常見八木天線的設(shè)計(jì)

【摘 要】介紹八木天線的基本設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)思路，各關(guān)鍵指標(biāo)的確認(rèn)。滿足初學(xué)者對(duì)八木天線設(shè)計(jì)知識(shí)的初步需求。

【關(guān)鍵詞】八木天線基本特性；原理；設(shè)計(jì)

1.八木天線的基本特性

八木天線又稱為引向天線或波渠天線，由一個(gè)有源振子與若干無(wú)源振子組成。有源振子與饋線直接相連，引向器和反射器都是無(wú)源振子。有源振子被饋電后在空問(wèn)產(chǎn)生電磁波，通過(guò)耦合在無(wú)源振子上產(chǎn)生感應(yīng)電流并發(fā)生輻射。改變振子長(zhǎng)度與問(wèn)距時(shí)，無(wú)源振子上感應(yīng)電流的幅度和相位也隨著變化，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整各振子的長(zhǎng)度與間距，就可獲得良好的方向圖、阻抗等電氣指標(biāo)。若無(wú)源振子與有源振子的問(wèn)距小于λ/4，長(zhǎng)度短于有源振子時(shí)，方向圖指向無(wú)源振子一側(cè)，相應(yīng)的無(wú)源振子稱為引向器，比有源振子長(zhǎng)的無(wú)源振子稱為反射器。八木天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、饋電方便、制作簡(jiǎn)便等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于米波、分米波波段的通信、雷達(dá)、電視及其它無(wú)線電設(shè)備中。八木天線缺點(diǎn)是調(diào)整較難，頻段較窄，一般在5%以內(nèi)。

2.八本天線的設(shè)計(jì)

根據(jù)給定的電氣指標(biāo)：增益、波瓣寬度、副瓣電平、前后輻射比、輸入端駐波比以及工作帶寬等設(shè)計(jì)天線時(shí)，設(shè)計(jì)任務(wù)是確定振子單元數(shù)目N，反射器、引向器、有源振子的尺寸和相對(duì)位置等，最后要驗(yàn)證是否滿足規(guī)定的電氣指標(biāo)。天線的指標(biāo)在工作頻帶的低端容易達(dá)到，而在高端變化較快，因此設(shè)計(jì)頻率通常選為高于中心頻率。天線的各部分對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響程度不同，有時(shí)某些指標(biāo)之問(wèn)存在著矛盾，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中要折衷處理。

2.1單元數(shù)目N的確定

振子數(shù)目N主要根據(jù)增益或方向性系數(shù)來(lái)確定。由于八本天線的效率一般達(dá)90%以上，因此增益近似等于方向性系數(shù)。八木天線是慢波結(jié)構(gòu)的行波天線，因此它的增益可用行波天線公式計(jì)算，即G≈10L/λ。

根據(jù)增益要求先確定天線總長(zhǎng)L/λ，然后利用引向器和反射器常用的間距確定N，或者由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接選擇N。圖1的曲線是從大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合出來(lái)的，其中圖1是天線增益G與N的關(guān)系曲線，由G確定N。

通常引向器的振子數(shù)目為6～12比較適宜，若再增加引向器數(shù)目對(duì)提高增益沒有顯著效果。對(duì)于更高的增益要求，可使用八木天線陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常認(rèn)為單個(gè)八木天線總長(zhǎng)取L≈（3～3.5）λ，甚至有時(shí)為了使天線結(jié)構(gòu)緊湊，陣列中八木天線單元增益限制在10dB左右。

2.2引向器

引向器是八木天線的關(guān)鍵部分，對(duì)天線增益、后向輻射、輸入阻抗等都有明顯的影響。確定N之后，引向器數(shù)目N-2亦確定了，再出L/λ便可求出問(wèn)距d。間距大一些較為有利，但當(dāng)d>0.4λ后增益會(huì)下降。一般取值范圍為d=（0.15～0.4）λ。d較大時(shí)，波瓣較窄，輸入阻抗頻率響應(yīng)較平穩(wěn)，但副瓣較大；d較小時(shí)，副瓣電平較低，抗干擾性能較強(qiáng)，而增益差一些。因此，若照顧前者可取d≈0.3λ；強(qiáng)調(diào)后者可取d≤0.2λ。不管哪種情況，第一個(gè)引向器振子與有源振子的間距d01應(yīng)取小一點(diǎn)，一般為d01=（0.6～0.7）d，這時(shí)增益略有增加。表1提供了選擇間距的參考數(shù)據(jù)。采用表中的數(shù)據(jù)，配合適當(dāng)?shù)恼褡娱L(zhǎng)度，獲得的天線增益與圖1及圖2所示的數(shù)據(jù)相差不超過(guò)ldB。

確定引向器振子長(zhǎng)度有兩種方案，第一種方案是采用等長(zhǎng)度的無(wú)源振子，是實(shí)際常采用的方案，長(zhǎng)度取鎮(zhèn)范圍為2ln=（0.38～0.44）λ，這種方案使加工和調(diào)整簡(jiǎn)便，但是頻帶較窄。第二種方案是采用不等長(zhǎng)度的引向器，先取第—個(gè)引向器長(zhǎng)2l1=0.46λ其它振子長(zhǎng)度隨序號(hào)增加按2%-3%的縮短系數(shù)遞減，這種方案組成的天線頻帶較寬，但加工和調(diào)整麻煩。

引向器振子的排列可以是等長(zhǎng)度、等均勻分布，也可以是不等長(zhǎng)度和不等問(wèn)距的非均勻排列。

主要電性能：

f：824～960MHz G=9～12dBi HPBWH=57°～40° HPBWE=47°～35° VSWR≤1.5。

該產(chǎn)品采用不等直徑部分折合振子作為有源振子，使有源折合振子的阻抗大于4：1，補(bǔ)償了由于無(wú)緣振子使八木天線輸入阻抗的減少，以達(dá)到寬帶匹配。采用λg/2U型管巴倫完成4：1阻抗變換及不平衡—平衡變換，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的有點(diǎn)。

3.結(jié)束語(yǔ)

以上簡(jiǎn)單的介紹了八木天線的基本參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，并實(shí)際舉例一款天線的具體指標(biāo)參數(shù)，希望能為相關(guān)人員提供幫助。

【參考文獻(xiàn)】

[1]許海堤，傅光.一種八木天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（22）.