太原理工大學(xué) 微波課設(shè) 八木天線的仿真設(shè)計(jì)

1、TAIYUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱:微波技術(shù)與天線設(shè)計(jì)項(xiàng)目:設(shè)計(jì)二：八木天線的仿真設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)二、八木天線的仿真設(shè)計(jì)一、八木天線簡(jiǎn)介八木天線又稱引向天線，是上個(gè)世紀(jì)二十年代，日本東北大學(xué)的八木秀 次和宇田太郎兩人發(fā)明的。八木天線通常由一個(gè)有源振子、一個(gè)反射器及若 十個(gè)引向器構(gòu)成，反射器與引向器都是無(wú)源振子，所有振子都排列在一個(gè)平 面內(nèi)且相互平行。它們的中點(diǎn)都固定在一根金屬桿上，除了有源振子饋電點(diǎn) 必須與金屬桿絕緣外，無(wú)源振子則都與金屬桿短路連接。因?yàn)榻饘贄U與各個(gè) 振子垂直，所以金屬桿上不感應(yīng)電流，也不參與輻射。引向器天線的最大輻 射方向在垂直于

2、各個(gè)振子且由有源振子指向引向器的方向， 所以它是一種端 射式天線陣。均勻六元八木天線示意圖如下：圖1六元八木天線示意圖八木天線的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、饋電方便、重量輕、便于轉(zhuǎn)動(dòng)，并有一定的增 益。缺點(diǎn)是頗帶窄，增益不夠高，因此常排成陣列使用。它在超短波和微波波段 應(yīng)用廣泛。圖2九單元數(shù)字電視八木天線二、八木天線工作原理有源振子被饋電后，向空間輻射電磁波，使無(wú)源振子中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而 也產(chǎn)生輻射。改變無(wú)源振子的長(zhǎng)度及其與有源振子之間的距離，無(wú)源振子上感應(yīng) 電流的幅度和相位也隨之變化，從而影響有源振子的方向圖。若無(wú)源振子與有源 振子之間的距離小于1/4波長(zhǎng)，無(wú)源振子比有源振子短時(shí)，整個(gè)電磁波能量將在

3、無(wú)源振子方向增強(qiáng)；無(wú)源振子比有源振子長(zhǎng)時(shí)，將在無(wú)源振子方向減弱。比有源 振子稍長(zhǎng)一點(diǎn)的稱反射器，它在有源振子的一側(cè)，起著削弱從這個(gè)方向傳來(lái)的電 波或從本天線發(fā)射去的電波的作用；比有源振子略短的稱引向器，它位于有源振 子的另一側(cè)，它能增強(qiáng)從這一側(cè)方向發(fā)射出去的電波。通常反射器的長(zhǎng)度比有源 振子長(zhǎng)45%，而引向器可以有多個(gè)，第14個(gè)引向器的長(zhǎng)度通常比有源振子順 序遞減25%。引向器的長(zhǎng)度相同、間距相等的八木天線稱為均勻引向八木天線，其特點(diǎn)是 天線的主瓣窄，方向系數(shù)大，整個(gè)頻帶內(nèi)增益均勻。而當(dāng)八木天線各個(gè)引向器的 長(zhǎng)度不同，間距亦不相等時(shí)叫做非均勻引向八木天線，其特點(diǎn)是天線的主瓣較寬， 方向系數(shù)較少

4、，工作頻帶內(nèi)增益不均勻，但工作頻帶較寬。但如果將非均勻的引 向八木天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，則可以顯著地壓縮副瓣，又不致太大擴(kuò)寬主瓣和降 低方向系數(shù)。三、八木天線參數(shù)選擇振子敢N圖3天線方向性與振子總數(shù)的關(guān)系1、振子數(shù)的確定振子數(shù)目可根據(jù)天線的主瓣寬度 或天線的增益算出，若選擇前者，則可 查閱相關(guān)資料，由八木天線參數(shù)關(guān)系圖 可的振子數(shù)目N，若選擇后者，則可謂 根據(jù)八木天線增益表，如右圖所示。由 圖可知，振子達(dá)到一定數(shù)目后，隨著振 子數(shù)增加，增益已無(wú)明顯增高。本次設(shè)計(jì)選擇振子數(shù)N=6。2、有源振子的結(jié)構(gòu)和尺寸有源振子可選單根半波振子或折合振子，一般長(zhǎng)度取0.475波長(zhǎng)。振子 越粗，長(zhǎng)度應(yīng)短一些。對(duì)有源

