湯煒　孫平

【摘 要】在傳統(tǒng)準(zhǔn)八木天線基礎(chǔ)上，通過合理布局及容性加載技術(shù)，本文首先提出了一種小型化準(zhǔn)八木天線，該天線在超高頻（Ultra-High Frequency；UHF）射頻識別（Radio Frequency Identification；RFID）頻段內(nèi)增益約為6.5dBi，天線基片尺寸僅僅只有中心頻點(diǎn)自由空間波長1/3；為了能夠進(jìn)一步拓寬天線帶寬，將原天線中的饋源振子改為領(lǐng)結(jié)型結(jié)構(gòu)，天線增益降為4dBi左右，但-10dB相對帶寬達(dá)到42.6%。通過樣品測試，天線的仿真結(jié)果與測試結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了本文所提技術(shù)方案的可行性和正確性。

【關(guān)鍵詞】準(zhǔn)八木天線；小型化天線；寬帶天線

中圖分類號： TN823.17 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0019-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.007

【Abstract】Based on the conventional Quasi-Yagi antenna，this paper presents a novel miniaturization antenna by rearranging the layout and capacitive leading technique.The antenna has a 6.5dBi gain at UHF and its size is just 1/3 of the wavelength of center frequency in free space.Meanwhile，to extend the antenna bandwidth，a modified bowtie dipole is replaced as the driven dipole and its relative bandwidth （S11<-10dB） achieves 42.6% and its gain is about 4dBi.The measurement of the sample is agree well with the simulation by software HFSS，which validate the scheme in this paper.

【Key words】Quasi-Yagi antenna；Miniaturization antenna；Wideband antenna

0 前言

八木天線，也稱引向天線，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]。但傳統(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，無法與微波電路集成成為八木天線一大缺陷。1998年加州大學(xué)Itoh教授提出準(zhǔn)八木天線（Quasi Yagi-Uda Antenna）[2]，該天線兼具微帶天線易集成和八木天線高增益的優(yōu)點(diǎn)。隨后的工作圍繞提高天線增益和拓展帶寬兩方面展開，Itoh教授小組對準(zhǔn)八木天線陣的互耦進(jìn)行研究，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；清華大學(xué)馮正和教授[6]采用6引向器天線獲得11.6dBi增益；蘇州大學(xué)劉學(xué)觀教授[7]完成一款較寬頻帶4引向器天線其增益9dBi；頻帶寬度方面，北理工采用類似微帶天線中的附加貼片技術(shù)，得到了跨越S-C（2.8GHz～5.2GHz）的優(yōu)化結(jié)果，但增益較低，Y.Kou[8]中提出利用微帶魔T的概念進(jìn)行饋電，J.G.Estrada[9]利用EBG結(jié)構(gòu)作為襯底，相對帶寬達(dá)到45%。

本文在傳統(tǒng)準(zhǔn)八木天線基礎(chǔ)上，通過容性加載減小天線反射器和饋源振子的橫向占用空間；同時(shí)利用合理布局減小縱向占用空間，針對應(yīng)用于超高頻RFID系統(tǒng)915MHz頻點(diǎn)設(shè)計(jì)一款小型化天線，基片大小為105mm*110mm，縱橫尺寸約為中心頻點(diǎn)自由空間波長1/3。隨后考慮到在通信領(lǐng)域使用寬頻天線的可能性，將該小型化天線與寬帶技術(shù)相結(jié)合，其中的饋源振子由變型領(lǐng)結(jié)型振子替換，此時(shí)由于天線Q值下降導(dǎo)致天線增益有所降低，但極大拓寬了天線的使用頻帶，天線最終相對大小為45mm*52mm，帶寬達(dá)到46%，增益約為4dBi，且測試結(jié)果和HFSS仿真軟件吻合較好。

1 天線的小型化技術(shù)

八木天線較為普通，在相關(guān)的天線教材及參考書中多有涉及，在此不再贅述。通常的三元準(zhǔn)八木天線的基本示意圖如圖一所示，根據(jù)其設(shè)計(jì)原理，傳統(tǒng)準(zhǔn)八木天線的尺寸一般超過其頻點(diǎn)對應(yīng)的。

