八木微带天线的设计与研究作者：田辉, 王杰来源：《现代电子技术》2010年第15期摘要:对八木微带天线进行了研究。

仿真设计一种宽带宽波束圆极化八木微带天线,在中心频率上实现了波束由侧射向端射偏转26°,频率带宽达800 MHz,0 dB主波束宽度为110°;采用Wilkinson微带功分器产生两路幅度相等相位相差90°信号对天线进行馈电,实现了圆极化。

同时研究了在设计天线中参数对于八木微带天线主波束偏转角度的影响,得出了偏转角度随各参数变化的一般规律。

关键词:八木微带; 圆极化; 宽波束; 波束偏转中图分类号:TN82文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)15-0033-04Design and Analysis of Microstrip Yagi AntennaTIAN 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 deflexion0 引言八木天线是一种典型的定向天线,通过调整八木天线的振子长度、数量以及振子间距离可以很容易改变天线的各性能参数。

但是八木天线只能实现端射辐射,无法直接与载体表面共面安装。

利用微带天线实现八木天线的功能,不仅可与载体表面共面安装,而且可使波束从端射向侧射倾斜,实现对不同天线倾角波束的控制[1-3]。

微带天线是20世纪70年代初期研制成功并迅速发展起来的一种天线。

和其他微波天线相比,具有如下优点:体积小、重量轻、低剖面,具有平面结构,并可制成与导弹、卫星等载体表面共形的结构,馈电网络可与天线结构一起制成,适合于用印刷电路技术大批量生产,能与有源器件和电路集成为单一的模块,便于获得圆极化、容易实现双频段、双极化等多功能工作[4-6]。

微带天线的突出优点决定了其可以比较自由而充分地利用弹体表面,且安装时不影响弹体结构的强度,很容易实现装置小型化,共形微带天线具有不额外占有空间和对飞行姿态影响小等优点,在航空制导等多个领域具有很大的吸引力。

因此,以微带天线理论作为基础,研究八木形式的微带天线,通过优化参数,使其在性能指标上达到更好的要求,这在工程上有很大的应用价值。

本文在John Huang的微带八木天线[7]的基础上,结合工程应用,对天线进行改进,对参数进行优化设计,并设计了馈电网络,完成了一种性能优良的圆极化八木微带天线设计,使天线满足了应用需求。

同时重点研究了八木微带天线波束偏转角度随天线各参数变化的关系,对这种天线的设计具有非常实用的参考价值。

1 天线结构设计八木微带天线是在一块介质基片上,同时刻蚀一个有源贴片,一个反射贴片和几个引向贴片,这些贴片都做成正方形的。

其中有源贴片的尺寸约为工作频率的介质波长的1/2左右,反射贴片略大于有源贴片,而引向贴片略小于有源贴片。

电磁波主要通过有源贴片辐射,在相邻贴片之间产生较强的耦合,使天线波束发生偏转。

贴片之间的间隙一般约等于介质基片的厚度[8-9]。

在介质基片确定的前提下,通过调整贴片尺寸的大小和贴片间隙的大小,可以改变波束偏转的角度,调整馈电点的位置,可以结合馈电网络调整端口的匹配情况以及端口驻波特性。

设计的微带八木天线中心频率为f0,结构如图1所示,整个结构的尺寸为2.07λ×1.32λ。

图1 八木微带天线结构图2 天线仿真结果图2是使用HFSS仿真时建立的天线仿真模型,天线采用上下两层结构,上层使用介电常数为2.95,厚度为1 5 mm的介质基片,基片上方刻蚀辐射贴片,在实现良好圆极化性能的条件下对天线的各贴片的边长、间隙距离以及馈电点的位置进行微调,优化之后的参数为:a/λ=0384, b/λ=0273,c/λ=0249,d1/λ=0045,d2/λ=0028,馈电点的位置dx/λ=dy/λ=0055。

天线下层馈电网络采用介电常数为22,厚度为0.508 mm的介质基片,基片的下方刻蚀Wilkinson功分器,两臂的长度差约为1/4波长,用来产生相位相差90°的等幅信号。

