一种超短波宽带八木天线的仿真与设计.pdf

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科技创新导报2022 NO.30 Science and Technology Innovation Herald智 能 智 造 与 信 息 技 术一种超短波宽带八木天线的仿真与设计王子华1 刘玉龙1 段常青2 何绍林1（1.中国电波传播研究所 山东青岛 266107；2.中国电子科技网络信息安全有限公司 四川成都 610041）摘要：本文设计了一种工作在超短波波段的宽带八木天线，使用电磁仿真软件FEKO建模计算，通过馈电振子与引向器近距离耦合的方式改善天线的阻抗特性，使天线在VSWR2.5条件下的带宽达到了22%。相比于常规的八木天线，该设计将八木天线的带宽提高了1倍，给出了4种天线型式的仿真结果，并进行了对比，清晰地展示了设计的思路和过程，并对比了带宽提高前后天线的方向图和增益，分析了天线结构改变对天线方向性性能的影响。关键词：八木天线 宽带 FEKO 近距离耦合中图分类号：TN823.17文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)10(c)-0101-04Simulation and Design of an VHF Broadband Yagi-Uda AntennaWANG Zihua1 LIU Yulong1 DUAN Changqing2 HE Shaolin1(1.China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao,Shandong Province,266107 China;2.China Electronics Technology Cyber Security Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan Province,610041 China)Abstract:A broadband Yagi-Uda antenna working in VHF with broadband is designed and simulated with the electromagnetic software of FEKO.The impedance characteristics of the antenna are improved by means of close coupling between the feed dipole and the deflector,so that the bandwidth of the antenna under the condition of VSWR2.5 can reach 22%.Compared with the conventional Yagi-Uda antenna,the bandwidth of the Yagi-Uda antenna is doubled by this design.The simulation results of four antenna types are presented and compared,which clearly shows the design ideas and process.The pattern and gain of antenna before and after bandwidth improvement are compared,and the influence of antenna structure change on antenna directivity is analyzed.Key Words:Yagi-Uda antenna;Broadband;FEKO;Close coupling八木天线又称引向天线，广泛应用于米波（超短波）和分米波的通信、雷达、电视、测向、导航领域。八木天线的结构如图1所示，它通常是由一个半波馈电振子、一个反射振子和若干个引向振子组成。反射振子和引向振子均为无源振子，又称为反射器和引向器。八木天线的优点是高增益、结构简洁，缺点是带宽较窄1。为了提高八木天线的带宽，本文中设计了一种近距离耦合式馈电的八木天线，大幅拉近馈电振子与引向器DOI：10.16660/ki.1674-098X.2207-5640-1217作者简介：王子华（1983），男，硕士，工程师，研究方向为天线理论与设计、电磁场数值计算。刘玉龙（1979），男，博士，研究员级高工，研究方向为天线理论与设计、电磁场数值计算、定向天线测向。段常青（1984），男，本科，工程师，研究方向为战场频谱管理、系统间电磁兼容、大数据处理。101科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald智 能 智 造 与 信 息 技 术的距离，通过近距离耦合，改善天线的阻抗特性，并改进馈电振子的形式，将八木天线的带宽增大了一倍。1 理论分析及设计1.1 八木天线的工作原理首先，可以将八木天线的馈电振子、反射器、引向器看成一个端射天线阵。八木天线实现定向辐射的主要原因是：阵列单元间的间距和电流相位关系满足了端射天线阵的条件，客观上使某个单元起到了反射器的作用，使某些单元起到了引向器的作用2-3。