课程设计引向天线的设计(三)

中文摘要

摘要：天线在现代通信系统中的作用不可或缺，本文的主要内容就是围绕天线展开。

八木天线的研究与设计

关键词：八木天线HFSS 方向系数方向图半功率角驻波比

ABSTRACT

Antenna plays an important role in present communication system. The main work of this paper focused on the research and design of Yagi-Uda antenna.

KEYWORDS: Yagi-Uda antenna HFSS direction coefficient HPBW VSRW

引向天线的研究与设计目录

第一章绪论 (2)

1.1概述 (2)

1.2八木天线的分析方法 (3)

第二章八木天线的设计 (4)

2.1八木天线的原理 (4)

2.2软件设计、仿真 (5)

2.3平衡不平衡转换器的设计 (9)

2.6小结 (12)

第三章课程设计心得 (13)

参考文献及附录 (14)

第一章绪论

1.1概述

天线在各种无线电技术设备中的作用基本上是相同的。任何无线电技术设备都是通过电磁波来传送信号的，天线就是这种辐射和接收电磁波的装置，它把发射设备产生的高频电流能量转换成电磁波能量，同时又把电磁波能量转换成高频电流形态的能量。

自马可尼和赫兹发明了天线以来，天线技术经过了loo多年的发展，到目前为止，天线的类型可谓是五花八门，种类繁多，形式多样不胜枚举。一般按对天线的分析方法来分共有三大类：

1)线天线：是指天线结构具有线状结构特点，而且金属导线半径远小于波长的天线。如：振子天线、环天线、‘螺旋天线等；

2)面天线或称口径天线：是指电磁波通过一定口径向外辐射的天线。如一喇叭天线、板状天线、角反射天线、抛物面天线、栅格天线、卡塞格伦天线等；

3)天线阵：是指天线的辐射单元按一定规律排列和激励(或称馈电，指馈给每个辐射单元信号的幅度和相位)的天线群体。如：美国爱国者导弹中的相控阵雷达系统、美F-22战机和俄米格一35战机的机载相控阵雷达系统、预警飞机、导弹和空问分集移动通信系统等。

目前天线正广泛应用于通信的各个领域，如微波通信天线、卫星通信天线、微波器件天线、无线公话天线、及应用于汽车上的移动数字电视天线等。从频段上来讲，已经研制出用于GSM／CDMA GPRS，PHS，CDMA2000，3GDEc置WLAN，WCDMA，TSCDMA等领域的天线。各种内置和外置的天线广泛用于手机、无线公话、无线商务电话、电脑笔记本Pc卡、车载电话、无线模块以及其他无线终端。

对于定向高增益天线，八木天线是经典的种类之一，它由一根有源振子和多根无源振子组成，有源振子可以是半波振子，也可以是折合振子。无源振子通常由一个比有源扳子长的反射器和多个比有源振子短的引向器组成。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来产生辐射，辐射方向指向引向器方向。当改变无源振子的长度及其与有源振子之间的距离时，无源振子上感应电流的幅度及相位也随之而变化，可以影响有源振子的方向图。它的优点是结构简单、增益高、方向性强，其次用它来测向、远距离通信效果特别好。如果再配上仰角和方位旋转控制装置，就能得到良好的干扰检测性能。

上个世纪二十年代，日本东北大学的八木秀次和宇用太郎两人发明了这种天线，被称为“八木宇用天线”，简称“八木天线”，在二次世界大战中陆续推广使用一副典型的八木天线如下图所示。八木天线较偶极天线有高的增益。用它来测向、远距离通信效果特别好。如果再配上仰角和方位旋转控制装置，便可以随心所欲与包括空间飞行器在内的各个方向上的电台联络。

