參數(shù)的確定和優(yōu)化

從準(zhǔn)八木天線的結(jié)構(gòu)圖看,天線可分為三個(gè)部分,下半部為饋電部分,中間為共面帶線,上部振子和饋電部分的地板作為輻射單元．共面帶線位于振子和饋電電路之間,從實(shí)際也可看作是饋電網(wǎng)絡(luò)和天線之間的匹配網(wǎng)絡(luò),因而通過調(diào)整參數(shù)w3,s和Ly3可對(duì)天線駐波產(chǎn)生一定的優(yōu)化．這一模型在W.R. Deal[3]給出但并未作出解釋,后續(xù)很多文獻(xiàn)中都直接令w3=w1．本文模型借鑒了這種處理方式,在完成增益優(yōu)化后,對(duì)這些參數(shù)還進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果如圖6～8所示.

圖6 共面帶線寬度w3對(duì)增益的影響

圖7 共面帶線寬度w3對(duì)駐波系數(shù)的影響

圖8 共面帶線縫隙s對(duì)駐波系數(shù)的影響

從圖6～8優(yōu)化圖可以看到,共面帶線的參數(shù)對(duì)駐波系數(shù)有明顯的影響,對(duì)增益的影響僅僅只有0.2 dB的變化,幾乎可忽略不計(jì)．其原因就在于共面帶線作為低耗傳輸線,其特性阻抗的改變,只會(huì)影響到各個(gè)端口處的輸入阻抗進(jìn)而導(dǎo)致反射系數(shù)的變化;而信號(hào)能量在傳輸過程中不會(huì)有太大的變化,所以對(duì)增益變化不大．通過優(yōu)化,最終得到的優(yōu)化參數(shù)如表1所示．

表1 小型化準(zhǔn)八木天線參數(shù)優(yōu)化結(jié)果 mm

4 測試結(jié)果分析

根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果,我們制作了實(shí)物并進(jìn)行測試．圖9(a)和圖9(b)分別是天線的正面和背面,圖10給出了測試結(jié)果與仿真的駐波曲線對(duì)比．

從圖10可以看到,兩者的駐波曲線吻合較好,在902～928 MHz頻段,整體駐波系數(shù)小于1.4,體現(xiàn)了良好的電氣性能．利用微波暗室,我們對(duì)天線的增益和方向圖進(jìn)行了測試,天線實(shí)測增益如圖11所示,由于本文關(guān)心的頻帶較窄,因而測試增益在帶內(nèi)變化不大．圖12為915 MHz的天線E面和H面的輻射及交叉極化方向圖．

(a) 正面

(b) 背面圖9 小型化準(zhǔn)八木天線實(shí)物照片

圖10 天線駐波系數(shù)的仿真與實(shí)測結(jié)果對(duì)比

圖11 天線增益仿真與實(shí)測結(jié)果對(duì)比

(a) E面

(b) H面圖12 天線915 MHz時(shí)仿真與實(shí)測方向圖對(duì)比

由圖11可以看出,實(shí)測增益在902～928 MHz頻段內(nèi)穩(wěn)定在6.8 dBi,雖與仿真增益有一定區(qū)別,但區(qū)別不大并保持了穩(wěn)定的高增益．圖12所示的實(shí)測方向圖與仿真方向圖吻合較好,絕大部分區(qū)域交叉極化比大于20 dB,其中主瓣交叉極化比大于40 dB．由于實(shí)測環(huán)境、天線測試轉(zhuǎn)臺(tái)和支架的影響,E面和H面的實(shí)測方向圖后瓣較仿真有輕微偏差,但整體表現(xiàn)良好,實(shí)現(xiàn)了較好的電氣性能,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性及正確性．

5 結(jié) 論

本文針對(duì)準(zhǔn)八木天線進(jìn)行最小化研究,利用容性加載技術(shù)和合理布局,并結(jié)合HFSS的仿真優(yōu)化,針對(duì)915 MHz的頻點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),得到了一種新的小型化準(zhǔn)八木天線．基片長寬分別為105 mm和110 mm,約為λ0/3×λ0/3．制作實(shí)物后進(jìn)行測試,測試結(jié)果和仿真優(yōu)化結(jié)果吻合較好,在RFID美標(biāo)UHF頻段即902～928 MHz內(nèi),駐波系數(shù)小于1.4,天線增益為6.8 dBi,主瓣交叉極化比大于40 dB,和傳統(tǒng)八木天線的增益相近,且天線方向圖具有較寬的波瓣寬度、相當(dāng)不錯(cuò)的電氣性能,充分肯定了本文設(shè)計(jì)方法的合理性．

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袁良昊(1991—),男,河南人,華僑大學(xué)實(shí)驗(yàn)員,碩士,研究方向?yàn)槲ú牧稀⑻炀€及周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

孫鈴武(1988—),男,福建人,廈門致聯(lián)科技有限公司副技術(shù)總監(jiān),碩士,研究方向?yàn)镽FID讀寫器天線及標(biāo)簽天線等.

AnovelminiaturizationquasiYagi-Udaantennabasedoncapacitiveloadingtechnique

TANGWei1YUANLianghao1SUNLingwu2

(1.CollegeofInformationScienceandEngineering,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China; 2.XiamenZ-linkScience&TechnicalCo.,Ltd.,Xiamen361000,China)

This paper presents a novel miniaturization quasi Yagi-Uda antenna compared with conventional antenna. The longitudinal dimension is decreased by rational layout of the feeding structure and related circuit, while its transverse dimension could be reduced by the capacitive loading technique applied on the reflector and driven dipole, which could be equivalent to extend their current flowing length. After the optimization with the software HFSS, the proposed antenna is fabricated. Its measurement results are agree with the simulation well. Its gain is around 6.8dBi, its cross polarization ratio is above 40dB at the main lobe, and the VSWR is less than 1.4 over the frequency range of American standard RFID from 902MHz to 928MHz. The size of the substrate is only 110 mm×105 mm, which is about one-third of the wavelength of center frequency in free space.

quasi Yagi-Uda antenna; capacitive loading; miniaturization antenna; radio frequency identification; gain

湯煒, 袁良昊, 孫鈴武. 一種基于容性加載的小型化準(zhǔn)八木天線研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2017,32(4):427-433.

10.13443/j.cjors.2017062001

TANG W, YUAN L H, SUN L W. A novel miniaturization quasi Yagi-Uda antenna based on capacitive loading technique[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(4):427-433. (in Chinese). DOI:10.13443/j.cjors.2017062001

TN821.1

A

1005-0388(2017)04-0427-07

DOI10.13443/j.cjors.2017062001

2017-06-20

福建省自然科學(xué)基金(2015j05127)；華僑大學(xué)科研基金(14BS206)；華僑大學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力培育計(jì)劃(2015301032)