八木天线的FEKO仿真与优化.pdf

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1、八木天线的FEKO仿真与优化SimulationAndOptimizationOfYagiAntenna赵工（深圳518001）摘要：从折合振子开始，通过一步步增加无源振子，并使之成为发射器或引向器，并不断使用FEKO优化各无源振子长度及相邻振子之间的间距，使组成的八木天线达到最佳方向性和端射的最大增益。关键字：FEKO折合振子无源发射器无源引向器FEKO优化Abstract：Addedaparallelconductorrodtoafoldeddipoleantennawillchangethedirectivityandgainoftheant

2、enna.Stepbystep,morepassiverodsaddedintheantennaandconstitutedatraditionalYagiantenna.Optimizedthedistanceoftworodsandthelengthofeveryrodtogetthebestdirectivityandmaximumgain.KeyWords:FEKO,Yagiantenna,directorelements,reflector,optimization1.概述：八木天线，是一种结构相对简单的方向性天线，常用作室外电视接收天线

3、或测向天线。因为是由日本东北大学的八木秀次和宇田太郞两人发明，所以被称为“八木宇田天线”，简称“八木天线”。八木天线一般是由一根连接馈线的有源振子和多个无源振子平行排列组成，其中一根无源振子比有源振子略长，放在天线的一侧，称为反射器，而其他的无源振子则比有源振子略短，放在有源振子的另一侧，称为引向器。加上反射器与引向器的八木天线，其中心频率点的输入阻抗比单独一根有源振子的阻抗大大降低，所以一般使用阻抗较高的折合振子作为有源振子。最简单的八木天线是由一个有源振子、一个反射器和一个引向器组成，加上起连接和支撑作用的骨架，形成汉字的“王”字。这种三单元八

4、木天线已具有很好的方向性，而且体积较小，常用于无线电测向。而室外电视接收天线因为不需要经常移动，可以使用体积更大而增益更高的多引向器八木天线。不过，八木天线一般不超过十单元，因为更多的无源振子对性能影响已非常小。2.有源折合振子：这里仿真使用的八木天线中心频率为200MHz，（真空中）波长相应约1.5m。设置变量lambda=1.5，两平行臂间距distance=0.01，设置天线臂长缩短因子ratio，初始值为1。使用的有源折合振子是用一段折线和一段直线组成的金属框，其中折线端点设置为：而直线部分的坐标设置为：然后要用Construct菜单下的U

5、nion工具将二者合并，形成一个一体的矩形框。折合振子是在一条长边的中心点馈电，设为线端口，电压源为馈源，阻抗设为300欧姆。此折合振子经仿真优化，得到ratio=0.93时其中心频率在200MHz附近，S11曲线为：而200MHz时增益的3D图为（右侧为dB值）：中心频率200MHz时天线臂上电流分布为：3.添加发射器的仿真：首先要在有源折合振子的一边添加一个长度比折合振子略长的导体杆，然后优化其长度和二者间距，以达到最佳的方向性。1）设置变量：这里要增加4个变量，其中l1、d1分别表示反射器导体杆的长度及与折合振子的间距，其实分别为二分之一波长

6、和四分之一波长。为了优化方便，还设置了两个优化因子rl1、rd1，初始值分别为1和1.2。2）添加长导体杆：使用Construct菜单的Line工具，在有源振子的一侧距离d1处增加一段长度为l1的导体：3）仿真输出选项设置：为了仿真加上反射器后的折合振子天线特性的改变，注重看远场的特性，除了仿真结果要输出远场3D图，还要仿真输出XOY（UOV）平面的剖面图。在远场设置对话框中选择Horizontalcut（UVplate），得到FarField2设置：馈电口的S11已在默认的输出设置中，不需要专门进行设置。4）仿真结果显示：仿真频率设为100MHz

7、到300MHz，然后设置网格，完成后即可运行仿真。仿真完成后打开POSTFEKO，查看输出结果。先看200MHz时远场的3D图，已变成像颗蚕豆。可以看到，增益最大方向在比折合振子略长的无源导体杆的相反方向，此导体杆的加入起到反射电磁波的作用，所以称为发射器。为了看UV平面的2D图形，使用极坐标系比较直观：然后点选Farfield图标中的下拉列表中的Farfield2，得到图形：要在右侧的显示面板中选择显示200MHz的远场2D图，其他频率点的图形是有明显差别的。为了在2D图上显示关键点数值，使用Measure菜单的Beamwidth工具图标，这里选

8、择半功率点(-3dB)标注，得到图形：还可以使用Cursor工具，图形上出现虚实两条半径线，用鼠标移动到前向和后向点（18