（八木天线实物图）

1.2八木天线的分析方法

分析引向天线的方法有感应电动势法、行波天线的观点及目前广泛采用的计算机辅助设计法。利用计算机辅助设计CAD自从五十年代末发展起来至今，已经在天线设计仿真优化领域发展成一门完整的学科，随着各种结构复杂、功能各异的天线形式不断涌现，人们也在不断的对天线设计仿真手段进行改进和更新，以满足实际项目的更高的需求。EDA仿真软件与电磁场的数值解法密切相关的，不同的仿真软件是根据不同的数值分析方法来进行仿真的。通常，数值解法分为显示和隐示算法，隐示算法(包括所有的频域方法)随着问题的增加，表现出强烈的非线性。显示算法(例如FDTD、FIT方法在处理问题时表现出合理的存储容量和时间。因为微波EDA仿真软件与电磁场的数值算法密切相关，在介绍微波EDA软件之前先简要的介绍一下微波电磁场理论的数值算法。所有的数值算法都是建立在Maxwell方程组之上的，在频域，数值算法有：有限元法(FEM—Finite Element Method)、矩量法(MoM—Method of Moments)，差分法(FDM—Finite Difference Methods)，边界元法(BEM～)，和传输线法(TLM～Transmission-Line-matrix Method)，在时域，数值算法有：时域有限差分法(FDTD—Finite Difference Time Domain)和有限积分法(FFT—Finite Integration Technology)。其中基于矩量法仿真的微波EDA仿真软件主要有：ADS(Advanced Design System)，Ansoft Designer.基于时域有限差分的微波仿真软件主要有：CST MICROWAVE STUDIO等。基于有限元的微波EDA仿真软件主要有Ansoft HFSS和Ansys Emax。

第二章八木天线的设计

2.1八木天线的原理

八木天线(也有人称之为寄生天线，引向天线等)一副典型的八木天线由一个有源的半波振子，一个(或几个)反射器和一个(或几个)引向器组成的线性端射天线。即有一个连接到传输线上的偶极子，还有若干个未连接、等距离或不等距离安装的平行阵列偶极子(作引向器和反向器)。引向器和反向器的作用是将有源振子的能量引到主辐射方向上去。有源阵子由于加有高频电动势，在周围八木天线空间产生电磁场，使得无源阵子中出现感应电动势，产生相对应的高频电流，这些电流在周围空间再衍生电磁场。由于存在无源阵子，根据互感原理在有源阵子上也产生相应的感应电流。所以有源阵子的总电流是激励电流和感应电流之和。当反射器的长度、引向器的长度和它到有源阵子的距离选得适当，使反射器和有源阵子所产生的电磁场在～个方向(反射器的一边)上相抵消，在相反方向上(引向器一边，主辐射方向)上相叠加，这样就可使天线得到单项辐射特性，使天线辐射可以在引向器方向上形成较尖锐的波束。八木天线的单元越多，方向性越强。但是单元的增加不与方向性成正比。单元过多时，导致工作频带变窄，整个天线尺寸也将偏大。

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。

八木天线的设计包括振子尺寸的设计和优化和平衡不平衡转换设计。

首先是振子尺寸的设计和优化。由于八木天线的馈源只有一个，接在馈源上的振子被称为有源振子，有源振子可以选择偶极子也可以选择折合振子，有关折合振子的分析介绍在第二章已经列出过，对于八木天线的有源振子来讲，一般选择折合振子，因为单个折合折子的阻抗较高，而八木天线的其它无源振子加上后会使天线的整个输入阻抗下降，比单根折合振子的输入阻抗要小很多，因此采用折合振子更便于八木天线与馈线的匹配。

八木天线是一种互耦起决定作用的天线，天线的各个振予的长度及其间距的变化对天线的的方向图及其它性能都有影响，对于设计目标来说，可调参数太多，很多天线工程手册上对于八木天线的设计虽都有详细介绍，而且针对一些特定参数要求也给出了工程上的设计方案及经验尺寸，但是对于实际设计来讲，仅靠经验难于取得最好的结果。对于八木天线来说，引向振子间间距选得较大时，方向图主瓣较窄，也就意味着增益相应的高一些，而间距相对较小的话，增益和方向性就会差些：而且引向振子数目越多，增益也越高，所以设计时要考虑使八木天线的方向图变窄的情况下使天线尺寸不至于太大。

