八木天線(xiàn)的原理和自制教程分享

　　作為電磁換能元件，天線(xiàn)在整個(gè)無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)中位置十分重要，質(zhì)量好壞直接影響著收發(fā)信距離的遠(yuǎn)近和通聯(lián)效果，可以說(shuō)沒(méi)有了天線(xiàn)也就沒(méi)有了無(wú)線(xiàn)電通信。

　　作為一款經(jīng)典的定向天線(xiàn)，八木天線(xiàn)在HF、VHF以及UHF波段應(yīng)用十分廣泛。八木天線(xiàn)由一個(gè)有源振子(一般用折合振子)、一個(gè)無(wú)源反射器和若干個(gè)無(wú)源引向器平行排列而成的端射式天線(xiàn)。在二十世紀(jì)20年代，由日本東北大學(xué)的八木秀次和宇田太郞兩人發(fā)明了這種天線(xiàn)，被稱(chēng)為“八木宇田天線(xiàn)”，簡(jiǎn)稱(chēng)“八木天線(xiàn)”。本文首先介紹了八木天線(xiàn)的原理，其次闡述了自制八木天線(xiàn)的過(guò)程，具體的跟隨小編一起來(lái)了解一下吧。

　　八木天線(xiàn)的原理

　　八木天線(xiàn)定向工作的原理，可依據(jù)電磁學(xué)理論進(jìn)行詳盡地?cái)?shù)學(xué)推導(dǎo)，但是比較繁瑣復(fù)雜，普通讀者也不易理解，這里只做定性的簡(jiǎn)單分析：我們知道，與天線(xiàn)電氣指標(biāo)密切相關(guān)的是波長(zhǎng)λ，長(zhǎng)度略長(zhǎng)于λ/4整數(shù)倍的導(dǎo)線(xiàn)呈電感性，長(zhǎng)度略短于λ/4整數(shù)倍的導(dǎo)線(xiàn)呈電容性。

　　由于主振子L采用長(zhǎng)約λ/2的半波對(duì)稱(chēng)振子或半波折合振子，在中心頻點(diǎn)工作時(shí)處于諧振狀態(tài)，阻抗呈現(xiàn)為純電阻，而反射器A比主振子略長(zhǎng)，呈現(xiàn)感性，假設(shè)兩者間距a為λ/4，以接收狀態(tài)為例，從天線(xiàn)前方某點(diǎn)過(guò)來(lái)的電磁波將先到達(dá)主振子，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε1和感應(yīng)電流I1，再經(jīng)λ/4的距離后電磁波方到達(dá)反射器，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε2和感應(yīng)電流I2，因空間上相差λ/4的路程，故ε2比ε1滯后90°，又因反射器呈感性I2比ε2滯后90°，所以I2比ε1滯后180°，反射器感應(yīng)電流I2產(chǎn)生輻射到達(dá)主振子形成的磁場(chǎng)H2又比I2滯后90°，根據(jù)電磁感應(yīng)定律H2在主振子上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε1‘比H2滯后90°，也就是ε1比ε1滯后360°，即反射器在主振子產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε1‘與電磁信號(hào)源直接產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε1是同相的，天線(xiàn)輸出電壓為兩者之和。

　　同理可推導(dǎo)出，對(duì)天線(xiàn)后方某點(diǎn)來(lái)的信號(hào)，反射器在主振子產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與信號(hào)直接產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是反相的，起到了抵消輸出的作用。而引向器B、C、D等都比主振子略短，阻抗呈容性，假定振子間距b、c、d也等于λ/4，按上述方法也可推出引向器對(duì)前方過(guò)來(lái)的信號(hào)起著增強(qiáng)天線(xiàn)輸出的作用。綜上所述，反射器能夠有效消除天線(xiàn)方向圖后瓣，并和引向器共同增強(qiáng)天線(xiàn)對(duì)前方信號(hào)的靈敏度，使天線(xiàn)具有了強(qiáng)方向性，提高了天線(xiàn)增益。對(duì)于發(fā)射狀態(tài)，推導(dǎo)過(guò)程亦然。實(shí)際制作過(guò)程中，通過(guò)縝密設(shè)計(jì)和適當(dāng)調(diào)整各振子的長(zhǎng)度及其間距，就能獲得工作在不同中心頻點(diǎn)、具有一定帶寬、一定阻抗值和較好端射方向圖的八木天線(xiàn)。

　八木天線(xiàn)制作過(guò)程

　　八木天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由一個(gè)有源振子，一個(gè)反射器和若干根引向器組成。其中稍長(zhǎng)于有源振子的反射器起反射能量作用，較有源振子稍短的引向器起引導(dǎo)能量的作用。有源振子兩側(cè)的反射器和引向器使原來(lái)的雙向輻射變成單向輻射，以提高天線(xiàn)的增益。八木天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、饋電方便，具有較高的增益，廣泛應(yīng)用于VHF/UHF頻段。

　　1、天線(xiàn)尺寸

　　八木天線(xiàn)的單元數(shù)目、長(zhǎng)度及各單元間距對(duì)天線(xiàn)的增益、前后輻射比及帶寬等指標(biāo)都有很大的影響。八木天線(xiàn)尺寸的理論計(jì)算比較復(fù)雜，多數(shù)情況下是利用一些近似公式、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步選取，或者在一個(gè)成品天線(xiàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)，反復(fù)調(diào)整好后再最后確定相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　八木天線(xiàn)尺寸的確定需要從天線(xiàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)中折衷考慮。本天線(xiàn)反射器的長(zhǎng)度取35 cm(0.5λ，波長(zhǎng)λ=70cm)，三根引向器的長(zhǎng)度相等，都取31cm(0.44λ)，有源振子的長(zhǎng)度暫取34cm(0.486λ)，實(shí)際長(zhǎng)度還要在天線(xiàn)調(diào)整中確定。

