调频广播接收八木天线的原理、制作与调整

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。
  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。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。
一般情况下采用6～12单元就足够了，天线增益可达10～dB，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。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。
  输入阻抗
  输入阻抗是天线的一个重要特性指标，它主要由有源振子固有的自阻抗及与其邻近的几个无源振子间的互阻抗来决定的。远处的引向器，由于和主振子耦合较弱，互阻抗可忽略不计。通常主振子有半波对称振子和半波折合振子两种形式，单独谐振状态下，输入阻抗都为纯电阻，半波对称振子的Zin=73.1Ω，标称75Ω，半波折合振子的Zin=292.4Ω，标称Ω，是半波对称振子的四倍。而加了引向器、反射器无源振子后，由于相互之间的电磁耦合，阻抗关系变得比较复杂，输入阻抗显着降低，并且八木天线各单元间距越小阻抗也越低。为了增大输入阻抗，提高天线效率，故主振子多选用半波折合振子的形式，这样也能同时增加天线的带宽。只要适当选择折合振子的长度，两导体的直径比及其间距，并结合调整反射器及附近几个引向振子的尺寸，就可以使输入阻抗变换到等于或接近馈线特性阻抗的数值。