太原理工大学 微波课设 八木天线的仿真设计

1、TAIYUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY本科课程设计报告课程名称:微波技术与天线设计项目:设计二：八木天线的仿真设计设计二、八木天线的仿真设计一、八木天线简介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 十个引向器构成，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

2、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：图1六元八木天线示意图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。图2九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

3、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

4、，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、八木天线参数选择振子敢N图3天线方向性与振子总数的关系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，增益已无明显增高。本次设计选择振子数N=6。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

5、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)久。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

6、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=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

7、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

8、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=300MHz），其相关参数如下：反射器长度：0.5m有源振子长度：0.47m引向器长度：0.45m反射器与有源振子间距：0.25m有源振子与第一个引向器间距：0.3m相邻引向器间距：0.3m振子直径：0.0052m四、八木天线仿真步骤建立新的工程，求解类型，模型单位，模型的默认材料。创建八木天线模型。）创建 ring,反射端 ringr,弓|向端 ringl、ring2、ring3、ring4。将 r

9、ing、ringr、 ringl、ring2、ring3、ring4 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2D辐射远场方向图。j）保存并退出HFSS。五、仿真结果图4求解成功的天线模型图27 Jun 2013Ansoft Corporation XY Plot 1 eight21:53:41图5反射系数曲线dB(GainTctal) |dbl Pni=Odeg3etup1 : LastAdaptvedB(Gain I ctal)

10、|db| Pni=9Ddec3etup1 : LastAdaptvedB(Gain I ctal) dbj Pni=13Ddeg SeLupI . LasLAJapLve27 Jun 2013Ansoft Corporation Radiation Pattern 3 HFSSDesignl图6 2D辐射远场方向图五、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、最需耐心细 心、耗时最长、电脑最辛苦的设计之一。当然付出与收获成正比，总结自己的收 获与反思如下。知识方面:我恶补了八木天线的相关内容，包括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

11、学期微波课程自己掌握 极差的遗憾。技能方面:经过多次使用HFSS软件绘制八木天线模型及用其对八木天线进 行仿真，我初步掌握了使用HFSS绘制天线并进行仿真的操作，了解了一些查错 改错的方法。经验教训方面（没有经验全是教训）：1、HFSS几次安装出现问题，还没有看清界面上的内容就随便点击了，自己 过于急躁和马虎，这个缺点也让我在后面的建模过程中走了不少弯路。2、在绘制天线模型时，个别坐标输入错误，修改之后虽然没有了错位，但 改变了振子尺寸，工作频率移动到了 600MHz左右，与设计要求不符，导致整个 天线设计功亏一篑。3、整个实验中，自己只是按照课程设计指导书中的步骤完成了建模，但并 不知道为何选择这些参数，更不知道每一步中坐标与参数的对应关系，全多算是 知其然不知其所以然，这些内容，在后期自己查找资料和修改模型中才有了初步 了解。4、由于对原理及软件使用的不了解，又比较急于求成，每次遇到问题，自 己想到的首先不是自己先看看问题出在哪里，而是直接问同学、问学姐、问老师。 在今后的学习中，我也会试着先独立思考，找找解决办法，再去求助。从开始不知道如何安装软件，不知道在哪里输入坐标，建模屡次出错，一次 次修改一次次仿真，到得到符合预期的仿真结果，一步步虽然过程曲折，但还是 满满的成就感。在整个过程中，感谢我时常罢工但