基于開槽型接地板的新型雙頻準八木天線設計

黃文靜 孫俊 胡耀文 王行

摘 ?要： 利用電磁仿真軟件ANSYS HFSS設計一種基于開槽型接地板的新型雙頻準八木天線。首先，設計一種新型巴倫結構的準八木天線，該天線的饋電由微帶線實現，阻抗匹配通過一段[λ4]阻抗變換器實現，這不僅實現了微帶線到共面帶狀線的轉換，也改良了典型八木天線復雜的巴倫結構;然后，在此天線的基礎上將矩形的引向振子改進為菱形的引向振子，改進后的天線中心頻率處回波損耗降低為-73.5 dB，相比改進前降低了10 dB;最后，在此天線的反射地板非延長部分的中心兩側開兩個矩形槽，改進后的天線具有在5.5 GHz和9.5 GHz兩個頻段內進行雙頻工作的特征。

關鍵詞： 準八木天線; 微帶線; 菱形引向振子; 矩形槽; 回波損耗; 雙頻工作

中圖分類號： TN823+.24?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）15?0008?05

Design of dual?band quasi?Yagi antenna based on slotted earth plate

HUANG Wenjing， SUN Jun， HU Yaowen， WANG Xing

（College of Information Engineering and Automation， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650504， China）

Abstract： A new type of dual?band quasi?Yagi antenna based on slotted ground floor is designed with the electromagnetic simulation software ANSYS HFSS in this paper. First， a quasi?Yagi antenna with a new Balun structure is designed， whose feed is realized by a microstrip line， and impedance matching is realized by a 1/4 impedance converter. It not only realizes the transformation of the microstrip line to the coplanar stripline， but also improves the complex Balun structure of the typical Yagi antenna. And then， the rectangle leading oscillator is improved to the rhombus leading oscillator on the basis of this antenna. The return loss at central frequency of the improved antenna is reduced to -73.5 dB， which means that the return loss is decreased by 10 dB in comparison with that of the antenna before the improvement. Finally， two rectangular grooves are made on both sides of the non?extended portion of the reflective plate of the antenna. The improved antenna has the characteristic of dual frequency operation in the two frequency bands of 5.5 GHz and 9.5 GHz.

Keywords： quasi?Yagi antenna; microstrip line; rhombus leading oscillator; rectangular groove; return loss; dual?band operation

0 ?引 ?言

自從八木天線被發明以來，因為它設計簡單、定向輻射能力強、增益高而倍受重視。八木天線是引向類天線中的一種，基本的八木天線一般由一個有源振子、一個反射器和一個或著多個引向器組成，有源振子被直接激勵，而反射器和引向器則是通過耦合的方式激勵，通過調整反射器和引向器，可實現端輻射模式。但是八木天線也有很多缺點，例如體積、質量較大，調整相對較困難，工作帶寬也相對較窄，這些缺點都限制了八木天線在通信領域中的應用。微帶準八木天線在繼承了八木天線特點的同時還具有許多優點，例如體積小、質量輕，容易共面、共形以及容易與微波電路集成，因而受到關注[1?5]。文獻[6]中用貼片代替偶極子，并且將其作為該八木天線的有源振子。在文獻[7?8]中報道了一種印刷偶極子陣列八木天線的結構，該八木天線由微帶線實現饋電、帶狀線過渡。隨著通信技術的發展，通信設備往往需要工作在不同的頻帶實現層出不窮的新功能，因此一個通信系統中通常需要用到多個天線同時實現多頻帶工作。但是，現有的通信設備體積有限，并且越來越朝著小型化的方式發展，多個天線在通信設備上的布局和互相干擾成為非常棘手的問題，因此多頻帶天線的設計及應用也就變得十分重要。多頻帶天線技術旨在利用一個天線來實現不同頻帶的正常工作，既節約了空間，又解決了多個天線間互相干擾的問題，目前的多頻帶天線最主要的實現方式是引入附加的諧振結構[9?12]。添加諧振結構雖然能夠實現雙頻工作但天線結構較為復雜，文獻[13]通過加載CSRR來實現天線的小型化和多頻化。近年來，全世界越來越多的學者研究準八木天線，但目前大多數的研究還是集中在單頻準八木天線上，雙頻或者多頻的準八木天線的研究成果仍舊不多。因此，設計出高增益的雙頻微帶準八木天線成為天線研究的熱點。