影响八木天线方向性图和增益的因素有：

1、引向器的间距选择

2、反射器和有源阵子的间距选择

3、引向器长度选择

4、反射器长度选择等等。

八木天线各个参数的选择范围分别为：

引向器的间距选择：引向器的间距用d表示，选择引向器之间的距离有两种方案，一种是引向器间距不相等；另一种是引向器间距相等。一般来说，若用n表示引

向器数目的序号，第n到第n一1个的d是在0.15-0.4λ乱范围内选择，当选的较大时，方向图主瓣较窄，输入阻抗的频率响应较平稳，但副瓣较大；当选的较小时，副瓣较低，抗干扰性能较好，但增益和方向性差些。因此，若考虑前者，可取d=0．3k若考虑后者，可取d小于等于0．2l不管哪种情况，第一个有源振子与引向器之间的距离应取得更小一些，一般取0．6到Of7个的d(引向器之间的距离)。

反射器与有源振子间的间距选择：反射器与有源振子的距离一般取为(O．15m-0.23)λ。d主要影响八木天线的前后场比和输入阻抗。当d=(O．15-O．17)λ时，前后比较高但天线的输入电阻小(约15．20Ω)当d=(0.20.23)λ时，前后比较低但天线输入电阻大(约5060Ω)，易于同轴电缆匹配

引向器长度选择：有两种方案，第一种是引向器等长度，约取为(O．38．0．44)λ。这种方案的优点是加工和调整较为容易，但频带较窄。第二种方案是个引向器长度随序号增加由长到短渐变。先取第一根引向器长度O．46λ，以后引向器长度则按2-3％的缩短系数递减。这种方案的优点是频带稍宽，但调整和加工麻烦一些

反射器长度选择：反射器长度一般选择在(O．5-0．55)λ之间。但要注意，当所设计的八木天线是在一个频带范围内工作时，反射器长度不宣短于最低频率相应的λ/2。

无源振子半径的确定：无源振子半径是根据八木天线的通频带要求去确定的。2.2软件设计、仿真

采用HFSS的仿真与设计：

HFSS仿真示意图

HFSS的特点是仿真界面简洁直接，可以直接在编辑窗口改变数据以更改仿真模型尺寸，但是仿真过程较复杂。

HFSS仿真建模：

尺寸选择：设八木天线设计频带宽度上的中心频率在910MHz，天线尺寸如下：反射器的长度为0．505λ=168mm，各引向器等长，长度为O.410λ=136mm。折合振子采用中心馈电的矩形截面带状结构，长度为L=O．422λ=140mm，宽度w=9mm，厚度为t=2mm，拐角处用半径为16mm的半圆坏，也即折合振子线距为d=32mm，整个折合的厚度为2mm，由振子阻抗理论可知，此时w<

抗为Zo=120ln(d/a)=120lnll.6~300Ω。反射器和折合振子的间距为0.267λ=92mm，第一个引向器和有源振子的的间距为0.18λ=60mm，各个振子间的间距为0.273λ=91mm。

材料定义：选择天线阵子的材料为铝，相对介电常数为1。

远场边界条件设为辐射边界，辐射边界(Radiation)也被称为吸收边界。辐射边界能够模拟丌放的表面，即波能够朝着辐射边界的方向辐射出去。系统在辐射边界处吸收电磁波，本质上就可把边界看成是延伸到空间无限远处。由于辐射边界可以是任意形状并且靠近结构，这就排除了对球形边界的需要。当结构中包含辐射边界时，远区场计算作为仿真的一部分被完成。由于判断近远场距离场源的距离的准则是r=3λ，当r≧3λ时为远场，当r≦3λ为近场，因此辐射边界定义在距离八木天线3λ处。

为了在更宽的频带范围内观察天线的参数特性，计算频率同样在800—960MHz 之间。仍选择887MH与932MHz作为参考频点：

887MHz时，仿真结果如图所示：

(887MHz八木天线E面方向图)