两层之间采用直径为1.4 mm的理想金属圆柱互连。

图2 八木微带天线仿真模型对Wilkinson功分器两臂的长度差进行微调,可以使天线达到更好的匹配,从而得到更好的S 参数。

天线的方向图、轴比特性以及不同频率下的电压驻波比等性能如图3～图6所示。

从图4中可以看出,设计的八木微带天线在中心频率和边频,主波束方向相对于微带天线法向向引向贴片方向偏转了26°,yoz平面0 dB带宽在110°左右。

在主波束方向,增益可达7.82 dB。

随着频率的变化,波束宽度和增益会有相应的变化,但是从图中可以看出,主波束的偏转角度基本不随频率改变,稳定在26°左右。

图5为中心频率以及两个边频在不同方向的轴比图,对于中心频率,θ角从-23°~57°都在3 dB 以下, 3 dB轴比波束宽度达到80°。

在实际应用中,可以通过调节两个馈电点距离驱动贴片中心的距离以及Wilkinson功分器两臂的长度差来改变天线的轴比特性,这种调整对于天线的其他性能,比如增益,偏转角度等没有多大的影响。

图3 八木微带天线3D方向图图4 中心频率及两个边频增益方向图图5 中心频率和两个边频的轴比图图6 天线的电压驻波比图6为输入端口的电压驻波比随频率变化的曲线图,在中心频率电压驻波比可达102,电压驻波比不大于1.5的带宽可以达到800 MHz,对于中心频率工作在C波段的天线,相对带宽可达百分之十几,真正实现了天线的宽波束性能。

3 结构的变化对波束偏转角度的影响在不改变其他参数的条件下,对设计八木微带天线做些结构上的改变,增加或者减少反射器以及引向器的个数,天线波束偏转角度随结构的变化如图7所示。

图7 波束偏转角度随天线结构变化图图7中黑色条柱表示天线在只有一个反射器的情况下,方向图最大辐射方向偏转的角度与引向器数量变化的关系,红色条柱表示天线在两个反射器的情况下,方向图最大辐射方向偏转的角度与引向器数量变化的关系。

在引向器数量不变的情况下,增加反射器的数量可以增加天线最大辐射方向偏转的角度,同样,随着引向器个数的增加,偏转角度也随之增大。

通过不同的试验可知,在引向片个数为5个,反射器个数为2个的时候,可以得到最大偏角39°。

当引向器的个数多于5个,反射器的个数多于2个的时候,偏转角度不再有多大的变化。

这是因为八木微带天线的能量主要通过介质耦合到寄生贴片上,增加的再多的寄生贴片距离激励贴片会更远,使得耦合到这些贴片上的能量非常小,因此它们对方向图的影响也就非常小了。

4 驱动器的尺寸对于波束偏转角度的影响天线是在驱动贴片上馈电,天线的主谐振频率主要取决于驱动器的尺寸,所以驱动器的大小b的改变对于天线的性能影响非常大,改变驱动贴片尺寸b的大小,天线波束偏转角度随驱动器尺寸b的大小的变化如图8所示。

微带矩形贴片天线的尺寸是由天线工作频率、介质基片的介电常数以及厚度决定的,当这三个参数确定之后,天线只有在一定的尺寸下才能达到最大的辐射强度以及最小的驻波系数。

从图8中可以看出,天线最大辐射强度的方向偏转的角度随着驱动贴片尺寸的变大而减少,其变化规律接近于分段线性关系,这是因为,天线的最大辐射方向的偏转是由于贴片间的耦合造成的,较小的贴片尺寸有较高的谐振频率,驱动贴片尺寸的变化造成了谐振频率的偏移,当贴片尺寸增大的时候,天线谐振频率远离引向器谐振频率,引向器的作用减弱,从而偏转的角度变小。

图8 波束偏转角度随驱动片尺寸的变化曲线5 驱动贴片与反射贴片的间隙对于天线性能的影响改变天线驱动贴片与反射贴片之间的间隙d1的大小,天线波束偏转角度随d1变化曲线如图9所示。

图9 天线波束偏转角度随d1的变化曲线当改变驱动贴片以及反射贴片之间的间隙d1时,天线方向图形状变化不大,但随着d1增大,天线增益略有增加,最大辐射方向偏转角度呈减小的趋势。

最大辐射方向偏转角度随d1的变化曲线如图9所示,但偏转角度不会一直减少下去。

通过实验可知,当d1增大到一定程度之后,最大辐射方向偏转角度会稳定在23°附近,这是因为,反射贴片远离驱动片时,反射贴片和驱动片之间的耦合会逐渐减弱,当远离到一定的程度,反射贴片上的电场耦合强度将会非常的小,此时天线最大辐射方向角度的偏转主要由引向贴片来决定,不再随d1的变化而变化。

另外,随着d1的增大,反射贴片上电场的耦合强度降低,但其谐振频率只跟反射贴片的大小相关,故谐振频率保持不变,d1只影响天线的谐振深度。

6 驱动贴片与引向贴片的间隙对于天线性能的影响改变天线驱动贴片与引向贴片之间的间隙d2的大小,天线偏转角度随d2的变化曲线如图10所示。