其中藍(lán)色部分為基片正面導(dǎo)體，棕紅色部分為背面導(dǎo)體。天線由天線端口，天線饋線，阻抗變換器，移相巴倫，饋源振子，引向器和反射器構(gòu)成。與傳統(tǒng)八木天線不同的是，此處基片背面導(dǎo)體既充當(dāng)微帶線電路（端口，饋線，阻抗變換器和巴倫）的地線，同時(shí)也充當(dāng)引向天線的反射器，體現(xiàn)了該天線精妙的設(shè)計(jì)原理。

但從圖一可看到，由于饋線和阻抗變換器為縱向布局，使得天線的下半部留白較多，導(dǎo)致縱向長度過長，如果能夠?qū)⑾嚓P(guān)部分橫置，有可能實(shí)現(xiàn)縱向尺寸的縮減；橫向方面我們可以通過容性加載技術(shù)，即在較長振子兩端附加縱向貼片，只要令振子橫向長度與縱向長度之和略長于，即可實(shí)現(xiàn)振子的諧振。因而可以得到小型化準(zhǔn)八木天線示意圖，如圖2所示。

確定天線基本模型后，利用商用軟件HFSS對天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終確定模型的物理尺寸，其中基片采用Taconic-615A，其介電常數(shù)，損耗角，厚度為1.27mm，基片尺寸為110mm*105mm。天線部分其余參數(shù)表1所示。

2 天線的寬帶化技術(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中，作為端射天線的重要形式之一，在某些通信場合并不需要過高的天線增益而更希望天線在較寬頻帶內(nèi)進(jìn)行工作，本文隨后對上述天線進(jìn)行了修正，將其中的饋源振子更換為領(lǐng)結(jié)型振子，其余小型化技術(shù)不變，此時(shí)天線模型如圖3所示。

該基片采用的基片為普通的Fr4材料，介電常數(shù)？著r=4.4，厚度為1mm，基片尺寸大小為45mm和52.75mm，經(jīng)過優(yōu)化后的基片相關(guān)參數(shù)如表2所示。

天線2各參數(shù)尺寸（單位：mm）

3 樣品制作與測試

為后續(xù)闡述方便，本文將小型化天線稱為天線1，小型寬帶化天線稱為天線2，加工后的天線照片如圖4所示，需要說明的是天線1的工作頻段為915MHz，天線2的工作頻段為2.45GHz，因而天線的尺寸相差較大，但與波長相比均實(shí)現(xiàn)了小型化。

3.1 天線1測量與仿真結(jié)果

本文對天線1的測試結(jié)果與仿真結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看到測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合很好，在RFID超高頻頻段內(nèi)，頻段內(nèi)的駐波系數(shù)均小于1.4，達(dá)到了工程需求。天線增益超過6.5dBi，和普通三元八木天線相當(dāng)，但是尺寸僅僅只有（為915MHz電磁波自由空間波長，為327mm），可以本文提出的小型化對于天線的電氣性能沒有太大影響，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)思想的正確性和可靠性。

3.2 天線2測試與仿真結(jié)果

天線2的測試結(jié)果與仿真結(jié)果如圖6所示，對于寬帶小型化天線，由于采用了領(lǐng)結(jié)型振子，電流在流經(jīng)輻射振子時(shí)，可以通過不同路徑長度完成回路，使得天線能夠在較寬頻帶內(nèi)進(jìn)行諧振和工作。從測試結(jié)果看，S11小于-10dB的頻帶區(qū)域2.14-3.3GHz，相對帶寬達(dá)到42.6%，即使是較為苛刻的小于-15dB的范圍，相對帶寬也達(dá)到37%左右。天線增益在感興趣頻帶內(nèi)約為4dBi，為中等增益范圍。由于天線設(shè)計(jì)得頻帶覆蓋2.4GHz 的WLAN和Bluetooth，2.45 GHz RFID，2.3 GHz and 2.5 GHz WiMAX，and 2.6GHz LTE，有望在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文提出了兩款新型準(zhǔn)八木天線，通過對天線結(jié)構(gòu)的合理布局及容性加載技術(shù)，相比與傳統(tǒng)天線，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化，基片尺寸僅僅為波長1/3。在小型化基礎(chǔ)之上，利用領(lǐng)結(jié)型振子的寬頻帶特性，將原有的容性加載振子用變形領(lǐng)結(jié)型振子替代，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬帶化，相對帶寬達(dá)到42.6%，覆蓋遠(yuǎn)場和近場通信的若干重要頻段，具有較大的理論創(chuàng)新和工程實(shí)用價(jià)值。

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