八木天线.docx

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八木天线

课设报告

课程名称：

微波技术与天线

课设题目：

八木天线的仿真设计

课设地点：

专业班级：

学号：

学生姓名：

ALXB

指导教师：

年月日

八木天线的仿真设计

一、八木天线的结构及工作原理

八木天线也叫做“引向天线”、“八木宇田天线”（Yagi-Udaantenna）、“寄生天线”，是一种定向天线。

这种天线是1928年由日本天线专家八木秀次和宇田太郞两人设计的。

八木天线的结构

它由一个有源振子及若干无源振子组成的线形端射天线。

其结构示意图如下，在无源振子中较长的一个为反射器，其余的均为引向器。

八木天线示意图

八木天线是基于普通的偶极天线发展而来的。

最简单的三单元八木天线由一位于中间的一根长度为半波长的偶极天线（有源振子）和位于偶极前后的引向器和反射器构成。

其中引向器的长度为略小于半波长，反射器的长度为略大于半波长，具体长度依据实际使用时的情况而定。

反射器与振子、振子与引向器之间的距离为四分之一波长。

增加引向器的数量可以增强天线的方向性和增益，但也会降低带宽、增加天线耦合难度。

引向器间的距离也为四分之一波长，距离振子越远，引向器应在前一引向器基础上再短一些。

也有采用多个有源阵子的八木天线。

工作原理

八木天线的工作原理是：

引向器略短于二分之一波长，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。

此时，引向器对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°；引向器感应的电磁波会向主振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后于从空中直接到达主振子的信号90°，恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。

反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，与从反射器方向直接加到主振子上的信号正好相差了180°，起到了抵消作用。

一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。

发射状态作用过程亦然。

本设计就是基于八木天线的基本理论的基础上，设计一个六元八木天线。

二、八木天线参数的选择及设计要求

本次设计要求是基于八木天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件的基础上，设计一个六元八木天线，其工作频率取为f=300MHZ,相关参数如下：

2Lref2Ldri2L12L22L32L4

drefddrid1d2d3

图

（2）

2Lref=0.5λ,2Ldri=0.47λ,2L1=2L2=2L=32L4=0.43λ,

ddri=0.3λ,d1=d2=d3=0.30λ,dref=0.25λ,

振子直径2a=0.0052λ.

设计要求：

利用HFS10仿真软件对此组数据进行仿真，并分析其远辐射场特性以及S曲线，并绘制其方向图。

三、八木天线的HFSS10仿真

八木天线仿真步骤（具体内容见《微波技术与天线课程设计指导书》）

1、建立新的工程2、设置求解类型

3、设置模型单位4、设置模型的默认材料

5、创建八木天线模型6、创建辐射边界

7、创建波端口8、辐射场角度设置

9、求解设置10、确认设计

11、保存工程12、求解该工程

13、后处理操作14、保存并退出

在HFSS中画出八木天线的实物仿真图后，其仿真效果

图（3）

图（4）

八木天线实物仿真

经过几个小时运行完成后，依据一下步骤分析其S参数及方向图。

1、S参数（反射参数）

点击HFSS>Result>CreateReport。

在创建报告窗口中做以下选择：

ReportType：

ModalSParmters；DisplayType：

Rectangle点击OK按钮。

在Trace窗口中做以下设置：

solution：

Setup1:

Sweep1;Domain：

Sweep点击Y标签，选择：

Category：

Sparameter；Quantity：

S（p1，p1）；Funtion：

dB，然后点击AddTrace按钮。

点击Done完成操作，绘制出发射参数曲线。

其S参数曲线图如下所示：

图（5）

2、2D辐射远区场方向图

在菜单栏点击HFSS>Result>CreateReport。

在创建报告对话框中做以下选择：

ReportType：

FarFields；DisplayType：

RadiationPattern。

点击OK按钮。

在Trace窗口中做以下设置：

solution：

Setup1:

LastAdptive;Geometry：

ff_2d。

在Sweep标签中，在Name这一列点击第一个变量Phi，在下拉菜单中选择The。

点击Mag标签，选择：

Category：

Gain；Quantity；GainTotal;Function:

dB,点击AddTrace按钮。

最后点击Done按钮完成操作，绘制方向图。

其方向图如下所示：

图（6）

3、3D辐射远区场方向图

图（7）

四、设计修改

由上面的仿真结果得知，按周课程设计指导仿真出来的结果并不理想，为得到理想结果，查阅相关资料得知，影响八木天线方向性和增益的因素有：

引向器的间距选择、引向器的长度、反射器与有源振子的间距选择、反射器长度选择等等。

现对课程设计指导书上的参数进行如下的修改：

（一）修改方案一

课程设计指导书上的4个引向器长度均相等且为0.43λ，现将第1～4个引向器的长度比有源振子顺序递减2～5%。

在HFSS中画出八木天线的实物仿真图后，其仿真效果

图（8）

经过几个小时运行完成后，依据一下步骤，分析其S参数及方向图。

1、S参数（反射参数）

图（9）

2、2D辐射远区场方向图

图（10）

3、3D辐射远区场方向图

图（11）

（二）修改方案二

其他参数依照课程设计指导书上的参数不变，修改附加平衡段平衡器的参数，将原来附加平衡段平衡器的圆柱半径由0.04改为0.035，在HFSS中画出八木天线的实物仿真图后，其仿真效果

图（12）

经过几个小时运行完成后，依据一下步骤，分析其S参数及方向图。

1、S参数（反射参数）

图（13）

2、2D辐射远区场方向图

图（14）

3、3D辐射远区场方向图

图（15）

五、仿真结果分析

按照课程设计指导书所给参数仿真得到的结果，天线的谐振频率约为300MHZ,基本符合设计的要求，但是S参数约为-7.5dB，未达到理想结果。

修改方案一对原引向器长度进行修改，由原来的等长度按照序号顺序由长到短按2～4%递减。

运行后，由其仿真结果可得，天线的谐振频率约为250MHZ,偏离设计的要求，S参数的增益约为-10dB，未达到设计要求。

修改方案二对附加平衡段平衡器Balun的半径进行了修改，将原来的0.04改为0.035。

运行后，由其仿真结果可得，天线的谐振频率约为300MHZ,基本符合设计的要求，S参数的增益约为-11.5dB，基本达到设计要求。

由以上的仿真结果并结合所查阅的相关资料可得出以下结论：

首先，由修改方案一可得，等长度的引向器使得八木天线的频带较窄；而引向器长度按照序号顺序由长到短按2～5%递减后，可使得八木天线的频带较宽。

其次，由修改方案二可得，修改平衡段平衡器Balun的半径，可实现八木天线与同轴线之间的阻抗匹配，使S参数的增益变大。

其理论依据是传输线1/4λ阻抗变换原理。

六、心得体会

通过这次课程设计，我学到了很多，也收获了很多。

这次课程设计所使用的软件是HFSS，它是一款基于电磁场有限元方法的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件。

为了能很快的掌握操作方法，我先是依照课程设计指导书上的设计四进行了一遍操作，对于其基本操作有了大概的了解。

其后才进行八木天线的仿真，虽然看似麻烦，但缺少走了许多弯路。

在做八木天线的过程中，也遇到了不少问题。

在做第一个模型时，将Arm--1的长度改变了，致使同轴线内外导体短路，仿真失败，在同学的帮组下查找到的原因是：

错误的认为Arm--1应该和Arm的一半一样长，才能够对齐。

在改正错误后得到了第二次的仿真结果，但是结果并不理想。

于是先是对引向器进行了修改并进行了第三次仿真，但是结果仍然不理想。

后来在询问了老师有关的原因后，对Balun进行了修改，又一次进行了仿真，终于得到了较为理想的结果。

这次课程设计让我深深地体会到了要想做好一件事，就得认真地做好每一步，并不断地加以修正。

也体会到了作为一个科技工作者的难处，八木天线的每一次仿真都需要至少俩个小时的时间，加上不断的修改和仿真，所需时间就更多了。

而我所做的八木天线远不及他们的工作的丝毫。

最后，这次课设让我对八木天线有了更深的理解。

七、文献参考

刘建霞《微波技术与天线课程》（第二版）

常媛媛《八木天线的设计仿真与测试》