微波课设八木天线.docx

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微波课设八木天线

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

姓名

指导教师

太原理工大学现代科技学院

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

微波器件或天线设计

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、6.17~6.19：

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、6.23~6.24：

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出版社，2008

顾继慧，微波技术，科学出版社，2007

李明洋，HFSS应用设计详解，人民邮电出版社，2010

学生提交

归档文件

1、相关知识及基本原理

2、参数归纳：

材质、尺寸

3、软件仿真过程及结果分析

4、设计总结

课程设计任务书

注：

课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—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YAGI，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：

图1六元八木天线示意图

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。

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。

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。

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4~5%，而引向器可以有多个，第1~4个引向器的长度通常比有源振子顺序递减2~5%。

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，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，增益已无明显增高。

本次设计选择振子数N=4

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=（0.46~0.49）λ。

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。

本次设计选择有源振子尺寸为2Ldri=0.47λ。

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2l=0.43λ。

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0.5-0.55λ之间。

其长度不能短于设计最低频率相应的1/2λ。

在这里选择反相器Lref=0.5λ

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=0.3λ，根据课设指导书，选择dref=0.25λ。

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：

0.0375m

振子直径：

0.000325m

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,引向端ring1、ring2。

将ring、ringr、ring1、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3DbPolar,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

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

3.确认设计

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：

3DbPolar

图93DPolar（a）

图93DPolar（b）

7：

方向图

8：

smith圆图

图9smith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。

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，增长了自己的能力。

HFSS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。

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，算是知其然不知其所以然，后在老师同学的帮助下计算参数，终于完成建模。

遇到问题，自问同学、问学姐、问老师，使我认识了自己的不足，在今后的学习中，我也会学会独立思考解决问题，在此感谢老师和学长学姐的帮助，使我完成这次课程。

六、参考文献

1.刘学观，郭辉萍.微波技术与天线.西安电子科技大学出版社.2006

2.刘建霞，李鸿鹰.微波技术与天线课程设计指导书.太原理工大学信息工程学院.2013

3宋铮，张建华，黄冶.天线与电波传播.西安电子科技大学出版社.2003