（887MHz八木天线H面方向图）

由上图可知，887MHz时

E面(水平极化方向)的天线参数为：天线方向性系数为11．457dB：率主瓣宽度为28°～30°；第一副瓣电平为．14．687dB。

H面(垂直极化方向)的天线参数为：天线方向性系数为11．457dB；率主瓣宽度为45°第一副瓣电平为-9．217dB。

932MHz时，仿真结果如图：

（932MHz八木天线E面方向图）

（932MHz八木天线H面方向图）

由上图可知，932MHz时

E面(水平极化方向)的天线参数为：天线方向性系数为10．641dB；方向图半功率主瓣宽度为24°～25°；第一副瓣电平为一12．911dB。

H面(垂直极化方向)的天线参数为：天线方向性系数为10.641dB；方向图半功率主瓣宽度为26°～28°；第一副瓣电平为一9.944dB。

下图是仿真的方向图(3dB)带宽：

（天线方向图带宽）

由上图可知，方向图半功率带宽大于145MHz。

2.3平衡不平衡转换器的设计

平衡转换器是连接平衡传输和非平衡传输的设备，将设备的平衡传输转换成非平衡传输，反之亦可，它隔离传输线，提供平衡输出。在平衡转换器中有一对平衡的终端设备，电流在数值上相等，但相位相反。另外还有一对不平衡的终端设备，其中一端接地，另一端传送信号。平衡转换器广泛于无线通信和电缆通信中，其中，它的～个典型应用就是天线的馈电器。在天线设计过程当中，如果天线是平衡输出，为了使其与信号传输线的不平衡端口相匹配，平衡一不平衡馈电转换将是非常重要的一个环节，它是单元天线的输入输出口，影响天线的平衡，也影响天线的输入阻抗值，没有它的引出，天线将无法正常使用。平衡转换器用作天线馈电器，将完成从平衡到不平衡的馈电转换，使不平衡传输线如同轴电缆设备和天线的平衡馈电端顺利转换并连接。

从天线的四个平衡条件出发n，平衡器可以分成四大类。第一类：抑制外皮电流方式，根掘这一条形成了扼流式平衡器；第二类，电阻对称式，掘此形成了对称式平衡器；第三类，电压平衡式，据此形成了倒相式平衡器；第四类：电流平衡式，掘此形成了磁耦合式平衡器。其中反相式平衡器的作法是通过反相或反接(倒相)，使得天线平衡输出端两个输出头a和b之间满足Va=Vb。微带平衡不平衡馈电器就是天线反相式平衡器设计的一种。最简单的对称线天线就是半波阵振子(或是半波偶极子)，下面谈到的皆是接到半波振子上的，这样做不失去一般性或通用性。

下图所示是一种典型的移相式平衡器，它是通过λ/2的电缆传输线在设计频率上满足Va=-Vb，因而是一种窄带平衡器，并进行4：l阻抗交换。

半波长U形环模型半波长U形环等效电路

其中，Z3是天线的共模阻抗，Za是天线自身的阻抗，Zl是同轴线对地的阻抗，ab段的长度即为半波长。由传输线理论可知，半波长的传输线电压相位相差π，即电压大小相等，相位相反，因两使天线的两个平衡馈电点a、b满足倒相要求，而在输出端接同轴线等不平衡传输线设备，从而完成天线馈电的平衡不平衡转换转换。

在聚四氟环氧乙烯的介质基板上，设计一个简单的微带传输线。基板厚1．509mm，如果要使微带线的特性阻抗为50欧姆，假设W/h≧1，则由计算得出微带线的宽度是2．869mm，用HFSS建模仿真，将微带线的两截断端作为两个集总端口，并得到接传输线的端口的S参数和阻抗特性如下：

端口S参数和特性阻抗

Ansoft HFSS来仿真此平衡不平衡转换器：将辐射边界条件放置在距离辐射体十分之一到四分之一波长的地方，在主辐射方向上，设置在四分之一波长以外，本文微带上导体带设为距离辐射边界四分之一波长，理想电导体接地板为pec结

