八木天线设计-BD6ABP粗译版

美国标准局技术报告688八木天线设计 Peter P. Viezbicke BG6ABP译内容1、介绍12、测量方法13、结果13.1反射器间距对天线增益的影响23.2 不同的等长度引向器和间距对不同长度八木天线增益的影响23.3不同直径和长度的引向器对天线增益的影响63.4寄生元为最佳尺寸时横梁的尺寸对天线的影响63.5间距和分层对可实现的增益的影响64、设计八木天线165、结论216、感谢217、参考资料21表格和图列表表1六种不同的八木天线的寄生元的最佳长度7图1半波对称振子和反射器在不同间距单元间距下的增益3图24.2长的天线的三个反射单元的安排3图34.2长的天线的三角形健分布的反射器的安装4图4天线增益作为天线长度（引向器数）的函数在0.382长引向器下与不同等单元间距的关系4图5天线增益作为天线长度（引向器数）的函数在0.411长引向器下与不同等单元间距的关系5图6天线增益作为天线长度（引向器数）的函数在0.424长引向器下与不同等单元间距的关系5图7不同长度八木天线的增益比较，以显示最大增益下的引向器最佳长度与最佳的统一引向器长度之间的关系8图81.25长、三单元不同长度与直径的引向器、引向器间距为0.35的八木天线增益8图9显示单元直径波长比与单元长度的不同关系的不同天线的设计数据9图10横梁对天线单元长度的影响10图11层叠型八木天线阵间距与增益的函数关系11图12用两副上下间距为1.6的层叠组合组成的天线阵的水平距离与增益的函数关系11图13对称振子与反射器间距为0.2的方向图12图14三单元、0.4天线的方向图12图15五单元、0.8天线的方向图12图16六单元、1.2天线的方向图13图17十二单元、2.2天线的方向图14图18十七单元、3.2天线的方向图14图19十五单元、4.2天线的方向图15图20例1中计算各单元长度时设计曲线的使用18图21例2中计算各单元长度时设计曲线的使用20八木天线设计此报告使用建模的技巧，给出不同长度八木天线的最佳设计方案。为了便于设计天线的实际长度从0.2到4.2长频率范围适用于HF、VHF和UHF这些资料都以图形数据的形式给出。我们也研究过在不同天线参数对可实现的增益的影响，其结果也在本文中给出。最后，为获得更高增益的两副或更多天线的层叠结合天线阵的辅助数据我们也在本文中给出。关键字：天线、引向器、驱动单元、增益、方向图、反射器、八木天线。1 介绍八木宇田天线1（通常称为八木天线）是H.八木博士和S.宇田教授于1926年发明的。八木天线通常由一定数目的引向器和反射器组成，当它们适当地安装在支撑梁上时，可以增加天线在某个方向上的辐射强度。自从八木天线诞生以来，就出现了大量有关八木天线的分析、设计以及使用的报告2、3、4、5、6、7、8、9。然而，似乎很少有关于寄生元直径、单元长度、单元间距、支撑梁的影响、多反射器以及总长度对增益的影响的报道。本报告给出了由国家标准局所作出的有关以上各方面的大量的测量结果，这些结果均以图形数据的形式给出，以方便天线的设计从而获得最大的增益。此外，我们也给出了层叠型天线（一副天线在另一副天线的上方）的设计标准。天线的增益是基于与测试的八木天线有相同离地调试的水平对称振子天线的分贝数（dB）。2 测量方法（略）3 结果本次实验研究的测量结果均以图形数据的形式给出，我们的用意是为大家提供一种设计实际的天线并获得最高增益的简单的方法。这些测试的目的在于获得以下数据：a反射器间距对天线增益的影响b不同的等长度引向器的间距和数量对八木天线增益的影响c不同直径和长度的引向器对天线增益的影响d寄生元为最佳尺寸时横梁的尺寸对天线的影响e间距和分层对天线增益的影响f不同天线的方向图3.1 反射器间距对天线增益的影响本文涉及的实验的天线的横梁都是用树脂玻璃做的材料，安装在离地面3高。除了在3.3和3.4节中指出的例外，所有寄生元都是用直径为0.63cm（1/4寸）的铝管做成。