【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源振子。有源振子被饋電后在空問產(chǎn)生電磁波,通過耦合在無源振子上產(chǎn)生感應(yīng)電流并發(fā)生輻射。改變振子長度與問距時(shí),無源振子上感應(yīng)電流的幅度和相位也隨著變化,適當(dāng)?shù)恼{(diào)整各振子的長度與間距,就可獲得良好的方向圖、阻抗等電氣指標(biāo)。若無源振子與有源振子的問距小于λ/4,長度短于有源振子時(shí),方向圖指向無源振子一側(cè),相應(yīng)的無源振子稱為引向器,比有源振子長的無源振子稱為反射器。八木天線具有結(jié)構(gòu)簡單、饋電方便、制作簡便等突出優(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)之問存在著矛盾,因此設(shè)計(jì)過程中要折衷處理。
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)測數(shù)據(jù)綜合出來的,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實(shí)現(xiàn)。通常認(rèn)為單個(gè)八木天線總長取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ldB。
確定引向器振子長度有兩種方案,第一種方案是采用等長度的無源振子,是實(shí)際常采用的方案,長度取鎮(zhèn)范圍為2ln=(0.38~0.44)λ,這種方案使加工和調(diào)整簡便,但是頻帶較窄。第二種方案是采用不等長度的引向器,先取第—個(gè)引向器長2l1=0.46λ其它振子長度隨序號(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度、等均勻分布,也可以是不等長度和不等問距的非均勻排列。
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)簡單、成本低的有點(diǎn)。
3.結(jié)束語
以上簡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).