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1、 8 宽频带宽波瓣准端射圆极化微带八木天线 叶喜红 何 芒 (北京理工大学信息与电子学院,北京 100081) 摘 要:基于传统八木天线理论,本文在 C 波段研究设计了一种宽频带宽波瓣、准端射、圆极化微带八木 天线(Microstrip Yagi-Uda Antenna) 。仿真结果表明,该天线的反射系数小于-10dB 以及 3dB 轴比带宽可以 达到 740MHz(13%) ;在天线的工作频带内,整个俯仰面范围以及水平面 50o以上范围内,其增益均不小 于 0dBi,同时具有较大的前后比 R(F/B)。介质基板底面尺寸对天线特性的影响,在本文中进行了适当的 参数分析。 关键词:宽波瓣,端射
2、,圆极化,微带八木天线 A Broadband and Wide Beamwidth Quasi-Endfire Circular Polarized Microstrip Yagi Antenna YE Xihong,He Mang (School of Information and Electronic,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081) Abstract:Based on the principle of the Yagi-Uda antenna,a broadband and wide beamwidth quasi-end
3、fire microstrip antenna with circular polarization for C-Band applications is presented in this paper. The -10dB return loss and 3dB AR bandwidth of 740MHz(13%)is achieved simultaneously in this design. Within the working band,antenna gain is larger than 0dBi in the entire elevation plane and over 5
4、0o in the horizontal plane,while a large front-to-back ratio is obtained as well. The effect of the size of the ground plane bottom the antennas performance is also parametrically studied to optimize the circular polarization. Keywords:quasi- endfire,circular polarization,microstrip Yagi-Uda antenna
5、 1 引言 随着各种无线通信系统的快速发展,同时具有 低剖面、低制造成本、易与电路集成以及易与工作 平台共形的微带天线一直受到大家的关注和青睐。 一般的微带天线具有边射特性,但是可以通过在贴 片前后适当增加寄生贴片(反射贴片和引向贴片) 并利用贴片之间的互耦将辐射能量引向边缘实现端 射 16。J. Huang 提出一种适用 L 和 C 波段的微带 八木天线,该天线的峰值由边射方向向贴片天线边基金项目:自然科学基金(60801008) 的倾斜角度达到 30o40o之间 1,2 。此后,众多学者对该天线进行了很到分析研究和改进,S. K. Padhi 等在 X 波段应用该天线形式使倾斜角达到 40
6、o左右 3,4 。Gerald R. DeJean 等利用同尺寸、 相距适当距离的两个贴片代替原微带八木天线的每 级引向器的孤立贴片,得到更高的高增益和更大的 前后5,6。然而,除了 J. Huang 在设计的天线实现圆极化以外,上述其它设计均为线极化工作模式。 本文设计了一种宽频带、宽波瓣、准端射、圆 极化微带八木天线。该天线同时满足反射系数小于- 10dB 以及端射前向轴比小于 3dB 的频带宽度可达 740MHz(13%) ,而前述文献中设计的微带八木天 线最大线极化带宽为 10%左右,与其相比,本文设9计的天线具有更大的带宽。在俯仰面900水 平面 70o范围内均具有较大的增益和良好的
7、圆极化 特性,且该天线前后比 R(F/B),即在90与90的增益比值可以达到 13dB。 2 天线结构及工作原理 2.1 天线结构 图 1 为所设计准端射圆极化微带八木天线结构 图。其中,D 为激励贴片,R 为反射寄生贴片,尺 寸相同的两个贴片 D1T和 D1B组成第一级寄生引向 器,x 和 y 方向长度分别为 Ld1和 Wd1,两贴片之间 的距离为 S1;同样,具有相同尺寸的两个贴片 D2T 和 D2B组成第二级寄生引向器,x 和 y 方向长度分 别为 Ld2和 Wd2,两贴片之间的距离为 S2。为实现 圆极化工作,采用两个同轴馈电端口进行馈电。第 一个馈电端口由激励贴片 D 的对角线中心沿
8、负 y 方 向移动 fy;第二个馈电端口由激励贴片 D 的对角线 中心沿 x 方向移动 fx。激励贴片与反射器之间的距 离为 g1,激励贴片与第一级引向器之间的距离为 g2,两级引向器之间的距离为 g3。介质板的厚度为 h,沿 x 和 y 方向的长度分别为 Ls和 Ws,分别在天 线底面两端切除沿 x 方向为 Lc1和 Lc2在 y 方向均为 Ws导电地面。 图 1 天线结构图 2.2 工作原理 位于自由空间中的传统八木天线,激励单元辐 射出的电磁能量由反射振子反射,再通过空间波耦 合传递到引向振子,从而实现天线的端射特性。而 微带八木天线是在微带天线技术中应用了类似于八 木天线的工作原理,即