八木天线的驱动单元和参考的半波对称振子天线均采用半波长折合振子，使用双支节匹配到50。对称振子与反射器的不同间距组合所得的天线增益见图1。测得的最大增益为2.6dB，此时的间距为0.2。在以后的测量中一直采用此反射器与对称振子的间距。然而，对不同参数的天线反射器的长度均作了优化以获得最大增益。我们采用图2所示的反射器设置又获得了0.75dB的额外增益。虽然我们只在4.2长的八木天线中采用了这样的安排，其它长度的天线也应可以实现相似的优化设计。图3为实验中的一副天线。如图所示，我们采用钻孔的树脂玻璃作支撑梁，测试了不同组合和间距反射器单元的4.2长八木天线。我们分别测试了不同的反射器形状：全面反射表面、抛物面和角状反射器。另外，我们也把不同形状的表面放置在驱动单元后的不同距离以作测试。在测试过的组合中，图2所示的那个获得了高于单一反射器最多的增益。3.2 不同的等长度引向器的间距和数量对八木天线增益的影响本节涉及的测量均使用前面提到的绝缘横梁。驱动单元为/2折合振子，反射器长0.482，离驱动单元0.2。所有单元的直径均为0.0085（0.25inch=0.63cm）。天线的增益作为不同等引向器长度和间距的天线的长度（引向器数）的函数来测量。引向器长度范围从0.304到0.423，间距范围从0.01到0.40。天线的长度从驱动单元到最远的引向器范围从0.2到10.2。所有情况下的反射器都是固定的。虽然我们做过很多的测量，我们只给出能显示该参数对增益有影响的结果和相关的图表。图4、5和6显示了不同引向器间距下引向器长度分别为0.382、0.411、0.424时天线增益和天线长度的函数关系。图4显示了对于相对较短的引向器在间距为0.3时，天线的增益随长度增大到约10时达到14.5dB的最大值。然而，请注意，各单元间距减小后，在较短的天线获得最大增益时，方向图会出现摆动，此摆动随天线长度在最大值与最小值之间的改变而有所不同。在引向器长度增加时，方向图的改变也变大，而且天线的增益也随之减小，见图5和图6。图7的曲线显示了最长到4.2的等引向器长天线与优化引向器长度的天线的增益对比。对于优化过的引向器长度的天线，增益从2.2长天线增加0.5dB到4.2长天线的约增加1.5dB递增。表1给出了不同长度天线的最佳参数。3.3 不同直径和长度的引向器对天线增益的影响此项由测量不同直径和长度的引向器的天线增益所决定。图8给出了用1.25长天线做的实验的结果曲线。和预计的一样，不同组合下的最大增益没有改变。直径较大的单元在较短的长度下获得最大增益，直径较小的单元在相对较长的长度下获得最大增益。我们对不同长度的天线进行过实验，并把记录这种效应的一系列测量结果在图9中给出。这些数据提供了八木天线的基本设计标准，并且只要单元直径和波长的比d/满足图中所示的范围，此标准在一个很宽的频率范围中都有效。3.4 寄生元为最佳尺寸时横梁的尺寸对天线的影响我们采用过圆形和方形的支撑梁以测出横梁的直径对寄生元为最佳尺寸时的天线的影响。圆形和方形的支撑梁的结果十分相近。圆形支撑梁对寄生元的修正曲线在图10中给出。这些实验数据可用来对最后的天线设计进行修正。3.5 间距和分层对天线增益的影响如图11所示，当一副天线层叠在另一副天线的上方或侧面时，天线可得到额外的增益。不单是增益提高了，波束也因应不同的结构而变窄了。图11（A）显示了层叠天线（一副在另一副上方）的影响。这种相互影响在两副七单元天线间和两副十五单元天线间是相似的。在短间距情况下大约0.8由于较高的互阻抗，天线阵的增益减小了，但在间距约为1.6时，增益增加了2.5dB。相似的测量结果见图11（B）。最大增益在两副天线间距为约2.0时实现了。按上述的两副天线间距组成的阵获得了额外的2.5dB增益，并相应地使波束变窄了。例如，4副0.8长的天线层叠起来，并按上述的间距和相位馈电，可达到相对于相同高度下的半波对称振子天线14.2dB的增益。相比之下，一副4.2长的天线能获得19.6dB的增益，如图12所示。