5.3 八木天线设计在线视频

各位同学大家好

这一讲是为大家介绍

八木天线的设计

我是本节课的主讲 卢宏达

我们将从设计思路

仿真测试流程

相关技术扩展等方面

展开介绍

八木天线历史比较悠久

它在19世纪20年代诞生于日本

由于八木天线简易的形式

以及很好的定向辐射特性

它的应用非常广泛

最为人熟知的

是上世纪末常见的电视接收天线

另外在军事方面也有很多应用

比如在单兵作战装备中的应用

以及在机载和舰载的平台上

用来做测控和通信的八木天线阵列

那么八木天线是如何构成的呢

从我们给出的示意图可以看到

天线包含了一个有源振子

和一系列的无源振子

无源振子又分为

反射器和引向器

那么反射器和引向器

是如何工作的呢

我们可以这样理解

有源振子

可以在反射器和引向器上感应出

相应的满足辐射条件的电流

且可以通过

无源振子自身尺寸和位置的设计

使感应场与有源振子辐射场

在想要的辐射方向上产生叠加

从而实现定向辐射

下面具体介绍一下

八木天线的设计思路

我们面对八木天线的设计任务

会有这样几个问题

第一个问题是

每个振子的长度应该怎么确定

所有的振子长度是不是相同的呢

第二个问题是

振子的间距应该如何确定

它们是等间距的吗

第三个问题是

引向器一般添加几个

是不是越多越好

这都是要回答的问题

刚才我们提到的这些问题

都要结合天线本身的性能指标去考虑

从图中我们可以看到

第一个指标是

增益和主瓣宽度

对于常规的八木天线

增益和天线长度呈正比的

和波长呈反比

主瓣宽度和波长以及天线长度

也有相对固定的关系

我们给出了

八木天线的增益

随着振子总数变化的曲线

可以看到

引向器数目比较少的时候

增加一个引向器

增益便可以提升1dB

随着增多到一定数量

每增加一个引向器

增益仅仅提升0.1dB

所以在设计中

需要权衡增益需求和天线尺寸的要求

下一个问题呢

就是无源振子半径应该怎么确定

无源振子的半径

一般根据八木天线的频带要求来确定

通常振子半径选在1/500到1/80波长

那么

有振子的结构和尺寸怎么确定呢

这里直接给出一个经验结论

有源振子可以选

半波振子或者折合振子

一般长度是0.475波长

第四个问题就是

引向器的长度应该怎么选择

这里给出两个方案

第一个方案就是

各个引向器的长度是相等的

一般为0.38到0.44个波长

选择等长度

设计比较容易

但是相对来说频带会比较窄

第二个方案是

各个引向器的长度

随着序号的增加由长到短渐变

比如第一根长度为0.46个波长

后面的长度按照2%到3%递减

这样的优点是可以拓宽频带

但是造成调试和加工会更加繁琐

可以根据实际应用做出选择

下一个问题是

反射器长度如何选择

反射器长度要长于有源振子

它的长度

一般选在0.5到0.55个波长之间

需要注意的是

它的长度

不能短于最低频率相应波长的二分之一

这样才能保证反射器的效果

接下来

引向器的间距如何选择

当然

引向器间距可以是不相等的

但设计也相对复杂

很少被采用

更多采取的是引向器间距相等的方案

一般在0.15到0.4个波长范围内选择

间距比较大的时候方向图的主瓣更窄

输入阻抗的频率响应比较平稳

但副瓣比较大

间距小的时候

副瓣比较低

抗干扰性能好

但增益和方向性较差

最后

我们还要考虑

反射器与有源振子的间距

应该怎么选择

反射器和有源振子之间的距离

一般取0.15到0.23个波长

这个间距会影响到

八木天线的前后比和输入阻抗

当间距在0.15到0.17个波长的时候

它的前后比较高

是我们想要的

但是天线的输入阻抗小

不太容易匹配

当间距到0.2到0.23个波长的时候

它的前后比会比较差

但是天线输入阻抗能够到50-60欧

非常容易与同轴电缆匹配

所以说实际的设计当中

要综合考虑性能问题

以及应用中的阻抗匹配问题

到这里

我们基本上

把最开始提到的几个问题都一一解决了

列出的相关经验值

可以作为八木天线设计的参考

接下来就要进入仿真测试的流程

对于一个常规的八木天线来讲

这里给出了两个思路

第一个思路是

首先设计一个理想馈电的半波振子

然后添加馈电巴伦

也就是平衡不平衡转换器

进而进入到完整的八木天线设计

第二个思路是

基于理想馈电的有源振子

直接添加反射器和引向器

观察辐射性能

最后再设计馈电结构

对于一个半波振子

我们首先关注它的阻抗匹配性能

和辐射方向图

阻抗匹配方面

一般会以驻波比参数去衡量它

或结合史密斯圆图

方向图方面

可以看二维和三维的方向图

三维图更直观一些

二维图更适合去做定量的分析

那添加了巴伦后

半波振子性能会不会受到影响呢

可以看到

添加了一个平衡不平衡转换之后

结构上产生了不对称

进而会造成方向图的轻微不对称

当然

也可以在振子基础上

先添加反射器和引向器

观察阻抗匹配有没有变化

方向图有没有变化

