微波课设八木天线

1、太原理工大学现代科技学院微波技术与天线课程设计设计名称八木天线的仿真设计专业班级学 号指导教师太原理工大学现代科技学院课程设计任务书专业班级学生姓名课程名称微波技术与天线课程设计设计名称或件器微波天线设计设计周数1.5周指导教师设计任务主要设计参数1、熟悉HFSS仿真平台的使用2、熟悉微带天线的工作原理与设计方法3、在HFSS平台上完成如下仿真设计题目一：八木天线设计，300MHz，600MHz /900MHz ，1800MHz /2.4GHz ，4GHz 四元4、结合同组其他同学的设计结果完成对于结构参数与性能之间关系的探讨5、在1.5周内完成设计任务设计内容设计要求1、6.15 :分组、任

2、务分配、任务理解2、6.16 :查阅参考资料，理论上熟悉所设计的器件的工作原理与特性，完成方案的设计3、6.176.19 :熟悉仿真平台的使用，完成在平台上的建模，设置，结果提取与分析，以及验收。4、 6. 22 :同组同学结果汇总及讨论5、 6.236.24 :设计说明书的撰写在设计过程中，作为设计小组成员，每位同学要具有团队意识和合作精神，并最终独立完成自己的设计任务。主要参考资料刘学观，微波技术与天线，西安电子科技大学电岀版社，2008 2007顾继慧，微波技术，科学岀版社，2010应用设计详解，人民邮电岀版社， 李明洋，HFSS学生提交归档文件、相关知识及基本原理1 2、参数归纳：材质

3、、尺寸3、软件仿真过程及结果分析、设计总结4注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面一任务书一说明书一图纸 的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）指导教师签名日期：专业班级信 学号 姓名成绩八木天线的仿真设计一、八木天线简介作为电磁换能元件，天线在整个无线电通信系统中位置十分重要，质量好坏直接影响着收发信距离的远近和通联效果，可以说没有了天线也就没有了无线电通信。 作为一款经典的定向天线，八木天线在HF VHF以及UHF波段应用十分广泛，它 全称为“八木/宇田天线”，英文名YAG，是由上世纪二十年代日本东北帝国大 学的电机工程学教授八木秀次，在与他的学生宇田新太郎研究短波束时发明的。相

4、对于基本的半波对称振子或者折合振子天线， 八木天线增益高、方向性强、抗 干扰、作用距离远，并且构造简单、材料易得、价格低廉、挡风面小、轻巧牢固、 架设方便。通常八木天线由一个激励振子（也称主振子）、一个反射振子（又称 反射器）和若干个引向振子（又称引向器）组成，相比之下反射器最长，位于紧 邻主振子的一侧，引向器都较短，并悉数位于主振子的另一侧，全部振子加起来 的数目即为天线的单元数，譬如一副五单元的八木天线就包括一个主振子、 一个 反射器和三个引向器，结构如图1所示。主振子直接与馈电系统相连，属于有源 振子，反射器和引向器都属无源振子， 所有振子均处于同一个平面内，并按照一 定间距平行固定在一

5、根横贯各振子中心的金属横梁上。八木天线又称引向天线，是上个世纪二十年代，日本东北大学的八木秀次和宇田 太郎两人发明的。八木天线通常由一个有源振子、一个反射器及若干个引向器构 成，反射器与引向器都是无源振子，所有振子都排列在一个平面内且相互平行。 它们的中点都固定在一根金属杆上，除了有源振子馈电点必须与金属杆绝缘外， 无源振子则都与金属杆短路连接。因为金属杆与各个振子垂直，所以金属杆上不 感应电流，也不参与辐射。引向器天线的最大辐射方向在垂直于各个振子且由有 源振子指向引向器的方向，所以它是一种端 射式天线阵。均匀六元八木天线示意图如下：d反射器11有源振子引向器=图1六元八木天线示意图微带天线

6、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。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

7、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。八木天线的优点是结构简单、馈电方便、重量轻、便于转动，并有一定的增益。 缺点是颇带窄，增益不够高，因此常排成阵列使用。它在超短波和微波波段应用 广泛。八木天线中，有源振子可以是半波振子，也可以是折合振子一般常用折合振子， 以提高八木天线的输入阻抗，以便和馈电线匹配。主要作用是提高辐射能量。无 源振子是若干孤立的金属杆，它与馈线和有源振子不直接相连，作用是使辐射 的能量集中到天线的端向。.* * e图2八单元数字电视八木天线二、八木天线工作原理有源振子被馈电后，向空间辐射电磁波，使无源振子中产生感应电流，从而也产 生辐射。改变