如图2所示，以二元天线阵为例，阵列在P点产生的总场强为：E=E0+E1=E0(1+mej)，其中，m=I1/I0，为两天线上电流绝对值的比，=dcos-，电流I1较I0滞后角。I1=mI0e-ja由此可见，天线阵的总场强是由两部分相乘得到的。第一部分E0是天线元0在P点产生的场强，它只与天线元0的类型，即天线元的方向图函数有关；第二部分(1+mej)取决于两天线间的电流比值和相对位置，与天线元的型式无关，称为阵因子4-5。为了简化天线结构，八木天线仅选一对振子做有源振子，其余振子由无源金属棒代替，它们在有源振子激励下产生感应电流。感应电流的幅度和相位取决于无源振子和有源振子间的间距及无源振子本身的长度和粗细6，调节无源振子的长度和振子间距离，就可以使无源振子中电流的相位满足引向器或反射器的相位条件。在理论分析中，关于振子长度和间距在何种取值范围内可实现反射器或引向器的功能，是比较复杂的，因此，前人通过实践总结了如下规律：振子间距通常取0.150.4的范围，在该范围内，当振子长度L较小于谐振长度L0时，无源振子为引向器；L L0时，无源振子为反射器7-9。天线具体结构尺寸的确定应利用理论分析和工程经验首先划定一个范围，然后通过仿真计算的方式进行优化，最后通过试验件实测微调，完成产品设计10。在天线的设计过程中，仿真计算、优化是一种基于“模型试验”的快速、低成本的设计手段，尤其对于超短波、短波等尺寸较大的天线，采用实物试验的方式调整天线结构，改进设计，周期长，成本高，精确、有效的仿真计 算 是 缩 短 产 品 周 期 和 降 低 设 计 成 本 的 有 效手段11-12。1.2 八木天线仿真计算根据八木天线工作原理，对天线建模并进行仿真计算，仿真软件为EMSS公司的FEKO（Suite7.0版本）。图3（a）所示为5元八木天线，设计中心频率F0=43MHz，中 心 波 长0=6.98m，反 射 器L1=0.50=3.49m，馈电振子L2=0.470=3.28m，引向器L3=L4=L5=0.4060=2.83m，振 子 间 距d1=d2=d3=d4=0.150=1.05m，振子截面半径r=0.001250=8.7mm，匹配阻抗50。图3（b）所示为改进图3（a）后的天线形式，反射器L1=3.49m，馈 电 振 子L2=3.28m，引 向 器L3=L4=L5=2.83m，振子间距d1=1.75m，d2=0.2m，d3=d4=1.05m，振子截面半径r=8.7mm，匹配阻抗50。图3（c）所示为改进图3（b）后的天线形式，将馈电振子改为X型，馈电振子单臂长l2=L2/2=1.64m，振子夹角20，其余尺寸较图 3（b）保持不变，匹配阻抗10013。图3（d）所示将馈电振子改为折合振子形式，折合振子长、宽分别为3.28m和0.1m，其余尺寸较图3（c）保持不变，匹配阻抗200。图2二元天线阵图1八木天线102科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 智 能 智 造 与 信 息 技 术1.3 仿真计算结果及分析如图4所示，天线1、天线2、天线3、天线4分别对应图3中的天线模型。从仿真结果可以看出：调整馈电振子位置，将它从反射器与第一引向器中间位置移至距引向器0.2m位置，可改善天线阻抗特性，将天线带宽提高；将馈电振子设计成X型，天线带宽再次得到提高，天线3与天线1相比带宽提高1倍，从11%提高至22%（VSWR2.5）；将馈电振子设计成折合振子形式，提高了天线的输入阻抗（电阻变大，电抗模值变大，图5所示），在馈电时，方便采用不同形式的不平衡平衡变换器进行匹配。天线带宽提高后，为考量天线改进后的辐射特性变化，计算了天线的方向图和增益，并在图6和表1中列出。计算结果显示：改进后的天线与原天线相比，垂直面波束宽度略大，天线增益略低。分析该结果产生的原因为：调整馈电振子结构和振子间距，改善了天线的阻抗特性，增大了带宽，同时，第一根引向器引向作用减弱，导致方向图略变宽，增益略降低。2 结语本文设计了一种工作在超短波波段的宽带八木天线，通过馈电振子与引向器近距离耦合的方式改善天线的阻抗特性，将八木天线的带宽提高了1倍，达到了22%（VSWR2.5）。通过电磁仿真软件（FEKO）优化设计，并给出了4种八木天线的结构尺寸和仿真结果，清晰地展示了设计思路和过程。为了便于馈电，给出了2 种馈电振子形式（X 型和折合振子），分别适用于100和200的阻抗匹配。（a）天线1（c）天线3（b）天线2（d）天线4图3八木天线仿真模型图4驻波（带宽）比较图5天线输入阻抗103科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald智 能 智 造 与 信 息 技 术参考文献1 BALANIS C A.Antenna theory:analysis and design,2nd EditionM.New York:John Wiley&Sons,1997.2 谢处方,邱文杰.天线原理与设计M.成都：电子科技大学出版社,2006.3 张涛,宋婷,李晓明,等.弯曲阵面机载共形阵列雷达方向图与杂波相关性研究J.电子与信息学报,2021(3):572-579.4 SUN LIBIN,HOU YUEFENG,LI YUE,et al.An open 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