本文基于八木天線的設計概念以及微帶天線的結構優勢，將這兩部分相結合，設計出一款質量輕、體積小、結構簡單的微帶準八木天線，且具有定向輻射特性、高增益和雙頻帶。本文首先設計一種新型饋電方式的寬帶準八木天線，在一定阻抗帶寬范圍內能夠實現較良好的輻射，在此基礎上，為了能夠進一步提高該天線的輻射性能，將引向振子的形狀由矩形改進為菱形，同時，設計了一個新型的反射地板，在地板中心兩側開槽，使得天線的帶寬增大，同時實現雙頻工作，這比起引入附加的諧振結構來實現雙頻工作更加方便。本文設計的這種基于開槽型接地板的新型雙頻準八木天線具有高增益和雙頻工作等良好特性，使該天線在無線通信領域有很好的發展前景。

1 ?天線設計

本文設計的原型天線結構如圖1所示，將天線印刷在尺寸為[W×L]的FR4介質板上，該介質板的厚度為0.8 mm，相對介電常數為4.4。本文設計通過微帶線對天線進行饋電，通過一段[λ4]阻抗變換器進行阻抗匹配。同時，通過一種新型的巴倫結構改進原準八木天線巴倫結構過大的缺點，在這種新型的巴倫結構中，天線的微帶線直接和左邊的共面帶狀線相連接，而共面帶狀線的右側則通過金屬過孔和接地板相連，這樣就能使右側的共面帶狀線和左側的共面帶狀線形成180°相位差，再通過兩側間的耦合，實現微帶線到共面帶狀線的轉換，進而實現對有源振子的饋電。

為了能將共面帶狀線的右側和接地板相連，同時減小地板結構對天線的影響，只在共面帶狀線的下方對地板進行相應的延長變化。為了增加天線的帶寬，在共面帶狀線和輻射振子相連的地方設計了一個張角，通過改變張角的大小便可以改變天線的帶寬。通過HFSS軟件的優化功能，可以確定出使天線帶寬最大的張角。有源振子前端放置三個引向振子，這樣就可以構成八木天線的基本結構。

為了進一步提高天線增益，對原型天線進行改進，首先，將引向振子的形狀由矩形改變成菱形，改進引向振子為菱形引向振子后的天線結構如圖2所示;然后，為了實現雙頻工作，為反射地板開槽。開槽方式為在非延長部分的中心兩側進行對稱開槽，非延長部分中心保留延長部分的寬度，在此寬度的兩側對稱地開兩個矩形槽，最終改進后的天線結構參數如圖3所示。

圖1 ?原型天線

圖2 ?菱形引向振子天線

? 圖3 ?改進后的天線結構參數

本文設計將天線印刷在[W×L]的FR4介質板上，根據八木天線的的理論可算出，有源振子長度的初始值為[L1=0.5λg]，引向振子長度的初始值為[0.45λg]，有源振子和地板（反射振子）之間水平距離的初始值為[0.25λg]，有源振子與引向振子之間水平距離的初始值為[0.2λg]，引向振子之間水平距離的初始值為[0.2λg]，其中[λg]為電磁波在介質中的工作波長。

式中：[εr]表示天線的相對介電常;[h]表示介質板的厚度;[w]表示微帶線的寬度。為能實現雙頻工作，對反射接地板中心兩側進行開槽處理，非延長部分中心保留延長部分的寬度。理論初始值確定后，根據HFSS軟件優化功能確定最終值。最終確定的天線參數優化后的單元尺寸如表1所示。

