CAD天线设计 大作业——西电

天线CAD大作业

班级：021114

学号：02111362

姓名：

八木—宇田天线

基本要求：

工作频带2.4-2.5GHz，带内增益≥11.0dBi，VSWR≤2:1，考虑平衡—不平衡馈电问题。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等。（80分）

拓展要求：

检索文献，学习并理解展宽八木-宇田天线带宽的方法，尝试将工作频带扩至2.3-2.69GHz，总结设计经验。（20分）

原理：

八木-宇田天线是由一个有源振子（一般用折合振子）、一个无源反射器和若干个无源引向器平行排列而成的端射式天线。

单个半波振子在子午面上有两个最大辐射方向，而在赤道面上为均匀辐射。为了提高增益和获得单向辐射，可在半波振子的前后平行放置引向器和反射器。一个由两个对称振子平行排列的二元天线阵，只要适当调整它们之间的距离和激励电流的关系，就可使它们共同产生的辐射在两振子中心连线的某一方向增强，而在相反方向减弱甚至完全抵消。假定其中一个振子为主振子，另一为附加振子，当附加振子的作用是将主振子的最大辐射方向引到自己的方向时,这一附加振子称为引向器,反之称为反射器。附加振子可以是有源的，也可以是无源的。八木-宇田天线的引向器和反射器都是无源的,统称为寄生振子。寄生振子上的电流大小和相位决定于振子的间距和寄生振子的电抗，后者可通过改变它的长度或串入一可变电抗加以调整。欲使寄生振子成为引向器，它的输入阻抗应为容性，长度应小于半波长。反之，反射器的输入阻抗应为感性，长度应大于半波长。有源振子的长度通常取其第一个谐振长度，约0.48λ，反射器与有源振子之间的距离约为0.15～0.25λ，引向器与有源振子之间的距离约为0.1～0.35λ。反射器一般只需要一个，因为它后面的场强已经很弱，再增加反射器作用也不大，而增加引向器的数目，天线的轴向长度亦随之增加,可以提高天线的增益、减小主瓣宽度。元数很多的长八木天线实质上是一个端射式表面波行波天线。

设计分析:

八木天线设计参量主要包括：反射振子长度，有源振子长度，引向振子长度，反射阵子与有源振子间距，引向振子与有源振子间距，引向振子间距。参看经验公式，初步确定各项参数如下：

反射振子长度：0.55*λ有源振子长度：0.47*λ

引向振子长度：0.44*λ（各个引向振子等长）反射阵子与有源振子间距：0.2*λ

引向振子与有源振子间距：0.16*λ引向振子1和2间距：0.25*λ

引向振子2和3间距：0.35*λ引向振子3和4间距：0.32*λ

引向振子4和5间距：0.33*λ引向振子5和6间距：0.42*λ

引向振子6和7间距：0.43*λ

即N=9的八木天线，将数据带入Matlab程序验证，结果如下:

从结果可以看出，增益为13.56dB满足设计要求。故按照以上设计参数进行仿真

建模仿真:

本次仿真采用FEKO软件进行，添加设计变量，画图建模，添加激励，最后给出计算场。得到模型如下：

运行仿真，增益结果如下图:

可以看到增益约为11dB，不满足设计要求，故改变模型设置，由书中介绍了解到，增加振子元数可以有效提升增益，故做出如下改动：

增加一个振子名为振子8，振子长度为0.44*λ，与前一振子间距为0.43*λ，得到效果图如下：

进行仿真，得到结果如下：

驻波比：

如图所示：增益为13.37dB，驻波比在谐振频率处为1.26，满足设计要求。

小结:

通过以上对八木天线的设计仿真，我发现八木天线的设计大多依赖经验公式，由于天线阵辐射电流计算复杂，故运用经验指标可以大大节省设计时间。在第一次对模型进行仿真时，结果并不与Matlab计算结果完全相符，可见Matlab是一种趋于理想的算法，而在FEKO

中则会考虑到更多诸如边界条件，振子材质等等因素，这点突出了理论与实践相结合的必要性。同时未能将模型制作成实体，也是一种遗憾，希望以后有机会制作一个实体，加深对于天线的认知。