最终

结合我们实际应用中

必须采用的支撑结构

就实现了完整的八木天线

为了更直观的理解

天线到底是如何工作的

可以观察他的整体场分布图

从场图里可以看到

明显产生了定向叠加的效果

对于一个完整的八木天线

也要关注他的阻抗匹配特性

还要看它的E面和H面的方向图

我们从图中可以看到

都呈现了很明显的定向辐射效果

三维辐射方向图表现得更直观

当然我们不仅要关注一个频点的性能

还要关注宽带特性

因此我们会多取几个频点

来看它的性能如何

最终我们可以给出

这样一个仿真设计总结表格

表格里包含了所有要关注的性能

包括波束宽度

副瓣电平带内的驻波比

带内的增益等关键参数

完成了仿真和工程化设计之后

进行八木天线的加工

这里展示了加工完成的八木天线单元

以及由他组成的1X4阵

接下来简单介绍一下天线的测试系统

天线测试

一般会放到微波暗室

或一个空旷场地去进行

目的是为了减少

周边的干扰辐射或者是反射

对测试结果带来的影响

天线端口参数的测试

相对来说比较简单

用网络分析仪来测S11参数

就可以知道它的阻抗匹配性能如何

如果是阵列天线

可能需要观察它多端口的情况

如果测试天线的方向图

就需要有一个（回波的）收发系统

电脑控制端控制网络仪和转台

转台是方向图测试的时候

经常用到的设备

通过它的旋转

来测试目标天线不同方向辐射的强度

最终得到辐射的方向图

测试完之后

就会得到一系列的测试结果

下面两张图给出了中心频率（1.05Ghz）

E面和H面的方向图

这个表格里是对应的

是测试结果表格的所有的参数

一般测试结果都会和仿真结果

做一个详细的对比

它有两个作用

一个作用是

评估我们这次设计

和实物加工

以及测试的流程是否是成功的

第二个作用

是可以找到误差在哪里

以及误差的趋势

这样就可以指导下一次的设计

来采取相应的手段规避这些误差

接下来

为大家带来一些相关的扩展知识

刚才我们已经给出了一种常规的

八木天线的设计方法

而八木天线在这个世纪以来

仍然在不断的发展

产生了一些新型的八木天线

这一页就给出了两款平面准八木天线

他们从形式上有一些区别

但是他们都是利用了PCB板的工艺

左边的这个图里呢有五个引向器

右边的图里只加了一个引向器

也可以实现定向辐射

这样的天线

非常适合集成在电路以及设备当中

宽带的八木天线

要有宽带的有源振子

那么这个宽带的有源振子

选取的是这种单极子的形式

这种形式在超宽带的系统里用到的非常多

它带宽是非常宽的

在有源振子的基础上

添加反射器

以及一系列的引向器

就产生了定向辐射

我们这里把场图也画了出来

可以看到反射器产生了明显的反射效果

引向器上也有很强的耦合场

这样就实现了在图中向

Z轴正方向的定向辐射

我们这里也对比了宽带单极子加上反射器

或引向器对它的辐射性能的影响

可以看到

添加反射器和引向器对定向辐射

有很好的提升的作用

驻波比方面可以看到

这个天线有一个明显的宽带效果

能够达到20%到30%的带宽

这在原来八木天线里面

是见不到的

这是在中心频点

和两个边频的结果

我们看这张图

我们知道这样的一个单极子

一般增益在2dB左右

通过加反射器和引向器

现在的增益在整个频带内

已经提高到了8.5dB以上

形成明显的定向辐射效果

最终呢

我们也加工了一系列的实物进行了测试

得到了相关的测试结果

并把测试结果和仿真结果做了对比

我们看到

阻抗匹配的曲线

吻合的还是非常好的

而且无论从他的天线方向图来看

还是带内的增益来看

这个定向辐射的效果也是非常明显的

接下来再给大家带来一部分扩展内容

现在有很多的新概念

引入到我们天线设计中

比如可重构 多波束

对于八木天线来说

能不能将这两个概念与它结合呢

答案是肯定的

首先是可重构

这里的可重构是指频率可重构

我们给出的例子里

包含了

两种频率的八木天线结构

组成了平面准八木天线阵列

经过添加的开关切换之后

可以实现

两个频率的八木天线辐射

那么另外一个就是多波束

给出的这个例子里包含了三个环形的天线

每个天线的周围

添加了金属的条带

它作为引向器

在每个环形的天线上

会激励出高次模

每一种模都可以看成三个振子天线

加上引向器之后

每个部分都可以实现

类似于草花形状的方向图

分别对三个结构馈电

就可以实现

不同方向的（草花形）的方向图

这样他所有的方向图可以实现

整个空间的覆盖

这就是一个典型的

八木天线 多波束天线的例子

相关的其他扩展其实还有很多

对于八木天线的仿真与设计方面

我们提出几点总结和建议

首先

是从原理上理解指标的要求

第二

是合理处理指标中的矛盾

第三

是设计方案要细化

仿真要由简入繁

第四

是充分考虑工程实现性

第五

是分析瓶颈指标的原因

刚才在前面的讲述中

都有相应的内容

好的

关于八木天线的相关的内容

就为大家介绍到这里

谢谢大家