9、电磁能量也是经反射贴片的 反射作用再由激励贴片耦合到具有引向作用的引向 贴片中。但是,与传统八木天线不同的是,在微带 八木天线中不仅存在空间波的耦合,更主要的是依 靠介质基板中的表面波进行电磁能量的耦合。传统 八木天线中,作为天线单元的振子天线在水平面内 全向辐射,因此激励单元与寄生单元之间的电磁耦 合很强,能量可以向引向器方向传递很远。然而微 带天线单元本身具有边射特性,因此激励单元能量 只能主要通过表面波作用耦合到与其接近的几个寄 生单元上,并且耦合较弱。所以微带八木阵列中, 激励单元与引向器以及反射器之间应尽量靠近,且 引向器数量不宜超过两个,反射器数量不超过一 个,继续增加寄生贴片的数
10、目不能明显改善天线的 工作特性,却增大了天线的几何尺寸。 3 仿真分析 由前述文献16的阐述以及本文作者的验证知 道:介质基板的介电常数在一定范围内取值越高, 天线的辐射峰值倾斜角越大,但是天线的带宽将 会越小,而且如果介电常数过大会影响贴片之间的 耦合进而影响天线的辐射特性;各级贴片之间的距 离 g1、g2和 g3的大小影响贴片之间的耦合;第一级 引向器D1主要起引向和增加阻抗带宽的作用,而且 其间距S1应当足够小,以便D1的耦合;第二级引向 器D2主要是增强辐射,其间距S2决定了天线辐射口 径的大小,当S2越大时天线的增益越大但是其波瓣 减小,而且S2也不可过大,否则会使D2与D1间的 耦
11、合过小,影响天线的工作。 本文首先给出经过设计具有良好工作特性的天 线的仿真结果,而后主要分析基板底面大小,即 Lc1和 Lc2对天线工作特性的影响。 3.1 设计天线的工作特性 文中所设计的天线,g1=g2=g3= g,第一个馈电 端口与第二个馈电端口采用等幅异相馈电,其相位10差为 105o。此时得到改天线工作特性的仿真结果如图 2 所示。 从图 2 可以看到,天线的阻抗带宽为 740MHz (13%) ,且在此范围内端射前向轴比都小于 3dB。 当 频 率 大 于 5.6GHz 时 , 在 整 个 俯 仰 面 范 围 (900)范围内,天线增益都大于 0dBi,其 前后比 R(F/B)可
12、以达到 13dB;当频率大于 6GHz 时,天线辐射峰值倾斜角可以达到 50o以 上;整个工作频带内,包括整个俯仰面以及 70o左 右水平面范围内,可以保证轴比不大于 6dB,且在 水平面近 50o范围内不大于 3dB。 3.2 Lc1和 Lc2对天线特性的影响 微带天线介质基板底面一般全为导电面,但 本文设计中为了减小天线的后向辐射以及加强引 向作用使前向辐射增大,而在基板前后两端切除 部分导电底面。Lc1 和 Lc2分别为被切除底面后向 和前向部分的长度,如图 3 所示为在中心求解频 率 5.8GHz 处,切除部分介质基板底面前后天线工 作特性的比较。 由图 3(a)可以看到,切除基板两端
13、部分底面 前后,对 2 端口阻抗特性的影响较大,但不会严重 影响端口的匹配;但从图 3(b)和图 3(c)发现 切除部分底面后的增益和轴比特性明显得到改善。 这是因为切除后向部分导电底面使辐射能量泄露, 从而减小后向增益;而前向部分底面切除后,且此 时底面反射减弱,使表面波更好地被引导向前传 播,能量更多向前集中。如果天线的几何尺寸不受 限制,理论上可以通过增大介质基板增大Lc1 和Lc2 进步改善天线的工作特性。 5.25.45.65.86.06.2-50-40-30-20-100-50-40-30-20-1003AR(Theta=90,Phi=0)AxialRatio(dB)S(dB)Fr
14、equency(GHz)S11S223(a)两端口的反射系数和端射前向轴比 -90-60-300306090-10-5051015-10-5051015AR(XoY-Plane)Freq=5.4GHzFreq=5.6GHzFreq=5.8GHzFreq=6.0GHzAxialRatio(dB)GainTotal(dBi)Phi(deg)Gain(XoY-Plane)Freq=5.4GHzFreq=5.6GHzFreq=5.8GHzFreq=6.0GHz(b)XoZ 面增益与轴比特性 -90-60-300306090-10-5051015-10-5051015AR(XoY-Plane)Freq=
15、5.4GHzFreq=5.6GHzFreq=5.8GHzFreq=6.0GHzAxialRatio(dB)GainTotal(dBi)Phi(deg)Gain(XoY-Plane)Freq=5.4GHzFreq=5.6GHzFreq=5.8GHzFreq=6.0GHz(c)XoY 面增益与轴比特性 (d)在求解中心频率 5.8GHz 处 3D 方向图 图 2 所设计天线的工作特性 115.25.45.65.86.06.2-50-40-30-20-100-50-40-30-20-100S(dB)Frequency(GHz)S11(With Cuts)S22(With Cuts)S11(No Cu
16、t)S22(No Cut)(a)两端口的反射系数随频率变化曲线 -90-60-300306090-10-5051015-10-5051015Axial Ratio(dB)GainTotal(dBi)Theta(deg)Gain(With Cuts)AR(With Cuts)Gain(No Cuts)AR(No Cuts)(b)XoZ 面增益与轴比特性 -90-60-300306090-10-5051015-10-5051015Axial Ratio(dB)GainTotal(dBi)Theta(deg)Gain(With Cuts)AR(With Cuts)Gain(No Cuts)AR(No Cuts)(c)XoY 面增益与轴比特性 图 3 切除基板两端部分底面前后天线工作特性 4 结论 本文设计了一种应用于 C 波段,具有宽频带宽 波瓣圆极化准端射微带八木天线。该天线具有 740MHz(13%)阻