8、无源振子的长度及其与有源振子之间的距离，无源振子上感应电流 的幅度和相位也随之变化，从而影响有源振子的方向图。若无源振子与有源振子 之间的距离小于1/4波长，无源振子比有源振子短时，整个电磁波能量将在无源 振子方向增强；无源振子比有源振子长时，将在无源振子方向减弱。比有源振子 稍长一点的称反射器，它在有源振子的一侧，起着削弱从这个方向传来的电波或 从本天线发射去的电波的作用；比有源振子略短的称引向器，它位于有源振子的 另一侧，它能增强从这一侧方向发射出去的电波。 通常反射器的长度比有源振子 长45%而引向器可以有多个，第14个引向器的长度通常比有源振子顺序递 减 25%引向器的长度相同、间距相

9、等的八木天线称为均匀引向八木天线， 其特点是天线 的主瓣窄，方向系数大，整个频带内增益均匀。而当八木天线各个引向器的长度 不同，间距亦不相等时叫做非均匀引向八木天线， 其特点是天线的主瓣较宽，方 向系数较少，工作频带内增益不均匀，但工作频带较宽。但如果将非均匀的引向 八木天线的结构设计合理，则可以显著地压缩副瓣，又不致太大扩宽主瓣和降低 方向系数。三、八木天线参数选择1 、振子数的确定振子数目可根据天线的主瓣宽度或天线的增益算出，若选择前者，则可查阅相关资料，由八木天线参数关系图可的振子数目N,若选择后者，则可谓根据八木天线增益表，如右图所示。由图可知，振子达到一定数目后，随着振子数 增加，增

10、益已无明显增高。本次设计选择振子数N=412345673$ 10 11图 3 天线方向性与振子总数的关系2、有源振子的结构和尺寸有源振子可选单根半波振子或折合振子， 一般长度取 0.475 波长。振子越粗， 长 度应短一些。 对有源振子的基本要求是能与馈线有良好的匹配， 为此，有源振子 应设计为谐振长度， 并把它的输入阻抗变换到等于或接近馈线特性阻抗的数值一 般选取 Ldri=（0.460.49）入。八木定向天线一般是用同轴电缆馈电的。 当有源振子采用半波对称振子时， 由于 受无源振子的影响，其输入阻抗值较低，因此就需设法提高有源振子输入电阻， 常用的方法是改用折合振子。 适当选择折合振子的长

11、度， 两导体的直径比及其间 距，可以有效地提高有源振子的输入电阻， 并结合调整反射器及附近几个引向振 子的尺寸，可以获得满意的驻波比。其次，由于折合振子等效半径加粗，对展宽 阻抗频带宽也有利。有源振子也可采用附加匹配器的对称振子形式。本次设计选择有源振子尺寸为 2Ldri=0.47入。3、引向器长度选择 引向器长度的选择有两种方案。一种是各引向器等长度，约取 0.38-0.44 波长。 这种方案优点是加工和调整较为容易， 但频带较窄。 另一种是， 各引向器长度随 序号增加有长到短渐变。这种方案的优点在于频带稍宽，但调试、加工麻 烦。实用中都采用第一种方案。 本次实验取采用第一种方法，取 21=

12、0.43入。4、反射器长度的选择反射器能保证天线单向辐射，反射器长度一般选在0.5-0.55入之间。其长度不能短于设计最低频率相应的1/2入。在这里选择反相器Lref=0.5入5、引向器的间距、反射器与有源振子的间距选择 引向器间距的选择有两种方案： 一种是引向器间距不相等， 随着引向器数量序号 的增加，相邻引向器的间距加大； 另一种是引向器间距相等。 前一种方案调整麻 烦，后一种方案调整简便，因此一般都采用等间距方案。引向器间距一般在 0.15-0.4 波长范围内选择。间距较大时，方向图主瓣较窄，输入阻抗的频率响 应较平稳，但副瓣较大；间距选得小时，副瓣较低，抗干扰性能较好，但是增益 和方向

