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八木天線(xiàn)的原理
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  • 日期 : 2020-04-02

       英文:Yagi-Uda antenna;Yagi antenna
       解釋?zhuān)河梢皇芗卧环瓷?span style="font-size: 16px;">單元和一個(gè)或多個(gè)引向單元構(gòu)成的端射陣。注:實(shí)際上反射單元可以由一些單元或一反射面組成。   上個(gè)世紀(jì)二十年代,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)”。

優(yōu)點(diǎn)
  八木天線(xiàn)的確好用。它有很好的方向性,較偶極天線(xiàn)有高的增益。用它來(lái)測(cè)向、遠(yuǎn)距離通信效果特別好。如果再配上仰角和方位旋轉(zhuǎn)控制裝置,更可以隨心所欲與包括空間飛行器在內(nèi)的各個(gè)方向上的電臺(tái)聯(lián)絡(luò),這種感受從直立天線(xiàn)上是得不到的。

組成結(jié)構(gòu)
  典型的八木天線(xiàn)應(yīng)該有三對(duì)振子,整個(gè)結(jié)構(gòu)呈“王”字形。與饋線(xiàn)相連的稱(chēng)有源振子,或主振子,居三對(duì)振子之中,“王”字的中間一橫。比有源振子稍長(zhǎng)一點(diǎn)的稱(chēng)反射器,它在有源振子的一側(cè),起著削弱從這個(gè)方向傳來(lái)的電波或從本天線(xiàn)發(fā)射去的電波的作用;比有源振子略短的稱(chēng)引向器,它位于有源振子的另一側(cè),它能增強(qiáng)從這一側(cè)方向傳來(lái)的或向這個(gè)方向發(fā)射出去的電波。引向器可以有許多個(gè),每根長(zhǎng)度都要比其相鄰的并靠近有源振子的那根略短一點(diǎn)。引向器越多,方向越尖銳、增益越高,但實(shí)際上超過(guò)四、五個(gè)引向器之后,這種“好處”增

加就不太明顯了,而體積大、自重增加、對(duì)材料強(qiáng)度要求提高、成本加大等問(wèn)題卻漸突出。通常情況下有一副五單元八木(即有三個(gè)引向器,一個(gè)反射器和一個(gè)有源振子)就夠用了。   每個(gè)引向器和反射器都是用一根金屬棒做成。無(wú)論有多少“單元”,所有的振子,都是按一定的間距平行固定在一根“大梁”上。大梁也用金屬材料做成。這些振子的中點(diǎn)要與大梁絕緣嗎?不要。原來(lái),電波“行走”在這些約為半個(gè)波長(zhǎng)長(zhǎng)度的振子上時(shí),振子的中點(diǎn)正好位于感應(yīng)信號(hào)電壓的零點(diǎn),零點(diǎn)接“地”,一點(diǎn)也沒(méi)問(wèn)題。而且還有一個(gè)好處,在空間感應(yīng)到的靜電正好可以通過(guò)這些接觸點(diǎn)、天線(xiàn)的金屬立桿再導(dǎo)通到建筑物的避雷地網(wǎng)去。

工作原理
  八木天線(xiàn)的工作原理是這樣的(以三單元天線(xiàn)接收為例):引向器略短于二分之一波長(zhǎng),主振子等于二分之一波長(zhǎng),反射器略長(zhǎng)于二分之一波長(zhǎng),兩振子間距四分之一波長(zhǎng)。此時(shí),引向器對(duì)感應(yīng)信號(hào)呈“容性”,電流超前電壓90°;引向器感應(yīng)的電磁波會(huì)向主振子輻射,輻射信號(hào)經(jīng)過(guò)四分之一波長(zhǎng)的路程使其滯后于從空中直接到達(dá)主振子的信號(hào)90°,恰好抵消了前面引起的“超前”,兩者相位相同,于是信號(hào)迭加,得到加強(qiáng)。反射器略長(zhǎng)于二分之一波長(zhǎng),呈感性,電流滯后90°,再加上輻射到主振子過(guò)程中又滯后90°,與從反射器方向直接加到主振子上的信號(hào)正好相差了180°,起到了抵消作用。一個(gè)方向加強(qiáng),一個(gè)方向削弱,便有了強(qiáng)方向性。發(fā)射狀態(tài)作用過(guò)程亦然。

天線(xiàn)原理
  有源振子是關(guān)鍵的一個(gè)單元。有兩種常見(jiàn)形態(tài):折合振子與直振子。直振子其實(shí)就是二分之一波長(zhǎng)偶極振子,折合振子是其變形。有源振子與饋線(xiàn)相接的地方必需與主梁保持良好的絕緣,而折合振子中點(diǎn)仍與大梁相通。仿制一副天線(xiàn),但總還需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。調(diào)什么?為什么要調(diào)?這就需要我們?nèi)チ私馑鎏炀€(xiàn)的原理。天線(xiàn)的一個(gè)重要特征,那就是“輸入阻抗”。在諧振狀態(tài),天線(xiàn)如同一只電阻接在饋線(xiàn)端。常用饋線(xiàn)阻抗為50Ω,如果天線(xiàn)輸入阻抗也是50Ω,那就達(dá)到了“匹配”,電臺(tái)輸出的信號(hào)就能全部從天線(xiàn)上發(fā)射出去;如果不“匹配”,一部分功率就會(huì)反射回電臺(tái)的功放電路。   二分之一波長(zhǎng)偶極天線(xiàn)的輸入阻抗約為67Ω,二分之一波長(zhǎng)折合振子的輸入阻抗則高于前者4倍。當(dāng)加了引向器、反射器后,阻抗關(guān)系就變得復(fù)雜起來(lái)了??偟膩?lái)說(shuō)八木比僅有基本振子的阻抗要低很多,且八木各單元間距大則阻抗高,反之阻抗變低,同時(shí)天線(xiàn)效率降低。有資料介紹,引向器與主振子間距0.15波長(zhǎng)時(shí)阻抗最低,0.2-0.25時(shí)阻抗高,效率提高。這時(shí)阻抗的變化范圍約在5-20Ω間。經(jīng)典的折合振子八木天線(xiàn)的特性阻抗約為300Ω,(振子間距約四分之一波長(zhǎng))如常見(jiàn)的電視接收天線(xiàn)。折合振子折合的間距狹窄時(shí)、或二分之一波長(zhǎng)的“長(zhǎng)邊”直徑大于那兩個(gè)約四分之一波長(zhǎng)的“短邊”的直徑時(shí),其輸入阻抗較高。

