淺析八木天線原理和制作過程

作為電磁換能元件，天線在整個(gè)無(wú)線電通信系統(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，可以說沒有了天線也就沒有了無(wú)線電通信。

作為一款經(jīng)典的定向天線，八木天線在HF、VHF以及UHF波段應(yīng)用十分廣泛。八木天線由一個(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。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，被稱為“八木宇田天線”，簡(jiǎn)稱“八木天線”。本文首先介紹了八木天線的原理，其次闡述了自制八木天線的過程，具體的跟隨小編一起來(lái)了解一下吧。

八木天線的原理

八木天線定向工作的原理，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)線呈電感性，長(zhǎng)度略短于λ/4整數(shù)倍的導(dǎo)線呈電容性。

由于主振子L采用長(zhǎng)約λ/2的半波對(duì)稱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，從天線前方某點(diǎn)過來(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，天線輸出電壓為兩者之和。

同理可推導(dǎo)出，對(duì)天線后方某點(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)前方過來(lái)的信號(hào)起著增強(qiáng)天線輸出的作用。綜上所述，反射器能夠有效消除天線方向圖后瓣，并和引向器共同增強(qiáng)天線對(duì)前方信號(hào)的靈敏度，使天線具有了強(qiáng)方向性，提高了天線增益。對(duì)于發(fā)射狀態(tài)，推導(dǎo)過程亦然。實(shí)際制作過程中，通過縝密設(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。

八木天線制作過程

八木天線結(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，以提高天線的增益。八木天線結(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、天線尺寸

八木天線的單元數(shù)目、長(zhǎng)度及各單元間距對(duì)天線的增益、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)成品天線基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，然后通過實(shí)驗(yàn)，反復(fù)調(diào)整好后再最后確定相關(guān)數(shù)據(jù)。

八木天線尺寸的確定需要從天線各項(xiàng)性能指標(biāo)中折衷考慮。本天線反射器的長(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)，天線增益高；間距小時(shí)，天線的頻帶特性好。本天線引向器的間距取值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。天線各單元長(zhǎng)度及間距見表1。

2、γ匹配

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

八木天線的匹配方法有多種形式。圖2是γ匹配連接示意圖。同軸電纜的芯線經(jīng)過可變電容與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)線電愛好者喜愛的一種很方便的匹配方式。

3、天線制作

天線制作所需材料參見表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插座的芯線及γ棒上，天線制作便完成了。

4、天線調(diào)整

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

將天線架起距地面約1.5m，接上駐波表開始測(cè)量。為減小測(cè)量誤差，連接天線至駐波表及電臺(tái)到駐波表的電纜盡量短一些。本天線有三個(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)瓷片電容使天線的駐波最小；

（3）從430～440MHz，每間隔2MHz，測(cè)量出天線的駐波，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，使天線駐波在435MHz附近盡可能小。

天線調(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)整過程中需要注意的。圖5是天線調(diào)整好后駐波（SWR）的測(cè)量結(jié)果。