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八木天线

八木天线是由一个有源振子(一般用折合振子)、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了这种天线,被称为“八木宇田天线”,简称“八木天线”。

英文:Yagi-Uda antenna;Yagi antenna

解释:由一受激单元,一反射单元和一个或多个引向单元构成的端射阵。注:实际上反射单元可以由一些单元或一反射面组成。

(《中国大百科全书·电子学与计算机》)

八木天线的确好用。它有很好的方向性,较偶极天线有高的增益。用它来测向、远距离通信效果特别好。如果再配上仰角和方位旋转控制装置,更可以随心所欲与包括空间飞行器在内的各个方向上的电台联络,这种感受从直立天线上是得不到的。

每个引向器和反射器都是用一根金属棒做成。无论有多少“单元”,所有的振子,都是按一定的间距平行固定在一根“大梁”上。大梁也用金属材料做成。这些振子的中点要与大梁绝缘吗?不要。原来,电波“行走”在这些约为半个波长长度的振子上时,振子的中点正好位于感应信号电压的零点,零点接“地”,一点也没问题。而且还有一个好处,在空间感应到的静电正好可以通过这些接触点、天线的金属立杆再导通到建筑物的避雷地网去。

八木天线的工作原理是这样的(以三单元天线接收为例):引向器略短于二分之一波长,主振子等于二分之一波长,反射器略长于二分之一波长,两振子间距四分之一波长。此时,引向器对感应信号呈“容性”,电流超前电压90°;引向器感应的电磁波会向主振子辐射,辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后90°恰好抵消了前面引起的“超前”,两者相位相同,于是信号迭加,得到加强。反射器略长于二分之一波长,呈感性,电流滞后90°,再加上辐射到主振子过程中又滞后90°,两者加起来刚好差180°,起到了抵消作用。一个方向加强,一个方向削弱,便有了强方向性。发射状态作用过程亦然。

有源振子是关键的一个单元。有两种常见形态:折合振子与直振子。直振子其实就是二分之一波长偶极振子,折合振子是其变形。有源振子与馈线相接的地方必需与主梁保持良好的绝缘,而折合振子中点仍与大梁相通。

仿制一副天线,但总还需要进行适当的调整。调什么?为什么要调?这就需要我们去了解所做天线的原理。

天线的一个重要特征,那就是“输入阻抗”。在谐振状态,天线如同一只电阻接在馈线端。常用馈线阻抗为50Ω,如果天线输入阻抗也是50Ω,那就达到了“匹配”,电台输出的信号就能全部从天线上发射出去;如果不“匹配”,一部分功率就会反射回电台的功放电路。

二分之一波长偶极天线的输入阻抗约为67Ω,二分之一波长折合振子的输入阻抗则高于前者4倍。当加了引向器、反射器后,阻抗关系就变得复杂起来了。总的来说八木比仅有基本振子的阻抗要低很多,且八木各单元间距大则阻抗高,反之阻抗变低,同时天线效率降低。有资料介绍,引向器与主振子间距0.15波长时阻抗最低,0.2-0.25时阻抗高,效率提高。这时阻抗的变化范围约在5-20Ω间。

经典的折合振子八木天线的特性阻抗约为300Ω,(振子间距约四分之一波长)如常见的电视接收天线。折合振子折合的间距狭窄时、或二分之一波长的“长边”直径大于那两个约四分之一波长的“短边”的直径时,其输入阻抗较高。

我们的通信机输出都是按50Ω设计的,配50Ω电缆作馈线。八木天线怎样才能与馈线达到阻抗匹配?显然不能不考虑这个问题。于是就有了各种各样的匹配方法。短波波段八木常用的“发夹式”匹配,是在馈电处并接一段U型导体,它起着一个电感器的作用,和天线本身的电容形成并联谐振从而提高了天线阻抗;还有经典的“伽玛”匹配、著名的HB9CV天线等等。最简单的做法是把靠近天线馈电处的馈线绕成一个约六、七圈直径约15厘米的线圈挂在那里,我想这与发夹匹配的原理应该是一样的吧。

还有一个问题要注意:八木天线是“平衡输出”,它的两个馈电点对“地”呈现相同的特性,但通常的收发信机天线端口却是“不平衡”的,芯线是热端,外导体接地。虽然我们也可以视而不见地将馈线芯线随意接在天线两个馈电点之一上,另一点接馈线的外导体层,但是,这将破坏天线原有的方向特性,而且在馈线上也会产生不必要的发射。一副好的八木,应该有“平衡-不平衡”转换。

有朋友问,架设八木时天线的振子是和大地平行好还是垂直与大地好?回答是,收、发信双方保持相同“姿势”为好。振子水平时,发射的电波其电场与大地平行,称“水平极化波”,振子与地垂直时发射的电波属“垂直极化波”。收发双方应该保持相同的极化方式。在U/V波段,人们大量使用着直立天线,八木天线当然也就应少数服从多数,让振子垂直于大地。短波波段八木天线多为水平架设,而且,这样的庞然大物恐怕想垂直架也无法实现!

有朋友问,振子的直径对天线性能有什么影响?回答是直径影响振子长度,直径大则长度略短。直径大,天线Q值低些,工作频率带宽就大一些。

还有朋友问,折合振子是“平躺”在大梁上,其几个边都与其它振子在一个平面上好?还是折合振子的面垂直与大梁,只有其长边和其它振子保持在一个平面上好呢?经典的折合振子八木天线是前者。根据前面所说的工作原理,如果把折合振子平躺在引向器和反射器之间,折合振子就有两个边“插足”,其中的相位关系就更复杂了许多?

不过话又得说回来。业余无线电的许多成果,特别是各种各样的天线,是经过实际试验得来的,“成功”或“不成功”也常是以自己的满意程度、“与过去相比”来确定的。本刊再次介绍的几款天线,有的就是50Ω馈线直接连到折合振子上,折合振子平平稳稳地躺在众“器”兄弟当中。究竟怎样才是最好的?还是自己动手试一试吧。接上一个驻波表,试着调整一下各振子的长度、各单元之间的距离,还有怎么匹配等等,很可能还会有新的发现。

顺便提个醒:调试时一定要把天线认认真真架起来,离开地面至少有个两、三米,周围还要开阔一些。.



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