5、振子的基本要求是能與饋線有良好的匹配，為 此，有源振子應(yīng)設(shè)計(jì)為諧振長(zhǎng)度，并把它的輸入阻抗變換到等于或接近饋線 特性阻抗的數(shù)值一般選取Ldri=(0.460.49)久。八木定向天線一般是用同軸電纜饋電的。當(dāng)有源振子采用半波對(duì)稱振子 時(shí)，由于受無(wú)源振子的影響，其輸入阻抗值較低，因此就需設(shè)法提高有源振 子輸入電阻，常用的方法是改用折合振子。適當(dāng)選擇折合振子的長(zhǎng)度，兩導(dǎo) 體的直徑比及其間距，可以有效地提高有源振子的輸入電阻，并結(jié)合調(diào)整反 射器及附近幾個(gè)引向振子的尺寸，可以獲得滿意的駐波比。其次，由于折合 振子等效半徑加粗，對(duì)展寬阻抗頻帶寬也有利。有源振子也可采用附加匹配 器的對(duì)稱振子形式。本次設(shè)計(jì)選擇

6、有源振子尺寸為2Ldri=0.47入。3、引向器長(zhǎng)度選擇引向器長(zhǎng)度的選擇有兩種方案。一種是各引向器等長(zhǎng)度，約取0.38-0.44 波長(zhǎng)。這種方案優(yōu)點(diǎn)是加工和調(diào)整較為容易，但頻帶較窄。另一種是，各引向器 長(zhǎng)度隨序號(hào)增加有長(zhǎng)到短漸變。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于頻帶稍寬，但調(diào)試、加工麻 煩。實(shí)用中都采用第一種方案。本次實(shí)驗(yàn)取采用第一種方法，取21=0.43入。4、反射器長(zhǎng)度的選擇反射器能保證天線單向輻射，反射器長(zhǎng)度一般選在0.5-0.55入之間。其長(zhǎng) 度不能短于設(shè)計(jì)最低頻率相應(yīng)的1/2入。在這里選擇反相器Lref=0.5入5、引向器的間距、反射器與有源振子的間距選擇引向器間距的選擇有兩種方案：一種是引向器間

7、距不相等，隨著引向器 數(shù)量序號(hào)的增加，相鄰引向器的間距加大；另一種是引向器間距相等。前一 種方案調(diào)整麻煩，后一種方案調(diào)整簡(jiǎn)便，因此一般都采用等間距方案。引向 器間距一般在0.15-0.4波長(zhǎng)范圍內(nèi)選擇。間距較大時(shí)，方向圖主瓣較窄， 輸入阻抗的頻率響應(yīng)較平穩(wěn)，但副瓣較大；間距選得小時(shí)，副瓣較低，抗干 擾性能較好，但是增益和方向性差些。若考慮前者，間距可取0.3波長(zhǎng)；若考慮后者，間距可取小于0.2波長(zhǎng)。反射器于有源振子之間的距離一般去 0.15-0.23波長(zhǎng)。此間距主要影響 八木天線的前后場(chǎng)強(qiáng)比和輸入阻抗。當(dāng)間距在 0.15-0.17波長(zhǎng)時(shí)，前后比較 高，但天線的輸入阻抗小（約15-20歐）；當(dāng)間

