漫談八木天線

　?。畚幢蓦S著V/U波段人氣增加，自制八木天線又成了熱門話題。上個世紀二十年代，日本東北大學的八木秀次和宇田太郞兩人發(fā)明了這種天線，被稱為“八木宇田天線”，簡稱“八木天線”。
　　八木天線的確好用。它有很好的方向性，較偶極天線有高的增益。用它來測向、遠距離通信效果特別好。如果再配上仰角和方位旋轉(zhuǎn)控制裝置，更可以隨心所欲與包括空間飛行器在內(nèi)的各個方向上的電臺聯(lián)絡，這種感受從直立天線上是得不到的。
　　典型的八木天線應該有三對振子，整個結(jié)構(gòu)呈“王”字形。與饋線相連的稱有源振子，或主振子，居三對振子之中，“王”字的中間一橫。比有源振子稍長一點的稱反射器，它在有源振子的一側(cè)，起著削弱從這個方向傳來的電波或從本天線發(fā)射去的電波的作用；比有源振子略短的稱引向器，它位于有源振子的另一側(cè)，它能增強從這一側(cè)方向傳來的或向這個方向發(fā)射出去的電波。引向器可以有許多個，每根長度都要比其相鄰的并靠近有源振子的那根略短一點。引向器越多，方向越尖銳、增益越高，但實際上超過四、五個引向器之后，這種“好處”增加就不太明顯了，而體積大、自重增加、對材料強度要求提高、成本加大等問題卻漸突出。通常情況下有一副五單元八木（即有三個引向器，一個反射器和一個有源振子）就夠用了。
　　每個引向器和反射器都是用一根金屬棒做成。無論有多少“單元”，所有的振子，都是按一定的間距平行固定在一根“大梁”上。大梁也用金屬材料做成。這些振子的中點要與大梁絕緣嗎？不要。原來，電波“行走”在這些約為半個波長長度的振子上時，振子的中點正好位于感應信號電壓的零點，零點接“地”，一點也沒問題。而且還有一個好處，在空間感應到的靜電正好可以通過這些接觸點、天線的金屬立桿再導通到建筑物的避雷地網(wǎng)去。
　　八木天線的工作原理是這樣的（以三單元天線接收為例）：引向器略短于二分之一波長，主振子等于二分之一波長，反射器略長于二分之一波長，兩振子間距四分之一波長。此時，引向器對感應信號呈“容性”，電流超前電壓90°；引向器感應的電磁波會向主振子輻射，輻射信號經(jīng)過四分之一波長的路程使其滯后于從空中直接到達主振子的信號90°，恰好抵消了前面引起的“超前”，兩者相位相同，于是信號迭加，得到加強。反射器略長于二分之一波長，呈感性，電流滯后90°，再加上輻射到主振子過程中又滯后90°，與從反射器方向直接加到主振子上的信號正好相差了180°，起到了抵消作用。一個方向加強，一個方向削弱，便有了強方向性。發(fā)射狀態(tài)作用過程亦然。
　　有源振子是關鍵的一個單元。有兩種常見形態(tài)：折合振子與直振子。直振子其實就是二分之一波長偶極振子，折合振子是其變形。有源振子與饋線相接的地方必需與主梁保持良好的絕緣，而折合振子中點仍與大梁相通。
　　仿制一副天線，但總還需要進行適當?shù)恼{(diào)整。調(diào)什么？為什么要調(diào)？這就需要我們?nèi)チ私馑鎏炀€的原理。
　　天線的一個重要特征，那就是“輸入阻抗”。在諧振狀態(tài)，天線如同一只電阻接在饋線端。常用饋線阻抗為50Ω，如果天線輸入阻抗也是50Ω，那就達到了“匹配”，電臺輸出的信號就能全部從天線上發(fā)射出去；如果不“匹配”，一部分功率就會反射回電臺的功放電路。
