常见八木天线的设计
【摘要】介绍八木天线的基本设计原理,设计思路,各关键指标的确认。
满足初学者对八木天线设计知识的初步需求。
【关键词】八木天线基本特性;原理;设计
1.八木天线的基本特性
八木天线又称为引向天线或波渠天线,由一个有源振子与若干无源振子组成。
有源振子与馈线直接相连,引向器和反射器都是无源振子。
有源振子被馈电后在空问产生电磁波,通过耦合在无源振子上产生感应电流并发生辐射。
改变振子长度与问距时,无源振子上感应电流的幅度和相位也随着变化,适当的调整各振子的长度与间距,就可获得良好的方向图、阻抗等电气指标。
若无源振子与有源振子的问距小于λ/4,长度短于有源振子时,方向图指向无源振子一侧,相应的无源振子称为引向器,比有源振子长的无源振子称为反射器。
八木天线具有结构简单、馈电方便、制作简便等突出优点,广泛用于米波、分米波波段的通信、雷达、电视及其它无线电设备中。
八木天线缺点是调整较难,频段较窄,一般在5%以内。
2.八本天线的设计
根据给定的电气指标:增益、波瓣宽度、副瓣电平、前后辐射比、输入端驻波比以及工作带宽等设计天线时,设计任务是确定振子单元数目N,反射器、引向器、有源振子的尺寸和相对位置等,最后要验证是否满足规定的电气指标。
天线的指标在工作频带的低端容易达到,而在高端变化较快,因此设计频率通常选为高于中心频率。
天线的各部分对各项指标的影响程度不同,有时某些指标之问存在着矛盾,因此设计过程中要折衷处理。
2.1单元数目N的确定
振子数目N主要根据增益或方向性系数来确定。
由于八本天线的效率一般达90%以上,因此增益近似等于方向性系数。
八木天线是慢波结构的行波天线,因此它的增益可用行波天线公式计算,即G≈10L/λ。
根据增益要求先确定天线总长L/λ,然后利用引向器和反射器常用的间距确定N,或者由经验数据直接选择N。
图1的曲线是从大量的实测数据综合出来的,其中图1是天线增益G与N的关系曲线,由G确定N。
通常引向器的振子数目为6~12比较适宜,若再增加引向器数目对提高增益没有显著效果。
对于更高的增益要求,可使用八木天线阵列来实现。
通常认为单个八木天线总长取L≈(3~3.5)λ,甚至有时为了使天线结构紧凑,阵列中八木天线单元增益限制在10dB左右。
2.2引向器
引向器是八木天线的关键部分,对天线增益、后向辐射、输入阻抗等都有明显的影响。
确定N之后,引向器数目N-2亦确定了,再出L/λ便可求出问距d。
间距大一些较为有利,但当d>0.4λ后增益会下降。
一般取值范围为d=(0.15~0.4)λ。
d较大时,波瓣较窄,输入阻抗频率响应较平稳,但副瓣较大;d较小时,副瓣电平较低,抗干扰性能较强,而增益差一些。
因此,若照顾前者可取d≈0.3λ;强调后者可取d≤0.2λ。
不管哪种情况,第一个引向器振子与有源振子的间距d01应取小一点,一般为d01=(0.6~0.7)d,这时增益略有增加。
表1提供了选择间距的参考数据。
采用表中的数据,配合适当的振子长度,获得的天线增益与图1及图2所示的数据相差不超过ldB。
确定引向器振子长度有两种方案,第一种方案是采用等长度的无源振子,是实际常采用的方案,长度取镇范围为2ln=(0.38~0.44)λ,这种方案使加工和调整简便,但是频带较窄。
第二种方案是采用不等长度的引向器,先取第—个引向器长2l1=0.46λ其它振子长度随序号增加按2%-3%的缩短系数递减,这种方案组成的天线频带较宽,但加工和调整麻烦。
引向器振子的排列可以是等长度、等均匀分布,也可以是不等长度和不等问距的非均匀排列。
主要电性能:
f:824~960MHz G=9~12dBi HPBWH=57°~40°HPBWE=47°~35°VSWR≤1.5。
该产品采用不等直径部分折合振子作为有源振子,使有源折合振子的阻抗大于4:1,补偿了由于无缘振子使八木天线输入阻抗的减少,以达到宽带匹配。
采用λg/2U型管巴伦完成4:1阻抗变换及不平衡—平衡变换,具有结构简单、成本低的有点。
3.结束语
以上简单的介绍了八木天线的基本参数的设计方法,并实际举例一款天线的具体指标参数,希望能为相关人员提供帮助。
【参考文献】
[1]许海堤,傅光.一种八木天线的优化设计方法[J].现代电子技术,2013(22).。