太原理工大学现代科技学院
设计名称八木天线的仿真设计专业班级
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指导教师
太原理工大学现代科技学院课程设计任务书
的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）
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八木天线的仿真设计
一、八木天线简介
作为电磁换能元件，天线在整个无线电通信系统中位置十分重要，质量好坏直接影响着收发信距离的远近和通联效果，可以说没有了天线也就没有了无线电通信。作为一款经典的定向天线，八木天线在HF、VHF以及UHF波段应用十分广泛，它全称为“八木／宇田天线”，英文名YAGI，是由上世纪二十年代日本东北帝国大学的电机工程学教授八木秀次，在与他的学生宇田新太郎研究短波束时发明的。相对于基本的半波对称振子或者折合振子天线，八木天线增益高、方向性强、抗干扰、作用距离远，并 且构造简单、材料易得、价格低廉、挡风面小、轻巧牢固、架设方便。通常八木天线由一个激励振子（也称主振子）、一个反射振子（又称反射器）和若干个引向振子（又称引向器）组成，相比之下反射器最长，位于紧邻主振子的一侧，引向器都较短，并悉数位于主振子的另一侧，全部振子加起来的数目即为天线的单元数，譬如一副五单元的八木天线就包括一个主振子、一个反射器和三个引向器，结构如图1所示。主振子直接与馈电系统相连，属于有源振子，反射器和引向器都属无源振子，所有振子均处于同一个平面内，并按照一定间距平行固定在一根横贯各振子中心的金属横梁上。 八木天线又称引向天线，是上个世纪二十年代，日本东北大学的八木秀次和宇田太郎两人发明的。八木天线通常由一个有源振子、一个反射器及若干个引向器构成，反射器与引向器都是无源振子，所有振子都排列在一个平面内且相互平行。它们的中点都固定在一根金属杆上，除了有源振子馈电点必须与金属杆绝缘外，无源振子则都与金属杆短路连接。因为金属杆与各个振子垂直，所以金属杆上不感应电流，也不参与辐射。引向器天线的最大辐射方向在垂直于各个振子且由有源振子指向引向器的方向，所以它是一种端
射式天线阵。均匀六元八木天线示意图如下：
图1 六元八木天线示意图
微带天线是20世纪70年代初期研制成功并迅速发展起来的一种天线。和其他微波天线相比，具有如下优点：体积小、重量轻、低剖面，具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面共形的结构，馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产，能与有源器件和电路集成为单一的模块，便于获得圆极化、容易实现双频段、双极化等多功能工作[4。微带天线的突出优点决定了其可以比较自由而充分地利用弹体表面，且安装时不影响弹体结构的强度，很容易实现装置小型化，共形微带天线具有不额外占有空间和对飞行姿态影响小等优点，在航空制导等多个领域具有很大的吸引力。
因此以微带天线理论作为基础，研究八木形式的微带天线，通过优化参数，使其在性能指标上达到更
好的要求，这在工程上有很大的应用价值。
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。
八木天线中，有源振子可以是半波振子，也可以是折合振子一般常用折合振子，以提高八木天线的输入阻抗，以便和馈电线匹配。主要作用是提高辐射能量。无源振子是若干孤立的金属杆，它与馈线和有源振子不直接相连，作用是使辐射的能量集中到天线的端向。．
图2 八单元数字电视八木天线
二、八木天线工作原理
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，从而也产生辐射。改变无源振子的长度及其与有源振子之间的距离，无源振子上感应电流的幅度和相位也随之变化，从而影响有源振子的方向图。若无源振子与有源振子之间的距离小于1/4波长，无源振子比有源振子短时，整个电磁波能量将在无源振子方向增强；无源振子比有源振子长时，将在无源振子方向减弱。比有源振子稍长一点的称反射器，它在有源振子的一侧，起着削弱从这个方向传来的电波或从本天线发射去的电波的作用；比有源振子略短的称引向器，它位于有源振子的另一侧，它能增强从这一侧方向发射出去的电波。通常反射器的长度比有源振子长4~5%，而引向器可以有多个，第1~4个引向器的长度通常比有源振子顺序递减2~5%。
引向器的长度相同、间距相等的八木天线称为均匀引向八木天线，其特点是天线的主瓣窄，方向系数大，整个频带内增益均匀。而当八木天线各个引向器的长度不同，间距亦不相等时叫做非均匀引向八木天线，其特点是天线的主瓣较宽，方向系数较少，工作频带内增益不均匀，但工作频带较宽。但如果将非均匀的引向八木天线的结构设计合理，则可以显著地压缩副瓣，又不致太大扩宽主瓣和降低方向系数。
三、八木天线参数选择
1 、振子数的确定
振子数目可根据天线的主瓣宽度或天线的增益算出，若选择前者，则可
查阅相关资料，由八木天线参数关系图可的振子数目N，若选择后者，则可谓根据八木天线增益表，如右图所示。由图可知，振子达到一定数目后，随着振子数增加，增益已无明显增高。
本次设计选择振子数N=4
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