　　二分之一波長偶極天線的輸入阻抗約為67Ω，二分之一波長折合振子的輸入阻抗則高于前者4倍。當加了引向器、反射器后，阻抗關系就變得復雜起來了?？偟膩碚f八木比僅有基本振子的阻抗要低很多，且八木各單元間距大則阻抗高，反之阻抗變低，同時天線效率降低。有資料介紹，引向器與主振子間距0.15波長時阻抗最低，0.2－0.25時阻抗高，效率提高。這時阻抗的變化范圍約在5－20Ω間。
　　經(jīng)典的折合振子八木天線的特性阻抗約為300Ω，（振子間距約四分之一波長）如常見的電視接收天線。折合振子折合的間距狹窄時、或二分之一波長的“長邊”直徑大于那兩個約四分之一波長的“短邊”的直徑時，其輸入阻抗較高。
　　我們的通信機輸出都是按50Ω設計的，配50Ω電纜作饋線。八木天線怎樣才能與饋線達到阻抗匹配？顯然不能不考慮這個問題。于是就有了各種各樣的匹配方法。短波波段八木常用的“發(fā)夾式”匹配，是在饋電處并接一段U型導體，它起著一個電感器的作用，和天線本身的電容形成并聯(lián)諧振從而提高了天線阻抗；還有經(jīng)典的“伽瑪”匹配、著名的HB9CV天線等等。最簡單的做法是把靠近天線饋電處的饋線繞成一個約六、七圈直徑約15厘米的線圈掛在那里，我想這與發(fā)夾匹配的原理應該是一樣的吧。
　　還有一個問題要注意：八木天線是“平衡輸出”，它的兩個饋電點對“地”呈現(xiàn)相同的特性，但通常的收發(fā)信機天線端口卻是“不平衡”的，芯線是熱端，外導體接地。雖然我們也可以視而不見地將饋線芯線隨意接在天線兩個饋電點之一上，另一點接饋線的外導體層，但是，這將破壞天線原有的方向特性，而且在饋線上也會產(chǎn)生不必要的發(fā)射。一副好的八木，應該有“平衡－不平衡”轉(zhuǎn)換。
　　有朋友問，架設八木時天線的振子是和大地平行好還是垂直與大地好？回答是，收、發(fā)信雙方保持相同“姿勢”為好。振子水平時，發(fā)射的電波其電場與大地平行，稱“水平極化波”，振子與地垂直時發(fā)射的電波屬“垂直極化波”。收發(fā)雙方應該保持相同的極化方式。在U/V波段，人們大量使用著直立天線，八木天線當然也就應少數(shù)服從多數(shù)，讓振子垂直于大地。短波波段八木天線多為水平架設，而且，這樣的龐然大物恐怕想垂直架也無法實現(xiàn)！
　　有朋友問，振子的直徑對天線性能有什么影響？回答是直徑影響振子長度，直徑大則長度略短。直徑大，天線Q值低些，工作頻率帶寬就大一些。
　　還有朋友問，折合振子是“平躺”在大梁上，其幾個邊都與其它振子在一個平面上好？還是折合振子的面垂直與大梁，只有其長邊和其它振子保持在一個平面上好呢？經(jīng)典的折合振子八木天線是前者。根據(jù)前面所說的工作原理，如果把折合振子平躺在引向器和反射器之間，折合振子就有兩個邊“插足”，其中的相位關系就更復雜了許多？
　　不過話又得說回來。業(yè)余無線電的許多成果，特別是各種各樣的天線，是經(jīng)過實際試驗得來的，“成功”或“不成功”也常是以自己的滿意程度、“與過去相比”來確定的。本刊再次介紹的幾款天線，有的就是50Ω饋線直接連到折合振子上，折合振子平平穩(wěn)穩(wěn)地躺在眾“器”兄弟當中。究竟怎樣才是最好的？還是自己動手試一試吧。接上一個駐波表，試著調(diào)整一下各振子的長度、各單元之間的距離，還有怎么匹配等等，很可能還會有新的發(fā)現(xiàn)。
　　順便提個醒：調(diào)試時一定要把天線認認真真架起來，離開地面至少有個兩、三米，周圍還要開闊一些哦！