八木天线设计与仿真：GSM-R干扰定向应用

"该文是北京交通大学常媛媛的硕士学位论文，主要研究八木天线的设计与测试。文章根据GSM-R干扰检测定向天线的需求，设计了一种八木天线，要求在GSM-R频段具有高方向性，主瓣半功率角小于40°，副瓣电平低，驻波比小于1.5，并满足便携式需求。文中探讨了多种分析方法，如感应电动势法、行波天线观点、矩量法与优化算法，使用FEKO和HFSS软件进行仿真设计。此外，还详述了天线特性的测量方法，包括校准、方向图测量和驻波比测量。最后，介绍了一种新型八木天线设计，有望在毫米波成像技术中应用。" 八木天线是一种由日本东北大学的八木秀次和宇用太郎发明的定向天线，因其具有较高的增益而被广泛应用在测向和远距离通信中。它的设计要求主要包括以下几个方面： 1. 高方向性：在GSM-R的下行频率885MHz至889MHz和上行频率930MHz至934MHz范围内，八木天线需要展现出良好的方向性，以便于干扰检测。 2. 主瓣半功率角：方向图主瓣的半功率角需小于40°，这意味着天线的主要辐射能量集中在较窄的角度内，增强了信号的定向传播能力。 3. 驻波比：在设计的频段内，天线的驻波比应小于1.5，这确保了天线与馈线之间良好的匹配，减少信号反射和能量损失。 4. 副瓣电平：副瓣电平需要控制在较低水平（< -9dB），以防止非定向辐射对检测的影响。 5. 阻抗带宽：天线的阻抗带宽应覆盖885MHz至934MHz，保证在全频段内能有效工作。 6. 便携性：为了适应移动检测的需求，八木天线需要设计成便携式，方便携带。 设计过程中，论文作者采用了感应电动势法、行波天线理论、矩量法以及优化算法，结合现代仿真软件FEKO和HFSS进行建模和仿真。通过这些工具，设计出了符合要求的八木天线，并通过仿真得到了天线的垂直和水平极化方向图、输入阻抗、驻波比和带宽等关键参数。同时，通过对仿真结果的比较，验证了这两种软件的准确性。 论文的另一部分涉及天线特性的实际测量，包括天线的校准、方向图的实地测量和驻波比的测定，详细阐述了测量方法、步骤和误差分析。 最后，论文介绍了一种新颖的八木天线设计，其平板结构有利于与微带单片微波集成电路结合，可能在未来通信和雷达系统的毫米波成像技术中发挥重要作用，为后续设计和优化提供了新的思路。 关键词：八木天线、HFSS、FEKO、方向系数、方向图、半功率角、驻波比。