8、距為0.2-0.23波長(zhǎng)時(shí)，前后 比較低，但天線輸入阻抗大（約50-60歐），易與同軸電纜匹配。本次實(shí)驗(yàn)取d=0.3入，根據(jù)課設(shè)指導(dǎo)書，選擇dref=0.25入。6、參數(shù)匯總根據(jù)工作頻率要求（f=300MHz），其相關(guān)參數(shù)如下：反射器長(zhǎng)度：0.5m有源振子長(zhǎng)度：0.47m引向器長(zhǎng)度：0.45m反射器與有源振子間距：0.25m有源振子與第一個(gè)引向器間距：0.3m相鄰引向器間距：0.3m振子直徑：0.0052m四、八木天線仿真步驟建立新的工程，求解類型，模型單位，模型的默認(rèn)材料。創(chuàng)建八木天線模型。）創(chuàng)建 ring,反射端 ringr,弓|向端 ringl、ring2、ring3、ring4。將 r

9、ing、ringr、 ringl、ring2、ring3、ring4 結(jié)合起來(lái)。b）建立折合振子Arm。c）建立同軸線饋線。d）建立附加平衡段平衡器。e）創(chuàng)建輻射邊界和波端口。f）輻射場(chǎng)角度和求解設(shè)置。g）確認(rèn)設(shè)計(jì)。h）保存工程并求解該工程。i）繪制該問題的反射系數(shù)曲線和2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。j）保存并退出HFSS。五、仿真結(jié)果圖4求解成功的天線模型圖27 Jun 2013Ansoft Corporation XY Plot 1 eight21:53:41圖5反射系數(shù)曲線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圖6 2D輻射遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖五、課設(shè)總結(jié)本次八木天線仿真設(shè)計(jì)，堪稱我目前遇到的課設(shè)當(dāng)中最復(fù)雜、最需耐心細(xì) 心、耗時(shí)最長(zhǎng)、電腦最辛苦的設(shè)計(jì)之一。當(dāng)然付出與收獲成正比，總結(jié)自己的收 獲與反思如下。知識(shí)方面:我惡補(bǔ)了八木天線的相關(guān)內(nèi)容，包括八木天線的發(fā)展歷史、結(jié)構(gòu)、 工作原理、影響天線性能的主要參數(shù)。也算小小彌補(bǔ)了一

11、學(xué)期微波課程自己掌握 極差的遺憾。技能方面:經(jīng)過多次使用HFSS軟件繪制八木天線模型及用其對(duì)八木天線進(jìn) 行仿真，我初步掌握了使用HFSS繪制天線并進(jìn)行仿真的操作，了解了一些查錯(cuò) 改錯(cuò)的方法。經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)方面（沒有經(jīng)驗(yàn)全是教訓(xùn)）：1、HFSS幾次安裝出現(xiàn)問題，還沒有看清界面上的內(nèi)容就隨便點(diǎn)擊了，自己 過于急躁和馬虎，這個(gè)缺點(diǎn)也讓我在后面的建模過程中走了不少?gòu)澛贰?、在繪制天線模型時(shí)，個(gè)別坐標(biāo)輸入錯(cuò)誤，修改之后雖然沒有了錯(cuò)位，但 改變了振子尺寸，工作頻率移動(dòng)到了 600MHz左右，與設(shè)計(jì)要求不符，導(dǎo)致整個(gè) 天線設(shè)計(jì)功虧一簣。3、整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，自己只是按照課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書中的步驟完成了建模，但并 不知道為何選擇這些參數(shù)，更不知道每一步中坐標(biāo)與參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，全多算是 知其然不知其所以然，這些內(nèi)容，在后期自己查找資料和修改模型中才有了初步 了解。4、由于對(duì)原理及軟件使用的不了解，又比較急于求成，每次遇到問題，自 己想到的首先不是自己先看看問題出在哪里，而是直接問同學(xué)、問學(xué)姐、問老師。 在今后的學(xué)習(xí)中，我也會(huì)試著先獨(dú)立思考，找找解決辦法，再去求助。從開始不知道如何安裝軟件，不知道在哪里輸入坐標(biāo)，建模屢次出錯(cuò)，一次 次修改一次次仿真，到得到符合預(yù)期的仿真結(jié)果，一步步雖然過程曲折，但還是 滿滿的成就感。在整個(gè)過程中，感謝我時(shí)常罷工但