微波仿真论坛 - 八木天线的设计仿真与测试(1)
北京交通大学 硕士学位论文 八木天线的设计仿真与测试 姓名：常媛媛 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：
周克生
20211201
北京交通人子硕士学位论文 中文摘耍
中文摘要
摘要：天线在现代通信系统中的作用不可或缺，本文的主要内容就是围绕天 线展丌。论文的主要内容分两个部分：八木天线的设计和参数测量。
本文的第一个主要部分是八木天线的设计仿真，设计基于GSM-R干扰检测定 向用天线的要求。要在GSM-R频段的下行885MHz-8MHz频段内和上行 930MHz-934MHz频段内有高的方向性系数；方向图主瓣半功率角小于40。，并 且副瓣电平足够低(
八木天线有很多分析方法，本文主要介绍了感应电动势法、行波天线的观点、 矩量法与优化算法相结合的方法及现代仿真技术应用于天线设计方法。本文八木 夭线的分析
与设计包括天线部分的设计和平衡不平衡转换结构的设计。通过理论 分析和基于矩量法的仿真软件FEKO和基于有限元法的HFSS设计仿真，得到符 合要求的八木天线?通过仿真得到了天线在两个频段上垂直和水平极化方向的方 向图及相关特性参数、天线输入阻抗、驻波比及带宽等天线设计要求的参数。通 过结果的对比也验证了两种软件的有效性。
本文的第二个主要部分是天线特性参数的测量，包括天线的校准、天线方向 图的测量、天线驻波比的测量。通过理论学习和实际动手操作，详细介绍了测量 方法、测量步骤、测量误差的分析等。
最后，作为八木天线的设计的延续^本文介绍了国外一种新型的八木天线设 计方法，其板状设计易于和基于微带的单片微波集成电路结合共形，极有可能在 未来的通信和雷达系统毫米波成像技术领域得到进一步的应用，为今后进一步的 设计和优化提供了思路。
关键词：八木天线HFSS FEK0 方向系数方向图半功率角驻波比 分类号：TN82
北京交通人7硕+论文 ABSTRACT
ABSTRACT
Antenna plays an important role in present communication system. The main work of this paper focused on the design and measurement of Yagi-Uda antenna.
The first section was the design and simulation of Yagi-Uda antenna. The antenna was used for the detection and direction of interference on the
frequency band of GSM-R. In order to satisfy the requirement of detection and direction, we should manage to get the following antenna parameters: high directional coefficient； the bandwidth should cover the frequency band of GSM-R( 885-934MHz) ； HPBW (half-power-bandwidth of main lobe) <40°,1st side lobe :
There are various methods on the analysis of Yagi-Uda antenna. In this paper，four methods were introduced; voltagc-induction method, the point of traveling wave, MOM combining optimum algorithm and software simulation. I use electromagnetic software HFSS and FEKO for the design. There are two part of my design: antenna and balun design. The horizontal and vertical polarization directional parameters were got, other parameters, Zm9 VSWR, bandwidth, were also got.
The second main part of my work was the measurement of antenna parameters, which include antenna calibration, antenna direction measurement, VSWR measurement. The measurement method and step were describe in detail through theory study and practicc handle. The validity of two kinds of software was also tested through simulation and measurement.
*
Finally, a new kind design of Yagi-Uda antenna was introduced，which was
totally compatible with any microstrip-based MMIC circuitry. I think this antenna find wide applications in wireless communication systems, power combining and phased arrays， as well as millimeter-wave imaging arrays.
KEYWORDS ： Yagi-Uda antenna HFSS FEKO direction coefficient HPBW VSWR
CLASSNO； TN82
致谢
首先要感谢我的导师周克生教授，在我攻读硕士学位期间给予我许多帮助和悉 心指导《从基础知识的学习和科研能力的培养，到论文的选题、深入、成文，周老 师在每一个环节都以他周到细致的分析、敏锐的视角、渊博的知识和对科学研究的 严谨态度对我做了关键性的指引。周老师严谨谦虚的学者风范使我在掌握专业知识 和科学研究方法的同时，也让我领悟到作为一名科技工作者所应该具有的业务素 质、道德品质。周老师以他特有的温和善良也给予我生活上悉心的关心和照顾，在 此表示衷心的感谢！ ！！
感谢电磁兼容实验室的全体老师在我学习期间给予我的热心帮助，特别感谢沙 斐、王凤兰、王国栋、闻映红、朱云老师，在我研究生学习和做毕业论文期间给予 我许多关心和指导。
感谢孟东林师兄在专业知识的学习上给予我极大的帮助。
陈嵩师兄在我论文的完成过程中和平时的学习上都给了我很大的帮助和启迪， 在此表示衷心的感谢。
感谢尹晗芳、张星、姜山、杨飞、王卓、沙长涛、李焕然等同学在我两年半的 研究生学习和生活期间给我的许多无微不至的关心和帮助,和你们的融洽相处也使 我受益匪浅。
感谢众位师弟师妹对我的支持和帮助，大家在一起共同组成了一个温暖的集体 氛围，使我能更投入的完成论文。
感谢我的父母，你们的关心和鼓励是我前进的动力，你们的信任和辛勤的工作 给我营造了一个良好地学习条件，你们永远健康快乐是我最大的心愿。_
最后，向所有给予我关心、支持和帮助的人表示衷心的感谢！ ！！
绪论
1.1概述
第一章绪论
天线在各种无线电技术设备中的作用基本上是相同的。任何无线电技术设备 都是通过电磁波来传送信号的，天线就是这种辐射和接收电磁波的装置，它把发 射设备产生的高�l电流能量转换成电磁波能量，同时又把电磁波能量转换成高频 电流形态的能量《
自马可尼和赫兹发明了天线以来，天线技术经过了 100多年的发展，到目前 为止，天线的类型可谓是五花八门，神类繁多，形式多样不胜枚举。一般按对天 线的分析方法来分共有三大类：
1)
线天线：是指天线结构具有线状结构特点，而且金属导线半径远小于波长 的天
线。如：振子天线、环天线、'螺旋天线等；
2)
面天线或称口径天线：是指电磁波通过一定口径向外辐射的天线。如：喇 叭天
线、板状天线、角反射天线、抛物面天线、栅格天线、卡塞格伦天线等；
3)
天线阵:是指天线的辐射单元按一定规律排列和激励（或称馈电，指馈给 每个
福射单元信号的幅度和相位）的天线群体。如：美国爱ffl者导弹中的相控阵 雷达系统、美F-22战机和俄米格-35战机的机载相控阵雷达系统、预警飞机、导 弹和空间分集移动通信系统等。
目前天线正广泛应用于通信的各个领域，如微波通信天线、卫星通信天线、 微波器件天线、无线公话天线、及应用于汽车上的移动数字电视天线等。从频段 上来讲，已经研
制
出
用
于
GSM/CDMA^
GPRS,ftlS,CDMA2000,3QDECT,
WLAN,
WCDMA,TSC1>MA等领域的天线。各种内置和外置的天线广泛用于手机、无线 公话、无线商务电话、电脑笔记本PC卡、车载电话、无线模块以及其他无线终 端。
12研究内容及国内外研究动态
本文的主要研究内容的原型是基于铁道部GSM-R干扰检测定向用天线的要 求。为了满足干扰定向检测的需要，要有一副方向性能够满足定向检测要求的天 线，对天线的设计束说，要在GSM-R频段的下行885MHz-8MHz频段内和上 行930MHz-934MHz频段内有高的方向性系数，即尖锐的主瓣方向图，并且使副
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