傳輸
  我們的通信機(jī)輸出都是按50Ω設(shè)計(jì)的,配50Ω電纜作饋線(xiàn)。八木天線(xiàn)怎樣才能與饋線(xiàn)達(dá)到阻抗匹配?顯然不能不考慮這個(gè)問(wèn)題。于是就有了各種各樣的匹配方法。短波波段八木常用的“發(fā)夾式”匹配,是在饋電處并接一段U型導(dǎo)體,它起著一個(gè)電感器的作用,和天線(xiàn)本身的電容形成并聯(lián)諧振從而提高了天線(xiàn)阻抗;還有經(jīng)典的“伽瑪”匹配、著名的HB9CV天線(xiàn)等等。最簡(jiǎn)單的做法是把靠近天線(xiàn)饋電處的饋線(xiàn)繞成一個(gè)約六、七圈直徑約15厘米的線(xiàn)圈掛在那里,我想這與發(fā)夾匹配的原理應(yīng)該是一樣的吧。   還有一個(gè)問(wèn)題要注意:八木天線(xiàn)是“平衡輸出”,它的兩個(gè)饋電點(diǎn)對(duì)“地”呈現(xiàn)相同的特性,但通常的收發(fā)信機(jī)天線(xiàn)端口卻是“不平衡”的,芯線(xiàn)是熱端,外導(dǎo)體接地。雖然我們也可以視而不見(jiàn)地將饋線(xiàn)芯線(xiàn)隨意接在天線(xiàn)兩個(gè)饋電點(diǎn)之一上,另一點(diǎn)接饋線(xiàn)的外導(dǎo)體層,但是,這將破壞天線(xiàn)原有的方向特性,而且在饋線(xiàn)上也會(huì)產(chǎn)生不必要的發(fā)射。一副好的八木,應(yīng)該有“平衡-不平衡”轉(zhuǎn)換。

注意事項(xiàng)
  有朋友問(wèn),架設(shè)八木時(shí)天線(xiàn)的振子是和大地平行好還是垂直與大地好?回答是,收、發(fā)信雙方保持相同“姿勢(shì)”為好。振子水平時(shí),發(fā)射的電波其電場(chǎng)與大地平行,稱(chēng)“水平極化波”,振子與地垂直時(shí)發(fā)射的電波屬“垂直極化波”。收發(fā)雙方應(yīng)該保持相同的極化方式。在U/V波段,人們大量使用著直立天線(xiàn),八木天線(xiàn)當(dāng)然也就應(yīng)少數(shù)服從多數(shù),讓振子垂直于大地。短波波段八木天線(xiàn)多為水平架設(shè),而且,這樣的龐然大物恐怕想垂直架也無(wú)法實(shí)現(xiàn)! 有朋友問(wèn),振子的直徑對(duì)天線(xiàn)性能有什么影響?回答是直徑影響振子長(zhǎng)度,直徑大則長(zhǎng)度略短。直徑大,天線(xiàn)Q值低些,工作頻率帶寬就大一些。還有朋友問(wèn),折合振子是“平躺”在大梁上,其幾個(gè)邊都與其它振子在一個(gè)平面上好?還是折合振子的面垂直與大梁,只有其長(zhǎng)邊和其

       它振子保持在一個(gè)平面上好呢?經(jīng)典的折合振子八木天線(xiàn)是前者。根據(jù)前面所說(shuō)的工作原理,如果把折合振子平躺在引向器和反射器之間,折合振子就有兩個(gè)邊“插足”,其中的相位關(guān)系就更復(fù)雜了許多? 不過(guò)話(huà)又得說(shuō)回來(lái)。業(yè)余無(wú)線(xiàn)電的許多成果,特別是各種各樣的天線(xiàn),是經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)得來(lái)的,“成功”或“不成功”也常是以自己的滿(mǎn)意程度、“與過(guò)去相比”來(lái)確定的。本刊再次介紹的幾款天線(xiàn),有的就是50Ω饋線(xiàn)直接連到折合振子上,折合振子平平穩(wěn)穩(wěn)地躺在眾“器”兄弟當(dāng)中。究竟怎樣才是最好的?還是自己動(dòng)手試一試吧。接上一個(gè)駐波表,試著調(diào)整一下各振子的長(zhǎng)度、各單元之間的距離,還有怎么匹配等等,很可能還會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)。

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