构，由于下方没有场，所以不必设置。而左右离辐射边界可以放在稍近的地方。

（微带平衡不平衡转换器仿真示意图）

选用介质介电系数为4.4的环氧树脂作介质基板，微带线的宽度和λ／2长度则由本文第二部分列出的公式(4．9)、(4，10)，并利用HFSS的优化选项确定一一首先选定介质参数和中心频率，然后对微带线的长度和宽度进行变量优化：由前文工程公式的计算得到近似解，并以此为依据选定尺寸范围，进行优化，观察驻波比的变化，使得VSWR的值在设计的频带内最小，并满足特性阻抗为50Ω的要求。最终得到的尺寸为：微带线宽2mm，介质基片的厚度为1．509mm,λe／2(有效半波长)为98mm，“U”形微带线连接馈源直边长度是40mm，另一直边连接馈源倾部分线段长度是13mm，连接倾斜部分与“u”形底部的线段长32mm，“u”形底部线段长13m。微带线的厚度为0．1mm。基片底部涂一层薄薄的接地金属层厚度为0．1mm，板子的尺寸是长×宽=48mm×39mm。在仿真模型中把微带线的平衡接入端和不平衡接入端两个端口分别设为集总端(lumpedPort2和lumpedPort1 )，由于微带线接折合振子的两个馈电端，λ／2长的传输线从一

个振子臂的馈电端经过微带表面的介质层连接到另一个振子臂的馈电端，看起来

呈“u”字形。天线没有接阻抗变换器时的输入阻抗示意图如下图所示，由第一部分分析的结果可知，此微带传输线结构除了使平衡馈电转换成不平衡，还将完成4：1的阻抗变换。从下图中可以看出天线在885．934MHz时的阻抗大约是180Ω一268Ω之间，通过阻抗变换可使变换在45Ω～67Ω之间，从而与50Ω的同轴线匹配，这些预想的结果要在实验模型中得到恰当的验证，必须得到在设计频率上的的，或电压驻波比VSWR，使其满足规定的昭职s1．5的要求。仿真时分别在LumpedPort2上加50Ω的传输线特性阻抗，LumpedPort2接天线馈电端。

（天线阻抗）

由图的对比可知，平衡不平衡转换基本上完成了4：1的阻抗变换，并且实测和仿真结果整体上有20Ω的差别，有待于进一步完善，但是基本上实现了预期的设计。

下图所示为仿真和实测的天线驻波比：

VSWR仿真结果曲线

VSWR实测结果曲线

仿真时分别在LumpedPortl上加50Ω的传输线特性阻抗LumpedPort2接天线馈电端。VAWR的仿真结果和实测结果依次如上图所示。

由本次设计仿真得出结果：设计的八木天线的阻抗带宽为75MHz(驻波比1．5以下)；半功率方向性角在885．889MHz时为36-38°左右，而930—934MHz时32．34°；输入阻抗在885—934MHz频带内约40Ω左右。

2.6小结

讲述了八木天线的设计方法，通过软件和实测得到了比较合理的结果，从天线参

数的结果来看，基本上满足了设计预计的要求；

第三章课程设计心得

通过本文的分析设计和仿真，完成了八木天线的设计。通过理论分析和仿真软件HFSS设计仿真，得到符合要求的八木天线。通过仿真得到了天线在两个频段上垂直和水平极化方向的方向图及相关特参数、天线输入阻抗、驻波比及带宽等天线设计要求的参数。本次天线的设计在885MHz．889MHz

频段内和上行930MHz．934MHz频段内有高的方向性系数；方向图主瓣半功率角小于40°，并且副瓣电平不影响干扰检测定向的程度内(<=9dB)；天线阻抗带宽(vSWR<1．5)要覆盖885—934MHz的频带，即带宽大于50MHz；天线尺寸长78．9cm，最大宽度14cm，满足了移动检测的便携式要求。

对于天线特性参数的测量，包括天线的校准、天线方向图的测量、天线驻波比的测量，通过理论学习和实际动手操作，在详细了解测量方法、测量步骤、测量误差的分析的基础上对实际操作有了比较深刻的理解。

参考文献及附录

网络

宋铮张建华–天线与电波传播李明洋—HFSS天线设计