13、性差些。若考虑前者，间距可取 0.3 波长；若考虑后者，间距可取小于 0.2 波长。反射器于有源振子之间的距离一般去 0.15-0.23 波长。此间距主要影响八木天线 的前后场强比和输入阻抗。 当间距在 0.15-0.17 波长时， 前后比较高， 但天线的 输入阻抗小（约 15-20 欧）；当间距为 0.2-0.23 波长时，前后比较低，但天线输 入阻抗大（约 50-60 欧），易与同轴电缆匹配。本次实验取d=0.3入，根据课设指导书，选择 dref=0.25入。6、参数汇总根据工作频率要求（f=2.4GHz），其相关参数如下：反射器长度： 0.0625m 有源振子长度： 0.0588m 引向

14、器长度： 0.0538m 反射器与有源振子间距： 0.0312m有源振子与第一个引向器间距：0.0375m相邻引向器间距：0.0375m0.000325m振子直径：四、八木天线仿真步骤1. 建立新的工程，求解类型，模型单位，模型的默认材料。2. 创建八木天线模型。a）创建ring, 反射端 ringr,弓丨向端ringl、ring2。将 ring、ringr、ringl、ring2 结合起来。b）建立折合振子Arm。 c ）建立同轴线馈线d）建立附加平衡段平衡器。e）创建辐射边界和波端口。f）辐射场角度和求解设置。g）确认设计。h）保存工程并求解该工程。i ）绘制该问题的反射系数曲线和3DbP

15、olar,E面方向图,H面方向图，smith圆图, 增益图（E面），增益图（H面）j ） 保存并退出HFSS五、仿真结果1. 建立模型图PrDperti=E!- HiSCteEiqnsLLoeiL iatles 1Fl* Valia广 Ci tiniy皿i-faitEvalual-ed V.J”Hncr&p tigBed QuitJ Tiliil zigC 3切旨iiivilyt S tali. s. tics 15n*p*r*r11ac*i c/2Idri0 4T*lid/21dlaccrefasBiici 3l c4aax6*e 2a. oaieSflvifir 03-9375iHitar

16、C. O*0nOesijpi 0苛弘“kasinQ3比岛机寸C f J75n&tarn*Ein0 OOOSZn-stGr厂厂厂厂厂厂厂 厂厂厂厂厂厂厂ILY0. 03*肮0 00375415r厂MOS心G.OttST&nst-：-Oesijpirini tr0靳詆trOlOG fbeier G. OSnfettL- hpQ上i.d古 ibri-ay .f? IJnw Hi dTi图4天线模型图2. 创建辐射边界，创建波端口，辐射场角度设置，求解设置后的图图5求解成功的天线模型图确认设计3.图6确认设计4 .求解该工程图7求解跑完之后5.回波损耗S11图8回波损耗6: 3Db Polar& So

17、lidscopper白夕ring0 CreateCylinder 旺巳Unrte 由巳E) vacuunEI-P Air口 Sbe&h匡 U Wove IN Cocrdinst 虬 GlobalI-Plantsa GhbalL Q G 匡歯Lists图 9 3D Polar(a)|+ Q2 bhUti alixEl-l/L Coordinate SystemsI 屯 Global=甥 Plarresq GlobakXY口 GlobakXZ- u Glob al: VZ两“繆Listsi (C: /Ussr s/ltLitili/rdciMi&Tlts/AfiSdft/)图 9 3D Polar

18、(b):方向图7.dOCCainKitan1 一毗3+4必11.2479640911.932已匕瑟丄H . l；22P4V1A?l6.ai37e+CGwee匕氏 *eee1. 7J27e+C0F-y.m7t-GQi-6/9C2i*eCG-i.lSt+eEL-1勺七百-1.7EPe+eei -1.9t2jf-rtvl8 smith圆图图9 smith 圆图9:增益图.五、课设总结本次八木天线仿真设计，堪称我目前遇到的课设当中最复杂的。我了解了八木天线的发展历史、结构、工作原理、影响天线性能的主要参数。也 算小小弥补了一学期微波课程自己掌握极差的遗憾。软件绘制八木天线模型及用其对八木天线进行仿真，我HFSS经过多次使用初步掌握了使用HFSS绘制天线并进行仿真的操作，增长了自己的能力。几次安装出现问题。在绘制天线模型时，个别坐标输入错误，输入步HFSS骤不周，出现错误，工作频率1建模移动到了 400MHz左右，与设计要求不符