八木天线的优点和工作原理

       HAM朋友们都知道,八木天线方向性强,它可以瞄准通联对象,使通联双方无论接收还是发射信号都较佳。日常通联和参加比赛时,大家都有这样的感受,本来信号非常微弱,经过调整八木天线的方向,使它对准我们通联对象,信号强度会大大改观;相反,不是通联方向的其他台和干扰信号会减弱,让我们顺利完成这次QSO。比如 使用短波八木天线参加国际比赛时,我们可以事先根据传播规律,在不同的时段规划好八木天线的方向。当欧洲有传播时,八木天线方向概略对准330度左右,北美传播打开时,调整八木天线概略对准30度左右,大洋洲和东南亚对准170到190度左右;参加国际海岛比赛时,日本台多,比赛系数分数高可以概略对准100到110度左右。所以,只要我们做好计划,对比赛成绩会有很大帮助。

八木天线从两个单元到多个单元不等,一般分为引向器(引向振子)、主振子 (馈电振子) 、反射器(反射振子)。比如三个单元的八木天线,中间的是主振子,通联方向的那根是引向器,背离通联方向的那根是反射器。引向器的长度略短于主振子,反射器的长度略长于主振子。它们之间的间隔一般是四分之一波长。引向器可以有很多根,引向器越多,天线波束越窄,增益也就越大(但不是无限的);一般以单根DP天线为1dB作为参照标准计算增益。

  八木天线一般都由金属材料制作,每根引向器和反射器都是用一根大约二分之一波长的金属棒做成,主振子由两根四分之一波长的金属棒通过绝缘材料连接在一起,并分别在绝缘材料一端设立馈电点。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?答案是-不。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。
    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。 
  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。业余制作时,可以用一根50-7的电缆,盘成直径15厘米 8圈 的线盘代替平衡-不平衡转换器,这个自制巴伦可以承受2000瓦的功率。
  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。有的朋友也不用巴伦,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。根据我的经验,八木天线降下来调整驻波后,升起来谐振频率会变得高一些,所以,降下来调整时,谐振频率向低端靠,升起来后就OK了。

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我腰里缠着绳索,准备。。。。。。

This article was written by ba4ii

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