表1 ?天線參數優化后單元尺寸

2 ?仿真結果與分析

為了分析矩形引向振子和菱形引向振子對天線回波損耗的影響，圖4顯示了矩形振子和菱形振子天線的回波損耗。仿真結果圖顯示，原型天線的中心頻率為6.2 GHz，原型天線中心頻率處的回波損耗為-63.5 dB，菱形引向振子天線的回波損耗的值比原型天線的回波損耗值更低，加載菱形引向振子的天線中心頻率為6.1 GHz，中心頻率處回波損耗降低為-73.5 dB，相比改進前降低了10 dB。

為了分析反射地板開槽的大小對天線回波損耗的影響，在圖5和圖6中顯示了提出天線具有不同參數[W6]和[L4]的回波損耗，所有變量最初都設置為優化值。如圖5所示，[W6]值的改變對低頻處和高頻處的回波損耗均有一定影響。當[W6]的值增加時，低頻處和高頻處的回波損耗均會先降低后增高，考慮到兩頻率處的回波損耗值，而且由于開槽型反射地板和帶狀線之間的相對位置，[W6]值不大于11.79 mm，因此本文選擇[W6]的值為10.29 mm。從圖6可以觀察到，當[L4]的值增加時，低頻處的中心頻率會降低，高頻處的回波損耗會隨[L4]值的增大先降低后增加，考慮到天線兩個工作頻率處的性能都要相對良好，本文選擇[L4=5] mm，此時兩頻率處的[S11<]-20 dB，表明天線阻抗匹配良好。

得到最終改進后天線的回波損耗如圖7所示。改進后的天線可以在兩個頻段內進行工作：低頻處的諧振頻率為5.5 GHz，[S11]為-35.5 dB，頻帶寬度為5.2～6 GHz;高頻處的諧振頻率為9.5 GHz，[S11]為-56 dB，頻帶寬度為8.7～9.9 GHz。

圖4 ?矩形振子和菱形振子天線的回波損耗

圖5 ?不同[W6]下改進后天線的回波損耗

圖6 ?不同[L4]下改進后天線的回波損耗

圖7 ?改進后天線的回波損耗

圖8分別給出所提出的準八木天線在5.5 GHz和9.5 GHz兩個諧振頻率處的二維增益方向圖（最大輻射方向和與最大輻射方向垂直的面的二維增益坐標圖），與其對應的三維增益方向圖如圖9所示。從圖中可以觀察到，在兩個工作頻率上都有著良好的端射特性，天線的主波束指向[y]方向，最大輻射方向與傳統八木天線輻射模式相似，天線在高頻諧振頻率處的方向圖發生了輕微畸變，但是天線的主波束較窄，仍可以保持良好的定向輻射特性。

圖8 ?天線的最大輻射方向和與最大輻射方向垂直的面的方向圖

圖9 ?天線的三維輻射圖

圖10顯示了原天線和改進后的天線在最大輻射方向的增益。原天線和改進后的天線在整個工作頻段上的增益都相對良好，在5.5 GHz時的增益為5.3 dB，在9.5 GHz時的增益為6.8 dB，改進后天線的平均增益比原天線的平均增益有所下降，這是由于對接地板開槽，使得輻射的一部分電磁能量透過槽口滲透導致，但是天線的平均增益還是遠大于一般天線設計要求的3 dB，因此滿足實際工作的要求，符合天線的設計要求。

圖10 ?原天線和改進后天線的增益曲線

3 ?結 ?論

本文將八木天線的設計概念與微帶天線的結構結合起來，設計出一款體積小、質量輕、結構相對簡單的新型準八木天線，且同時具有強定向性、高增益和雙頻工作特性。在本文設計中，首先仿真出一種采用新型饋電方式的準八木天線，其巴倫結構很好地實現了微帶線到共面帶狀線的轉換，進而能夠為天線的有源振子進行饋電;然后，將原天線的矩形引向振子改進為菱形引向振子，使該天線具有良好的回波損耗和輻射性能。在此基礎上對反射接地板進行開槽設計，使改進后的天線具有雙頻工作特性，比起引入附加的諧振結構來實現雙頻工作更加簡便，這為雙頻帶天線的設計提供了一種新思路。經軟件優化，得到一個在5.5 GHz和9.5 GHz雙頻工作的新型準八木天線，且該天線在這兩個工作頻段內都具有良好的定向輻射特性和增益。較好的定向輻射特性和雙頻工作特性使得本文所設計的新型準八木天線在通信領域內具有一定應用價值。

