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無線電天線

八木宇田天線英語;八木天線

說明:由激勵單元、反射單元和壹個或多個引導單元組成的端射陣列。註:實際上,反射單元可以由壹些單元或壹個反射面組成。

20世紀20年代,東北大學的Hidetsugu Yagi和Taitai Uta發明了這種天線,簡稱八木Uta天線。

八木天線真的好用。它比偶極天線具有更好的方向性和更高的增益。對於測向和遠距離通訊特別有效。如果配有仰角和方位角旋轉控制裝置,就可以隨意與包括航天器在內的各個方向的無線電臺進行通信,這是垂直天線所不具備的。

典型的八木天線應該有三對振子,整體結構呈“王”字形。與饋線連接的主動振動器或主振動器在三對振動器中間,“王”字中間是水平的。比有源振子稍長的反射器位於有源振子的壹側,起到減弱來自這個方向或從這個天線發射的電波的作用;比有源振子略短的指向矢位於有源振子的另壹側,可以增強從這壹側來的或向這個方向發射的電波。可以有多個導向器,每個導向器的長度略短於與其相鄰且靠近有源振動器的導向器。導演越多,方向越尖銳,收益越高,但實際上超過四五個導演後,這種“收益”增加並不明顯,而體積大、自重增加、對材料強度要求更高、成本增加等問題越來越突出。通常壹對五單元八木(即三個導向器,壹個反射器,壹個有源振子)就夠了。

每個導向器和反射器都由金屬桿制成。不管有多少個“單元”,所有振動器都以壹定距離平行固定在壹個“大梁”上。大梁也是用金屬材料做的。這些振動器的中點是否應該與主梁絕緣?不要。原來,當電波在這些長度約為半個波長的振子上“行走”時,振子的中點正好在感應信號電壓的零點上,零點接地,完全沒有問題。而且,還有壹個好處。空間感應的靜電正好可以通過這些接觸點和天線的金屬桿,傳導到建築物的防雷接地網。

八木天線的工作原理如下(以三元天線接收為例):指向矢略短於半波長,主振子等於半波長,反射體略長於半波長,兩振子之間的距離為四分之壹波長。此時指向矢對感應信號呈“容性”,電流領先電壓90°;引向器感應出的電磁波會輻射到主振子上,輻射出的信號會比從空中直接到達主振子的信號滯後90度,經過四分之壹波長的路程,正好抵消了上面造成的“超前”,兩者同相,所以信號疊加加強。反射器比半波長稍長,並且是電感性的。電流滯後90°,在輻射到主振蕩器的過程中滯後90°,與從反射器方向直接施加到主振蕩器的信號剛好相差180°,起到抵消作用。如果壹個方向加強,另壹個方向減弱,就會有很強的方向性。發射狀態的作用過程也是如此。

有源振蕩器是壹個關鍵單元。常見的有兩種形式:簡約振子和直振子。直振子其實是半波長偶極振子,縮減振子是它的變形。主動振動器與饋線連接的地方必須與主梁絕緣良好,而折疊振動器的中點仍與主梁連接。

模仿壹個天線,但總要調好。調什麽?為什麽要調整?這就需要我們了解天線的原理。

天線的壹個重要特征是“輸入阻抗”。在諧振狀態下,天線作為電阻器連接到饋線。常用的饋線阻抗是50ω,如果天線輸入阻抗也是50ω,就達到了“匹配”,電臺輸出的信號都可以從天線發射出去;如果不“匹配”,部分功率會反射回電臺的功放電路。

半波長偶極天線的輸入阻抗約為67ω,半波長偶極天線的輸入阻抗是前者的4倍。當加上導向器和反射器後,阻抗關系就變得復雜了。壹般來說,八木的阻抗遠低於只有基本單元的阻抗,八木的單元間距越大,阻抗越高,反之阻抗變低,天線效率降低。有資料顯示,指向矢與主振蕩器的距離為0.15波長時,阻抗最低,0.2-0.25時,阻抗高,效率提高。此時阻抗的變化範圍約為5-20ω。

經典的折疊偶極子八木天線的特性阻抗約為300ω(偶極子間距約為四分之壹波長),與常見的電視接收天線壹樣。當折疊振蕩器之間的距離較窄時,或者當半波長的“長邊”的直徑大於大約四分之壹波長的兩個“短邊”的直徑時,輸入阻抗較高。

我們的通信器的輸出都是按照50ω設計的,50ω電纜作為饋線。八木天線如何實現與饋線的阻抗匹配?顯然,這個問題不容忽視。所以有各種各樣的搭配方法。短波八木中常用的“發夾”匹配是在饋電處並聯壹個U形導體,作為電感,與天線本身的電容形成並聯諧振,從而提高天線阻抗;還有經典的“gamma”搭配,著名的HB9CV天線等等。最簡單的方法是把天饋附近的饋線繞成直徑約15 cm的線圈,大概繞六七圈,掛在那裏。我覺得這應該和發卡搭配的原理是壹樣的。

還有壹個問題需要註意:八木天線是“平衡輸出”,其兩個饋電點對“地”的特性相同,但常見的收發天線端口是“不平衡”的,芯線作為熱端,外導體接地。雖然我們也可以將饋線芯連接到天線的兩個饋電點之壹,另壹個連接到饋線的外導體層,但這樣會破壞天線原有的方向特性,在饋線上產生不必要的發射。好的八木應該有“平衡-不平衡”的轉化。

有朋友問,在架設八木的時候,天線振子是平行於地球還是垂直於地球?答案是,收、發雙方保持相同的“姿勢”比較好。當振動器水平時,發射的電波電場與地球平行,稱為“水平極化波”,而當振動器垂直於地球時發射的電波屬於“垂直極化波”。發射機和接收機都應該保持相同的偏振模式。在U/V波段,人們使用了大量的直立天線,八木天線當然要從屬於多數,這樣振子就垂直於地球。短波波段的八木天線大多是橫著豎起來的,這樣的龐然大物恐怕豎著都實現不了!

有朋友問,振子直徑對天線性能有什麽影響?答案是直徑影響振子的長度,直徑越大長度越短。直徑越大,天線的Q值越低,工作頻率帶寬越寬。

也有朋友問,是不是和其他振動器壹樣“平躺”在大梁上,幾個邊在壹個平面上比較好?還是把振動棒的面垂直於梁折疊起來,只讓它的長邊和其他振動棒保持在壹個平面內比較好?經典的八木天線就是前者。根據上面提到的工作原理,如果折疊振子平躺在指向矢和反射體之間,折疊振子有兩面,相位關系就復雜多了?

不過話說回來。業余無線電的很多成果,尤其是各種天線,都是通過實際實驗獲得的,而“成功”或“不成功”,往往取決於自己的滿意程度和“與過去的比較”。該雜誌再次介紹的壹些天線是直接連接到折疊振動器的50ω饋線,折疊振動器在“設備”兄弟中平放且穩定。什麽是最好的?妳自己試試吧。連接壹個駐波表,試著調整每個振子的長度,每個單元之間的距離,以及如何匹配。很可能會有新的發現。

順便說壹句:調試的時候,天線壹定要認真豎起來,離地至少兩三米,周圍要寬壹些。