3.6 不同天线的方向图不同设计天线的E面（水平面）和H面（竖直面）的方向图见图13到图19。最简单的八木天线（有一个反射器和一个驱动单元组成）见图13。3dB E面和H面宽度分别为66和111。三单元0.4长天线的波束宽度分别为57和72，见图14。E面的前向和侧向比为24dB，而前后比只有8dB。五单元0.8长天线的E面和H面3dB宽度分别为48和56，见图15。E面的前侧比与三单元天线差不多，但前后比改善了不少，为15dB。在图16到19所示的六、十二、十七和十五单元天线中，波束宽度和预想一样大大地减小，而增益则增加了。4 设计八木天线参考图9可以简化天线尺寸的设计并获得最大的增益。这些数据都是从400MHz的不同直径的模型中推出的。我们只给出了对使用者设计0.4、0.8、1.2、2.2、3.2、4.2倍于波长长度的天线并获得相应的7.1、9.2、10.2、12.3、13.4、14.2dB增益有用的数据。设计八木天线时，以下基本资料是必须的，当然，这取决于个人的要求。1、 工作频率f（波长）2、 要达到的增益G（dB）3、 寄生元（引向器和反射器）直径d/4、 支撑梁直径D/在工作波长或频率下各单元和支撑梁的直径也应仔细考虑。在频率较高的波段，可以选用直径较小且较轻的材料；而在低频上则要考虑选用更大更重的材料以利于支撑。另外还要注意的是，选定的单元直径与波长比应满足图中的要求。如果要用上述数据获得最大的增益，那么最好严格按照下面所述的程序完成。另外，单元的长度应多预留0.003。为了帮助设计者熟悉设计过程，这里给出了两个例子。第一个例子设计了一副五单元0.8长的天线；第二个例子则详细地说明了十五单元4.2长天线的设计过程。在第一个例子中，我们设计的是工作在业余频段50.1MHz上的0.8长的天线，设计增益为相对于半波对称振子天线高9.2dB。各单元应使用直径为2.54cm（1英寸）的铝管，支撑梁用直径为5.08cm（2英寸）的铝管。假设：频率：50.1MHz，=597cm单元直径d=2.54cm d/=0.0042 横梁的直径D=5.1cm D/=0.0085 单元间距=0.2=119cm 总长度=0.8=478cm（译者注：此例子的过程按天线理论分析与设计C.A.巴拉尼斯注钟顺时、任凯湘译本电子工业出版社出版下册38页）第一步：根据表1，所设计的阵列将总共有五个单元（三个引向器、一个反射器和一个馈电器）。对d/=0.0085，最佳长度将是表1第二行中所示的值（l3=l5=0.428，l4=0.424，l1=0.482）。天线总长为L=(0.6+0.2) =0.8，引向器间距为0.2，反射器间距为0.2，反射器间距为0.2。现在需求d/=0.00424时寄生元的最佳长度。第二步：在图9中画出表1给出的最佳长度（），并用圆点标出它们。第三步：在图9上画一垂线通过d/=0.00424，交曲线B于引向器未补偿长度处和反射器长度处。用标记这些点。第四步：用分规沿引向器曲线B量出点和点之间的距离。沿曲线B，从其上由第三步建立的标有的点起，向下移动上述距离，确定未补偿的长度。这样，在f=50.1MHz时阵列未补偿支杆影响的长度是：第五步：修正单元长度以补偿支杆直径的影响。由图10，对支杆直径波长比0.00852，每单元相对长度需增加约0.005。故单元最后长度应为设计数据是利用架高3的非导体有机玻璃支杆上作的实验得了的。馈电元是半波折合振子，用双枝节调配器调到与50馈线相匹配。（例2略）5 结论（略）6 感谢（略）7 参考书目（略）表1六个不同长度八木天线的寄生元最佳长度d/=0.0085s12=0.2 天线总长（）0.40.81.22.23.24.2反射器长度(lr/)0.4820.4820.4820.4820.4820.475引向器长度（）10.4240.4280.4280.4320.4280.42420.4240.4200.4150.4200.42430.4280.4200.4