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八木天线的仿真设计一、八木天线简介：上个世纪二十年代，日本东北大学的八木秀次和宇田太郞两人发明了这种天线，被称为“八木宇田天线”，简称“八木天线”。八木天线（YaGiAntenna）也叫引向天线或波导天线，它是由HF，到VHF，UHF波段中最常用的方向性天线。八木天线是由一个有源激励振子和若干无源振子组成，所有振子都平行装制在同一平面上。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，便于和馈电线匹配。主要作用是提高辐射能量。至于无源振子根据它的功能可以分为反射器和引向器两种。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个导向器的长度通常比有源振子顺序递减2～5%。二、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。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。三、设计要求：1、引向器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。不管什么情况下，第一根引向器振子与有源振子之间的距离应取得更小一些，一般取（0.6-0.7）其他引向器间距。2、反射器与有源振子的间距选择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。3、引向器长度的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。先取第一根引向器长度为0.46波长，以后的引向器长度则按2-3％的缩短系数递减。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。4、反射器长度的选择反射器长度一般选在0.5-0.55波长之间。其长度不能短于设计最低频率相应的1/2波长。5、无源振子半径的确定无源振子的半径是根据八木天线通频带要求来确定的。通常振子半径选在1/（500-80）波长。6、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。四、设计示意图：五、设计指标：本次设计就是基于天线基础理论以及熟悉掌握HFSS10的软件基础上，设计一个六元八木天线，其工作频率为f=300MHZ，分析其远区辐射场特性以及S曲线。其相关参数如下：λ=c/f=1m阵子直径2a=0.0052λ2lref=0.5λ2ldri=0.47λ2l1=2l2=2l3=2l4=0.43λdref=0.3λddri=0.30λd1=d2=d3=0.25λ六、仿真结果：1.结构模型：2.3D极坐标图3.参数未动之前：S曲线2D辐射远场方向图：（phi=0）由于在中心频率，即300MHZ处，未达到-10dB以下，故需要修改参数，一般通过改变阵子间距或者是阵子长度来达到设计要求。修改1：将反射器到折合阵子的距离修改为0.25λ，即dref=0.25λ，其它参数不改变：S曲线：2D辐射远场方向图：（phi=0）由S曲线可以看出，通过改变阵子间距取得了一定的效果，但还是离-10dB有一些差距。修改2：在修改1的基础上，改变与下半部分U型管连接的Arm_22的半径，即a=0.0016得到：S曲线：2D辐射远场方向图：（phi=0）从S曲线上可以看出，改变Arm_22的半径，能够使反射系数像-10dB靠拢，但还是没有到达。修改3：仅改变平衡器Balun的半径,即另a=0.03得到：S曲线：2D辐射远场方向图：（phi=0）由S曲线可以看出通过改变平衡器的半径，能够很好地达到设计要求，远场图也是符合设计要求。修改四：通过同时修改平衡器和Arm_22的参数，即另两者的半径分别为0.03和0.001得到：S曲线：2D辐射远场方向图：（phi=0）由方向图和反射系数曲线可以看出，同时改变平衡器和Arm_22的半径，也能达到设计要求。七、课设总结：