　　引向器的間距選取有變間距和等間距二種。各單元間距可在0.1λ到0.34入之間選取。引向器的間距取值大時(shí)，天線(xiàn)增益高;間距小時(shí)，天線(xiàn)的頻帶特性好。本天線(xiàn)引向器的間距取值0.2λ。要注意的是第一根引向器與有源振子之間的間距要小一些，一般為0.14λ。反射器與有源振子的間距也為0.2λ。天線(xiàn)各單元長(zhǎng)度及間距見(jiàn)表1。

　　2、γ匹配

　　天線(xiàn)與饋線(xiàn)連接時(shí)首先要解決的是阻抗匹配問(wèn)題。所謂阻抗匹配就是將天線(xiàn)的輸入阻抗變換到與它相連接饋線(xiàn)的特性阻抗值(一般為50Ω)，這樣電臺(tái)輸出的功率便能全部從天線(xiàn)上發(fā)射出去。

　　八木天線(xiàn)的匹配方法有多種形式。圖2是γ匹配連接示意圖。同軸電纜的芯線(xiàn)經(jīng)過(guò)可變電容與γ棒相連，電纜屏蔽層接在有源振子的中心，短路棒將有源振子與γ棒連通并可以移動(dòng)。調(diào)整可變電容容量及短路棒位置能使天線(xiàn)達(dá)到匹配狀態(tài)。γ匹配為不平衡型，可以直接與同軸電纜連接，是業(yè)余無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者喜愛(ài)的一種很方便的匹配方式。

　　3、天線(xiàn)制作

　　天線(xiàn)制作所需材料參見(jiàn)表2，所有振子均選用Φ3mm的銅焊條，橫桿可用15mm&TImes;15mm、長(zhǎng)70cm的方管或鋁合金材料。首先按照表1的尺寸剪好6根銅棒，在方管相應(yīng)位置上做好打孔記號(hào)。選用Φ3mm鉆頭，用臺(tái)鉆在方管的5個(gè)孔位上將方管打穿，使銅焊條剛好能插進(jìn)橫桿。為便于調(diào)整、拆卸，可在振子的上方再鉆一個(gè)孔，焊上一個(gè)螺母，旋緊螺桿，就可以將振子固定住。見(jiàn)圖3。注意在方管上打孔最好用臺(tái)鉆，用手槍鉆不易控制方向，容易造成振子傾斜。

　　找一塊60 mm&TImes;15mm、厚1mm的鐵片，彎成直角并鉆好孔。長(zhǎng)邊固定在橫桿上，短邊裝上BNC插座，插座的中心到有源振子的垂直距離約20mm。將鐵片與方管間的油漆銼掉以保證接觸良好。短路棒可找兩塊尺寸為30 mm&TImes;10mm、厚約1—2mm的鋁片或銅片制作。在兩塊鋁片中間打一個(gè)孔，裝上螺釘，夾在有源振子和γ棒上，調(diào)整這二根銅棒的間距在20mm，如圖4所示。最后將瓷片電容焊在BNC插座的芯線(xiàn)及γ棒上，天線(xiàn)制作便完成了。

　　4、天線(xiàn)調(diào)整

　　影響八木天線(xiàn)性能的因素很多，八木天線(xiàn)的調(diào)整也比其他天線(xiàn)復(fù)雜一些。業(yè)余條件下我們主要調(diào)整天線(xiàn)的兩個(gè)參數(shù)：諧振頻率和駐波比。即將天線(xiàn)的諧振頻率調(diào)整在435MHz附近，并且使天線(xiàn)的駐波比盡可能接近1。

　　將天線(xiàn)架起距地面約1.5m，接上駐波表開(kāi)始測(cè)量。為減小測(cè)量誤差，連接天線(xiàn)至駐波表及電臺(tái)到駐波表的電纜盡量短一些。本天線(xiàn)有三個(gè)地方可以調(diào)節(jié)：微調(diào)電容的容量、短路棒的位置和有源振子的長(zhǎng)度。具體調(diào)整步驟如下：

　　(1)將短路棒固定在距橫桿5～6cm處;

　　(2)發(fā)信機(jī)頻率調(diào)至435MHz，調(diào)節(jié)瓷片電容使天線(xiàn)的駐波最小;

　　(3)從430～440MHz，每間隔2MHz，測(cè)量出天線(xiàn)的駐波，將所測(cè)數(shù)據(jù)作圖或列表。

　　(4)觀察駐波最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率(天線(xiàn)諧振頻率)是否在435MHz附近，若頻率偏高或偏低，可更換一根稍長(zhǎng)或稍短幾毫米的有源振子重新測(cè)量駐波;

　　(5)稍許改變短路棒位置，反復(fù)細(xì)調(diào)瓷片電容，使天線(xiàn)駐波在435MHz附近盡可能小。

　　天線(xiàn)調(diào)整時(shí)每次調(diào)節(jié)一處，這樣容易找出變化規(guī)律。由于工作頻率較高，各項(xiàng)調(diào)節(jié)的幅度都不要太大。如串接在γ棒上的微調(diào)電容調(diào)整好的容量大約是3～4pF，改變零點(diǎn)幾皮法(pF)都會(huì)引起駐波很大變化。另外，橫桿長(zhǎng)度、電纜位置等許多因素也會(huì)對(duì)駐波的測(cè)量產(chǎn)生一定的影響，這是我們?cè)谡{(diào)整過(guò)程中需要注意的。圖5是天線(xiàn)調(diào)整好后駐波(SWR)的測(cè)量結(jié)果。