《宽频带宽波瓣准端射圆极化微带八木天线》由会员分享，可在线阅读，更多相关《宽频带宽波瓣准端射圆极化微带八木天线（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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
