自製八木天線

作者 : Giovanni Di Maria,EEWeb

本文介紹了八木天線的構造步驟,它使用4NEC2軟體進行參數計算。這種天線用於電磁波的發送和接收,此處所示的項目指的是433.92MHz的頻率。為了理解本文,需要具備最低的天線理論知識和4NEC2或類似程式的經驗。

本文介紹了八木天線的構造步驟,它使用4NEC2軟體進行參數計算。這種天線用於電磁波的發送和接收,此處所示的項目指的是433.92MHz的頻率。為了理解本文,需要具備最低的天線理論知識和4NEC2或類似程式的經驗。

八木天線介紹

八木天線是種定向天線(圖1),通常由三個元件組成:

  • 反射器
  • 偶極子
  • 一個或多個引向器元件

反射器放置在偶極子的後方,長度通常比從動元件(driven element,亦稱被驅動元件)多5%。反射器與偶極子的距離約為波長的0.1~0.25,它還取決於頻寬、增益和前後比(F/B)。偶極子(或從動元件)是饋線連接到發射器或接收器的饋電點,這個點位於從動元件的中心。引向器是最短的寄生元件,與從動元件相比,它的長度短了5%,它有助於實現所需的增益和方向圖。引向器之間的間距通常為波長的0.1~0.5,這種元件組裝在稱為橫桿的管狀或四邊形截面上,可以安裝在絕緣子上的吊桿上,對於來自其他方向的訊號,它提供了良好的增益和良好的衰減。天線的增益約為6dB,隨著橫桿長度和引向器數量的增加而增加,最高可以達到約20dB。電阻取決於元件之間的距離,以及所用材料的長度和直徑之比。

圖1 八木天線的結構。

八木天線指標

本文將要建構的天線具有以下特徵:

  • 工作頻率:433.92MHz
  • 引向器個數:1個

433.92MHz的頻率用於小型遙控器、開門器、編碼命令等。設計人員也可以根據自己的需要,創建其他諧振頻率的偶極子,並為此選擇合適的元件數量。為了手動執行計算,可以使用以下方程式得出天線的初始尺寸;隨後的最佳化過程就使用4NEC2軟體執行。顯然,設計人員必須提供一些初始資料。

  • e = 傳播速度= 300,000,000m/s
  • f = 載波頻率
  • λ = e/f
  • 反射器長度= 0.495λ
  • 偶極子長度= 0.473λ
  • 引向器長度= 0.440λ
  • 反射器/偶極子間距= 0.125λ
  • 偶極子/引向器間距= 0.125λ

根據一般公式,八木天線的初始尺寸(另見圖2中的引用)如下:

  • e = 300,000,000
  • f = 433,920,000
  • λ = 0.69137168
  • 反射器長度= 0.3422289m
  • 偶極子長度= 0.3270188m
  • 引向器長度= 0.3042035m
  • 反射器/偶極子間距= 0.0864214m
  • 偶極子/引向器間距= 0.0864214m

圖2 八木天線的初始和理論尺寸。

在4NEC2程式中輸入資料

4NEC2程式可協助設計人員創建和最佳化其天線。為此,將這些尺寸作為固定資料插入並不方便,而最好使用變數,實際上,可以透過最佳化器對其進行修改和改進。如圖3所示,必須為天線的度量資訊設置一些變數。如上所述,這些是初始參數,它們可以直接使用,也可以在以後進行最佳化,這些符號(Symbol)如下:

  • Ref = 0.3422289 (反射器的寬度)
  • Dip = 0.3270188 (偶極子的寬度)
  • Dir = 0.3042035 (引向器的寬度)
  • RefToDip = 0.0864214 (從反射器到偶極子的距離)
  • DipToDir = 0.0864214 (從偶極子到引向器的距離)
  • RefToDir = RefToDip+DipToDir (從反射器到引向器的距離)

4NEC2程式使用圖3所示的試算表儲存變數的值和天線的物理尺寸。

圖3 用於計算天線的符號。

根據元件的尺寸及相對變數,還必須在「Geometry(幾何)」選項卡中輸入物理尺寸,如圖4所示。天線由三個元件組成,分別用遞進數位進行標記(標籤:1、2、3)。每個元件都由九個部分組成,可用於確定程式的數學計算,特別是:

  • 與反射器相關的導線1(標籤1)的3D座標在(-Ref/2,0,0.2)和(Ref/2,0,0.2)之間,半徑為0.0001m;
  • 與偶極子相關的導線2(標記2)的3D座標在(-Dip/2,RefToDip,0.2)和(Dip/2,RefToDip,0.2)之間,半徑為0.0001m;
  • 與導向器相關的導線3(標記3)的3D座標在(-Dir/2,RefToDir,0.2)和(Dir/2,RefToDir,0.2)之間,半徑為0.0001m;
  • 天線的電源連接到第二根導線的第5段(中心)上。

圖4 帶有天線尺寸的Geometry選項卡。

程式中設置的所有定義都會生成一個NEC文字檔,而包含所有的天線規格。

SY Dip = 0.3270188 ‘Width Dipole

SY Dir = 0.3042035 ‘Width Director

SY RefToDip = 0.0864214 ‘Distance from Reflector to Dipole

SY DipToDir = 0.0864214 ‘Distance from Dipole to Director

SY RefToDir = RefToDip+DipToDir ‘Distance from Reflector to Director

GW 1 9 -Ref/2 0 0.2 Ref/2 0 0.2 .0001 ‘Reflector

GW 2 9 -Dip/2 RefToDip 0.2 Dip/2 RefToDip 0.2 .0001 ‘Dipole

GW 3 9 -Dir/2 RefToDir 0.2 Dir/2 RefToDir 0.2 .0001 ‘Director

GE 1

GN 2 0 0 0 4 0.003

EK

EX 0 2 5 0 1 0 0 ‘Voltage source (1+j0) at wire 1 segment 5.

