用于调频广播接收八木天线的原理、制作与调整

文章摘要： 由于调频广播自身抗干扰性强、音质动听加之节目源日益丰富，已成为广大广播爱好者收听的首选，不过限于VHF频段电磁波的视距传输特性，调频广播节目的发射覆盖半径较小，为充分改善远距离收听效果，有必要给心爱的收音机配上性能更优异的八木接收天线。八木天线是一款应用十分广泛的经典定向天线，全称"八木/宇田天线"，英文名为YAGI，由上世纪二十年代日本电机工程学教授八木秀次，在与他的学生宇田新太郎研究短波束时发明的。 相对于基本的半波对称振子或折合振子天线，八木天线增益高、方向性强、抗干扰、作用距离远，并且构造简单、材料易得、价格低廉、挡风面小、轻巧牢固、架设方便。通常八木天

用于调频广播接收八木天线的原理、制作与调整,标签：电子电路设计,数字电路设计,http://www.88dzw.com
   由于调频广播自身抗干扰性强、音质动听加之节目源日益丰富，已成为广大广播爱好者收听的首选，不过限于VHF频段电磁波的视距传输特性，调频广播节目的发射覆盖半径较小，为充分改善远距离收听效果，有必要给心爱的收音机配上性能更优异的八木接收天线。八木天线是一款应用十分广泛的经典定向天线，全称"八木/宇田天线"，英文名为YAGI，由上世纪二十年代日本电机工程学教授八木秀次，在与他的学生宇田新太郎研究短波束时发明的。
    相对于基本的半波对称振子或折合振子天线，八木天线增益高、方向性强、抗干扰、作用距离远，并且构造简单、材料易得、价格低廉、挡风面小、轻巧牢固、架设方便。通常八木天线由一个激励振子（也称主振子）、一个反射振子（又称反射器）和若干个引向振子（又称引向器）组成。相比之下反射器最长，位于紧邻主振子的一侧，引向器都较短，并悉数位于主振子的另一侧，全部振子加起来的数目即为天线的单元数，譬如一副五单元的八木天线就包括一个主振子、一个反射器和三个引向器，结构如图1所示。主振子直接与馈电系统相连，属于有源振子，反射器和引向器都属于无源振子，所有振子均处于同一个平面内，并按照一定间距平行固定在一根横贯各振子中心的金属横梁上。

 

原理简述
    FM接收八木天线定向工作的原理，可依据电磁学理论进行详尽的数学推导，但是比较繁琐复杂，普通读者也不易理解，这里只做定性的简单分析：我们知道，与天线电气指标密切相关的是波长λ，长度略长于λ/4整数倍的导线呈电感性，长度略短于λ/4整数倍的导线呈电容性。由于主振子L采用长约λ/2的半波对称振子或半波折合振子，在中心频点工作时处于谐振状态，阻抗呈现为纯电阻，而反射器A比主振子略长，呈现感性，假设两者间距a为λ/4，接收信号时从天线前方某点过来的电磁波将先到达主振子，并产生感应电动势ε1和感应电流I1，再经λ/4的距离后电磁波方到达反射器，产生感应电动势ε2和感应电流I2，因空间上相差λ/4的路程，故ε2比ε1滞后90°，又因反射器呈感性I2比ε2滞后90°，所以I2比ε1滞后180°，反射器感应电流I2产生辐射到达主振子形成的磁场H2又比I2滞后90°，根据电磁感应定律H2在主振子上产生的感应电动势ε1'比H2滞后90°，也就是ε1'比ε1滞后360°，即反射器在主振子产生的感应电动势ε1'与电磁信号源直接产生的感应电动势ε1是同相的，天线输出电压为两者之和。

天线几何尺寸的考虑
    对于设计制作一副接收天线，我们总希望它能够有较高的效率和增益，足够的带宽，以及较强的信号选择和抗干扰能力，同时与馈线阻抗尽量匹配，竭力降低驻波比和减小信号损耗。然而天线的各项几何参数对其电气性能都有影响，并且往往彼此矛盾、相互牵制，设计调整时不能顾此失彼，要结合实际的用途综合考虑，分清主次，必要时还得牺牲一些次要的性能指标。
    由于八木天线的增益与轴向长度(从反射器到最末引向器的距离)、单元数目、振子长度及间距密切相关，轴向越长，单元数实际也就是引向器越多，方向越尖锐，增益越高，作用距离越远，但超过四个引向器后，改善效果就不太明显了，而体积、重量、制作成本则大幅增加，对材料强度要求也更严格，同时导致工作频带更窄。一般情况下采用6～12单元就足够了，天线增益可达10～15dB，对于高增益的要求，可采用天线阵的办法加以解决。引向器的长度通常为(0.41～0.46)λ，单元数愈多，引向器的最佳长度也就愈短，如果要求工作频段较宽，引向器的长度也应取得短些。引向器的间距一般取(0.15～0.4)λ，大于0.4λ后天线增益将迅速下降，但第一引向器B和主振子的间距应略小于其它间距，例如取b≈0.1λ时，增益将会有所提高。
    一般来说，反射器A的长度及与主振子的间距对天线增益影响不大，而对前后辐射比和输入阻抗却有较大的影响，反射器长度通常为(0.5～0.55)λ，与主振子的间距为(0.15～0.23)λ。反射器较长或间距较小可有效地抑制后向辐射，但输入阻抗较低，难于和馈线良好匹配，因而要采取折衷措施。对某些前后辐射比要求较高的使用场合，可以在与天线平面垂直方向上上下安装两个反射器，或者干脆采用反射网的形式。有时为了着重改善天线带宽的低频端特性，还会在主振子的后面不同距离处排列两个长度不等的反射器，其中较短的要离主振子近些。若想改善天线的高频端特性，可适当调短引向器的长度。多元八木天线中引向器的长度和间距可以相等也可不等，从而分成均匀结构和不均匀结构两种形式，不均匀结构的引向器，离主振子越远长度越短，间隔越大，使得工作频带向高频端方向拓展，调整起来相对灵活机动。天线增益越高，带宽也会越窄，有时为展宽频带，还可采用两个激励振子，称为双激，或者直接选用复合式引向天线。考虑到八木天线的各项电气指标在频带低端比较稳定，而高端变化较快，所以最初设计时频率通常要稍高于中心频率。另外振子所用金属管材越粗，其特性阻抗越低，天线带宽也就越大，振子直径通常为(1/100～1/150)λ，当然实际选择时还要考虑天线的整体机械特性。振子的粗细还会影响振子的实用最佳长度，这是因为电波在金属中行进的速度与真空中不尽相同，实际制作长度都要在理论值上减去一个缩短系数，而导线越粗缩短系数越大，振子长度越小，对阻抗特性也造成一定影响。

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