八木天线

上个世纪二十年代，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”。 <br>
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。 <br>
典型的八木天线应该有三对振子，整个结构呈“王”字形。与馈线相连的称有源振子，或主振子，居三对振子之中，“王”字的中间一横。比有源振子稍长一点的称反射器，它在有源振子的一侧，起着削弱从这个方向传来的电波或从本天线发射去的电波的作用；比有源振子略短的称引向器，它位于有源振子的另一侧，它能增强从这一侧方向传来的或向这个方向发射出去的电波。引向器可以有许多个，每根长度都要比其相邻的并靠近有源振子的那根略短一点。引向器越多，方向越尖锐、增益越高，但实际上超过四、五个引向器之后，这种“好处”增加就不太明显了，而体积大、自重增加、对材料强度要求提高、成本加大等问题却渐突出。通常情况下有一副五单元八木（即有三个引向器，一个反射器和一个有源振子）就够用了。 <br>
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。 <br>
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于从空中直接到达主振子的信号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°，与从反射器方向直接加到主振子上的信号正好相差了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。 <br>
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。 <br>
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。 <br>
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。 <br>
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。 <br>
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。 <br>
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。 <br>
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。 <br>
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！ <br>
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。 <br>
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？ <br>
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。 <br>
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，周围还要开阔一些哦！八木天线是一种引向天线，由一个有源振子和多个无源振子放置 <br>
在同一平面上，并且垂直于连接它们中心的金属杆。一般一个无源振 <br>
子为反射器，其余的无源振子为引向器。因为金属杆通过振子上的电 <br>
压波节点，并垂直于天线，所以，金属杆对天线的近场影响很小。而 <br>
有源振子必须与金属杆绝缘。 <br>
通过下表的数据可以看到，八木天线的增益高于垂直天线及偶极 <br>
天线。(摘自《天线与电波传播》，北方交通大学徐坤生、蒋忠涌 编 <br>
著) <br>
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天线形式 反射器数 引向器数 有源振子数 方向性系数 <br>
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偶极 　０ ０ １ ０ dB <br>
二单元八木 １ ０ １ ３～４．５ｄＢ <br>
二单元八木 ０ ０ １ ３～４．５ｄＢ <br>
三单元八木 １ １ １ ６～８ｄＢ <br>
四单元八木 １ ２ １ ７～１０ｄＢ <br>
五单元八木 １ ３ １ ９～１１ｄＢ <br>
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从上表上可知，八木天线的单元越多，方向性越强。但是单元的 <br>
增加不与方向性成正比。单元过多时，导致工作频带变窄，整个天线 <br>
尺寸也将偏大。 <br>
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在短波波段，波长较长，自制八木天线比较困难，在超短波波段 <br>
（Ｖ／Ｕ），因波长短，可以比较方便的自制低成本的八木天线。 <br>
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八木天线的数学计算复杂(我遇到数学推导就觉得头昏脑涨)，不 <br>
过很多工程或理论书籍都给出它的尺寸，只要依照这些数据，就可以 <br>
自制出一副不错的YAGI！ <br>
五单元八木天线的尺寸入图１ <br>
如果自制四单元八木天线，只要不安装引向器Ｄ就可以，天线也 <br>
会显得小巧一点。如果想做成七单元，在上图的基础上加两个引向器 <br>
单元， 长度分别是半波长的８４％，８２％。 新加的单元的间隔仍 <br>
是波长的０．２倍。 <br>
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我做的70CM波段八木天线，最初是四单元的，各个振子及其连接 <br>
的金属杆，用ＢＧ４ＲＵＶ提供的铜焊条(直径２．５ｍｍ)制成。大 <br>
约一个月后，买了一段２米长，直径４ｍｍ的铜条，又制了一可拆卸 <br>
的四单元八木天线（找到一段矩形铜管作为连接各个振子的支杆，各 <br>
个振子均用螺丝与支杆固定， 便于携带）。 第一支天线的谐振点比 <br>
预计的中心频率（４３５兆赫）低了约２兆赫，但在４３０至４４０ <br>
兆赫内的ＳＷＲ不高，最低的ＳＷＲ〈１．１，最高的ＳＷＲ也不大 <br>
于１．４。第二支天线的ＳＷＲ在整个70CM频段内的起伏不大，最高 <br>
约１．２。后来，我对这支可拆卸的天线作一些改动，利用剩下的材 <br>
料又作成三个引向器，就这样我的这支天线既可以拼装成四单元八木 <br>
天线，也可以拼装成七单元八木。 <br>
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如果想做一支八木天线，但不要求方向性强，可以试试，动手做 <br>
一支三单元八木天线。在此给处其尺寸（图２）。 <br>
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好帖！这个地方好像很缺这种基础帖。柳兄卖点力气，多给大家搞点，我替大家先谢谢你了！

好贴，非常实用！