注：本文通訊作者為孫俊。

參考文獻

[1] WANG H， LIU S F， LI W T， et al. Design of a wideband planar microstrip?fed quasi?Yagi antenna [J]. Progress in electromagnetics research letters， 2014， 46（46）： 19?24.

[2] FLOC H J M， AHMAD A E S. Broadband quasi?Yagi antenna for WiFi and WiMax applications [J]. Wireless engineering & technology， 2013（2）： 87?91.

[3] 湯煒，袁良昊，孫鈴武.一種基于容性加載的小型化準八木天線研究[J].電波科學學報，2017，32（4）：427?433.

TANG Wei， YUAN Lianghao， SUN Lingwu. A novel miniaturization quasi Yagi?Uda antenna based on capacitive loading technique [J]. Journal of radio science， 2017， 32（4）： 427?433.

[4] WANG Z， LIU X L， YIN Y Z， et al. A novel design of folded dipole for broadband printed Yagi?Uda antenna [J]. Progress in electromagnetics research C， 2014， 46： 23?30.

[5] LU H D， SI L M， LIU Y. Compact planar microstrip?fed quasi?Yagi antenna [J]. Electronics letters， 2012， 48（3）： 140?141.

[6] KRETLY L C， CAPOVILLA C E. Patches driver on the quasi?Yagi antenna： analyses of bandwidth and radiation pattern [C]// Proceedings of 2003 International Microwave and Optoelectro?nics Conference. [S.l.]： IEEE， 2003， 1： 313?316.

[7] WEI C N， WU K L. Array?antenna decoupling surfaces for quasi?yagi antenna arrays [C]// IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & Usnc/ursi National Radio Science Meeting. San Diego： IEEE， 2017： 2103?2104.

[8] YEO J， LEE J I. Bandwidth enhancement of double?dipole quasi?Yagi antenna using stepped slotline structure [J]. IEEE antennas & wireless propagation letters， 2016， 15： 694?697.

[9] KIM D O， KIM C Y. Dual?band quasi?Yagi antenna with split ring resonator directors [J]. Electronics letters， 2012， 48（14）： 809?810.

[10] 謝鵬，王光明，李海鵬.加載諧振環的新型寬帶準八木天線設計[J].微波學報，2017，33（2）：17?21.

XIE Peng， WANG Guangming， LI Haipeng. A novel design of broadband quasi?Yagi antenna loaded with split?ring resonators [J]. Journal of microwaves， 2017， 33（2）： 17?21.

[11] XIE P， WANG G， LI H. A novel design of broadband Quasi?Yagi antenna loaded with split?ring resonators [C]// IEEE International Conference on Ubiquitous Wireless Broadband. [S.l.]： IEEE， 2016： 1?4.

[12] 劉紅喜，高軍，曹祥玉，等.一種基于開口諧振環的高增益端射天線設計[J].物理學報，2015，64（23）：75?84.

LIU Hongxi， GAO Jun， CAO Xiangyu， et al. A design of high?gain end?fire antenna based on split?ring resonator structures [J]. Acta physics Sinica， 2015， 64（23）： 75?84.

[13] 葛少雷，張斌珍，段俊萍，等.基于新型互補開口諧振環的小型多頻微帶天線[J].現代電子技術，2016，39（17）：84?88.

GE Shaolei， ZHANG Binzhen， DUAN Junping， et al. Miniaturized multiband microstrip antenna based on new?type CSRR [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（17）： 84?88.