LOGO

八木天線單一指向的原理

No.44   1996 Sep.   p58~59,   by 鄭雲榜 BV9AAA , JH2LGZ, 日本名古屋



    眾所周知,八木天線具有單一指向性,而且其單元元件數越多,指向性越尖銳,但此一理論對於初學者而言,卻是知其然,而不知其所以然。


基本構造

    參看圖 1,這是最基本的三單元八木天線的構造圖,圖中所示,是由放射器 A,反射器 R 以及導波器 D 所構成;其中,放射器 A 為標準半波長天線,並從中央作平衡式饋電,而反射器 R 的長度則比 1/2 波長稍長 (實際設計天線時,其長度要由數學公式計算決定),因此,它和放射器 A 標準半波長天線所具有的純阻抗比較起來,便帶有電感抗的電氣特性。另一方面,導波器 D 的長度則較 1/2 波長稍短,也因此它和放射器 A 的標準半波長天線比較起來,便具有電容抗的電氣特性 (此一理論請參照圖 4(a) 與 (b) 的說明)。

Fig 01
圖 1:基本的三單元八木天線構造圖。

    在理論上,當這三個單元的間隔各為 1/4 波長時,最能相互耦合,並且達到單一指向的特性,所以此次以 1/4 波長的例子來做說明,但在實際設計時,因使用頻率,單元數量,單元導體的粗細,及其他因素之不同,而有出入,正確的尺寸,還須利用數學式之計算而求之。


理論說明

    首先我們來看看放射器 A (以下簡稱 A) 與反射器 R (以下簡稱 R) 之間的互動關係。由圖 2(a) 及圖 3 所示,當 A 所發射出的電波到達 R 時,因兩者間的間隔為 1/4 波長,而造成 90 度的相位差,並且在 R 的導體上感應出射頻電力,如前所述,R 的長度較 A 稍長,而帶有電感抗特性的關係,因此 R 上所流動的射頻電流 I2 的相位又較其射頻電力的相位延遲了 90 度,請參照圖 3 中 R 下面的虛線波形,又當此感應電流向外作第二次放射時,其電波的相位又較 R 的電流 I2 之相位延遲了 90 度,到此為 止,比起從 A 所發射出電波之相位,已造成 270 度的相位差,最後這電波返回 A 時,因經過 1/4 波長,又延遲了 90 度,結果如圖 3 所示,一次電波和由 R 所返回的二次電波之相位差 360 度,亦即同相位,而與 A 向前方發射的電波重疊,增強了前方電波的發射強度;另一方面,向後方進行的二次放射波及 A 所放射的一次電波之間的相位差為 180 度,互相抵消的關係,因而幾乎無電波向後方作放射。

Fig 02
圖 2:三單元八木天線各元件之間的互動關係。

Fig 03
圖 3:天線側平面之電波放射圖。

    其次為導波器 D (以下簡稱 D) 和放射器間的互動關係,請參照圖 2(b) 及圖 3 前方的部分,如前所述,D 的長度較 A 稍短,帶有電容抗特性,因此在 D 導體所流動的射頻電流 13 較其所感應的射頻電力相位超前 90 度,另外從 D 所放射出的二次電波則較 A 的一次電波延遲了 90 度相位,而這一超前又一延遲,亦即無相位差,結果使兩個波形互相結合,向前增強放射。

    由上述的說明,導出了一個結論,即反射器及導波器向前方所放射的電波,皆和放射器同相位,並相互結合向前發射,而放射器及反射器向後方放射的電波,因有 180 度的相位差而相互抵消,這便是八木天線單一指向性的最基本原理。

Fig 04
圖 4:天線導體 (反射器及導波器) 上射頻電壓、射頻電流、及阻抗分佈圖。



結語

    平時各位同好所使用的四單元、五單元甚至十幾單元的八木天線,其動作原理幾乎完全相同,只不過因前方導波器數量之增加,使其指向性更為顯著,尖銳而已。對於天線設計及製作有興趣的初學者,要是能將上述之理論融會貫通,並進一步參考較深奧的理論書籍,我想今後各位在自行設計及製作時,將無往不利。 END



雜誌目錄 依順序 雜誌目錄 依主題分類