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Dipole为主振子的Yagi天线的ADS仿真

Yagi-Uda天线,也被翻译为八木-宇田天线,或简称八木天线,是在二十世纪20年代由日本东北大学的八木秀次和宇田太郞两人发明。Yagi天线由一个有源振子、一个无源反射器和若干个无源引向器平行排列而成的端射式天线。

在上面仿真的Dipole天线基础上,仿真增加一个无源反射器和无源引向器的简单的Yagi天线的特性。

1. Dipole天线增加一个无源反射器的影响:
Dipole天线常用于接收电视信号,一个区域内的电视发射塔是一个固定地点,而dipole天线却是可以接收两个方向来的信号,指向性并不强,所以天线增益较低。为了使其具有较好方向性,可以在其一端的一定距离处增加一个横杆,这个横杆如果长度超过dipole振子的长度,就会引起信号的反射,使天线另一个侧的信号增强,而增加的这个较长的横杆被称为反射器。

一般来说,反射器与主振子的间距为波长的1/4到1/2之间。比如使用350mm半臂长度的主振子,反射器使用850mm长度,相互间距300mm,则仿真得到S11曲线:

天线的中心频率为191MHz,变化不大,反射系数为-27dB,有所增加;VSWR<2的带宽为36MHz,相对带宽不到20%。看其Smith圆图:

中心频率处的阻抗有所降低,所以与75Ohm的端口匹配有了变化,造成反射系数的增加,但影响还比较小。这是近场3D图:

图形不太像一个面包圈了,有些变形了,从一个振子臂端看过去有些接近苹果了。从2D剖面图上或者可以看得更清楚一些,特别是90度的剖面:


但如果只看0度的剖面,似乎形状并没有太大变化:


如果缩短反射器与主振子的间距到150mm,小于1/4波长,这时得到的S11曲线为:

可以看到,此时的反射系数就增加很多,中心频率处VSWR已接近2,而VSWR<3的带宽也只有36MHz,天线特性劣化很多。看Smith圆图:

中心频率处阻抗远离了匹配点,特别是实部变成还不到50Ohm,已不能与75Ohm端口很好匹配了。
如果加大二者的间距,达到600mm,接近1/2波长,这时的S11曲线为:

此时中心频率有了升高,反射系数变化不是很多。看其近场的剖面图:

方向性的改变就不是很明显了。也就是说,反射器距离近,对主振子的方向性影响就明显,但对其阻抗影响也较大;如果距离远,对阻抗影响小了,但对方向性的影响也有所减弱。需要适当选择反射器的距离(其实还包括反射器的长度),才能达到性能的兼顾。

2. 再增加引向器对天线特性的影响:
主振子一边加了长度比主振子长的反射器,如果另一边再加一个较短的金属棒,就构成基本的三单元的Yagi-Uda antenna,那个较短棒被称为引向器。这时仿真得到的S11曲线为:

从曲线可以看出,中心频率变化并不大,但反射系数明显增加,天线特性并不好。如果看Smith圆图:

天线中心频率处其实很接近纯阻的,只是这个纯阻已明显低于dipole天线的75Ohm,变为40Ohm左右。当然,如果按40Ohm匹配阻抗时性能最好,但这种阻抗并不常用,一般是用50Ohm来馈电。这时得到的S11曲线为:

此时,中心频率为190MHz,VSWR<3的带宽为27MHz,相对带宽14.4%。Smith圆图为:

可见,八木天线的带宽比dipole天线要窄很多,因为能使反射器与引向器发挥效能的频率范围较窄,这种较强的方向性也是要付出很多代价才能得到的。看其3D图:

从3D图上已可以看出非常明显的方向性了,比只有反射器时要增强很多。2D剖面图为:


上面分别是0度和90度的2D剖面图,从90度的剖面图上明显看出方向性很强了。
架高的八木天线往往也需要有一定高度才能保证其性能。这是按架高2m得到的S11曲线:

因为八木天线的阻抗较低,阻抗匹配变得困难,再加上大地对天线的影响,使其S11特性变得更差。Smith圆图为:

这时仿真得到的近场3D图为:

一个主振子、一个反射器和一个引向器组成的三单元八木天线是结构最简单的一种,一般用于无线电测向等方面,体积相对较小,手持也比较方便。而在架高固定使用的场合,往往要增加更多引向器,常见有三到五个,甚至到10个,使其方向性变得更强。一般来说,因为八木天线的结构会使主振子的阻抗变低,所以实用中比较常用阻抗较高的折合振子做主振子,这样更方便进行阻抗匹配。
从以上的仿真可以看出,使用ADS来估算结构复杂的八木天线也是可以的,这样能把过去费时费力才能完成的实验性很强的天线设计变得更简便和有效率。

(注:以上结果只是使用ADS仿真得到的,因为条件所限,并没有使用网络分析仪验证。)

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