FR 0 0 0 0 433.92 0

EN

首次模擬

好了,即使還未對尺寸和元件之間的距離進行最佳化,我們也準備執行天線的首次模擬測試。首次模擬用於計算和顯示輻射方向圖、阻抗、天線方向性和其他基本參數,也有必要在期望的工作頻率下觀察八木天線的行為。現在可以欣賞到該程式強大的實用性,它使我們甚至可以在建構天線和實際實現天線之前對其進行測試。透過啟動「頻率掃描」,可以設置一個頻率範圍,而在該範圍內虛擬傳輸天線。此處以1MHz為步長,將掃描頻率的範圍設置為400MHz~460MHz。生成的圖(圖5)引人入勝並且非常重要,天線在445MHz的頻率處發生完美「諧振」,駐波比(SWR)約為1.07。目前,天線的頻率並不理想,如果在433.92MHz下使用,則其駐波比為1.7,阻抗(Z)為43Ω,圖5還突顯了八木天線的阻抗。

圖5 首次測試時的SWR和阻抗的曲線圖。

最佳化

程式當中有個最佳化選項,可以讓諧振頻率完美居中,從而在所需頻段內獲得最低的SWR比。要執行這一自動調整,必須選擇要修改的變數,然後按「開始」按鈕。如圖6所示,經過一段時間,取決於變數的變化(在本例中大約是1分鐘),程式可為天線建議最佳參數(長度和距離)。

圖6 天線參數的最佳化。

天線的新計算參數如下:

  • Ref = 0.348795 (反射器的寬度);
  • Dip = 0.331652 (偶極子的寬度);
  • Dir = 0.302103 (引向器的寬度);
  • RefToDip = 0.086591 (從反射器到偶極子的距離);
  • DipToDir = 0.086301 (從偶極子到引向器的距離);
  • RefToDir = RefToDip+DipToDir (從反射器到引向器的距離)。

如表1所示,尺寸的變化很小。

表1 最佳化前後的尺寸對比

從表1可以看出,天線的初始參數經過最佳化後發生了改變。這些變化非常小,幾乎無法察覺,是在毫米(mm)和0.1毫米的等級。據此就可以清楚地理解天線結構中(相對於理論尺寸)很小的度量差異為什麼會導致最終結果的巨大差異。以1MHz的步長重複模擬400MHz和460MHz之間的掃描頻率,所產生的新曲線圖如圖7所示。由此可知,最佳化後的天線在433.92MHz的頻率下發生完美「諧振」,SWR約為1.005(無損耗),阻抗(Z)為50.28Ω,天線現在工作正常。

圖7 最佳化後的SWR和阻抗圖。

現在可以執行「遠場方向圖」(Far Field pattern)模擬,來顯示輻射圖,如圖8所示。借此可檢查天線的性能,觀察訊號指向哪個方向。

圖8 具有三個元件的八木天線的輻射圖。

在圖9中可以看到天線在3D空間中的效果。不同的顏色表示各個方向的增益。

圖9 3D空間中天線的輻射。

圖8和圖9清楚地表示八木天線在特定方向上的定向行為。

常規構造

本節僅提供一些一般性說明,設計人員可根據自己的情況制定最佳策略,也可以透過更改天線的所有構造參數來修改發送或接收頻率。如圖10所示,還可以利用3D CAD獲得幫助而預覽最終項目。

圖10 3D CAD可以為設計提供一些幫助。

如圖11所示,從動元件是普通偶極子,連接到50Ω阻抗的電纜。

圖11 電纜與偶極子的連接。

正如在圖12中看到的那樣,該結構的構造說明有極高的精準度和整潔度。尺寸的微小差異都會影響最終結果,尤其是在高頻下。

圖12 八木天線的結構需要極高的精準度。

總結

本文所述天線的理論增益約為8.42dBi,它可以用於接收或發送433.92MHz頻率的無線電訊號。可以使用以下公式輕鬆計算八木天線的前後比:

前後比(dB) =正向增益(dB) /反向增益(dB)

根據輻射圖,有:

  • 正向增益(dB) = 8.42dB
  • 反向增益(dB) = -6.69dB

前後比dB = 8.42dB-(-)6.69dB = 15.110dB

請記住,dB是一個對數值,因此必須對兩個數字相減,而非相除。設計天線是一個有趣卻又複雜的電子領域,數學計算和專用軟體可以為設計人員提供幫助。

(參考原文:Let’s Build the Yagi Antenna,by Giovanni Di Maria)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年10月號雜誌

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