調頻廣播接收八木天線的原理、製作與調整

    由於調頻廣播自身抗干擾性強、音質動聽加之節目源日益豐富，已成為廣大廣播愛好者收聽的首選，不過限於VHF頻段電磁波的視距傳輸特性，調頻廣播節目的發射覆蓋半徑較小，為充分改善遠距離收聽效果，有必要給心愛的收音機配上性能更優異的八木接收天線。八木天線是一款應用十分廣泛的經典定向天線，全稱"八木/宇田天線"，英文名為YAGI，由上世紀二十年代日本電機工程學教授八木秀次，在與他的學生宇田新太郎研究短波束時發明的。
    相對於基本的半波對稱振子或摺合振子天線，八木天線增益高、方向性強、抗干擾、作用距離遠，並且構造簡單、材料易得、價格低廉、擋風面小、輕巧牢固、架設方便。通常八木天線由一個激勵振子（也稱主振子）、一個反射振子（又稱反射器）和若干個引向振子（又稱引向器）組成。相比之下反射器最長，位於緊鄰主振子的一側，引向器都較短，並悉數位於主振子的另一側，全部振子加起來的數目即為天線的單元數，譬如一副五單元的八木天線就包括一個主振子、一個反射器和三個引向器，結構如圖1所示。主振子直接與饋電系統相連，屬於有源振子，反射器和引向器都屬於無源振子，所有振子均處於同一個平面內，並按照一定間距平行固定在一根橫貫各振子中心的金屬橫樑上。
 

原理簡述
    FM接收八木天線定向工作的原理，可依據電磁學理論進行詳盡的數學推導，但是比較繁瑣複雜，普通讀者也不易理解，這裡只做定性的簡單分析：我們知道，與天線電氣指標密切相關的是波長λ，長度略長於λ/4整數倍的導線呈電感性，長度略短於λ/4整數倍的導線呈電容性。由於主振子L採用長約λ/2的半波對稱振子或半波摺合振子，在中心頻點工作時處於諧振狀態，阻抗呈現為純電阻，而反射器A比主振子略長，呈現感性，假設兩者間距a為λ/4，接收信號時從天線前方某點過來的電磁波將先到達主振子，併產生感應電動勢ε1和感應電流I1，再經λ/4的距離后電磁波方到達反射器，產生感應電動勢ε2和感應電流I2，因空間上相差λ/4的路程，故ε2比ε1滯后90°，又因反射器呈感性I2比ε2滯后90°，所以I2比ε1滯后180°，反射器感應電流I2產生輻射到達主振子形成的磁場H2又比I2滯后90°，根據電磁感應定律H2在主振子上產生的感應電動勢ε1'比H2滯后90°，也就是ε1'比ε1滯后360°，即反射器在主振子產生的感應電動勢ε1'與電磁信號源直接產生的感應電動勢ε1是同相的，天線輸出電壓為兩者之和。

天線幾何尺寸的考慮
    對於設計製作一副接收天線，我們總希望它能夠有較高的效率和增益，足夠的帶寬，以及較強的信號選擇和抗干擾能力，同時與饋線阻抗盡量匹配，竭力降低駐波比和減小信號損耗。然而天線的各項幾何參數對其電氣性能都有影響，並且往往彼此矛盾、相互牽制，設計調整時不能顧此失彼，要結合實際的用途綜合考慮，分清主次，必要時還得犧牲一些次要的性能指標。
    由於八木天線的增益與軸向長度(從反射器到最末引向器的距離)、單元數目、振子長度及間距密切相關，軸向越長，單元數實際也就是引向器越多，方向越尖銳，增益越高，作用距離越遠，但超過四個引向器后，改善效果就不太明顯了，而體積、重量、製作成本則大幅增加，對材料強度要求也更嚴格，同時導致工作頻帶更窄。一般情況下採用6～12單元就足夠了，天線增益可達10～15dB，對於高增益的要求，可採用天線陣的辦法加以解決。引向器的長度通常為(0.41～0.46)λ，單元數愈多，引向器的最佳長度也就愈短，如果要求工作頻段較寬，引向器的長度也應取得短些。引向器的間距一般取(0.15～0.4)λ，大於0.4λ後天線增益將迅速下降，但第一引向器B和主振子的間距應略小於其它間距，例如取b≈0.1λ時，增益將會有所提高。
    一般來說，反射器A的長度及與主振子的間距對天線增益影響不大，而對前後輻射比和輸入阻抗卻有較大的影響，反射器長度通常為(0.5～0.55)λ，與主振子的間距為(0.15～0.23)λ。反射器較長或間距較小可有效地抑制後向輻射，但輸入阻抗較低，難於和饋線良好匹配，因而要採取折衷措施。對某些前後輻射比要求較高的使用場合，可以在與天線平面垂直方向上上下安裝兩個反射器，或者乾脆採用反射網的形式。有時為了著重改善天線帶寬的低頻端特性，還會在主振子的後面不同距離處排列兩個長度不等的反射器，其中較短的要離主振子近些。若想改善天線的高頻端特性，可適當調短引向器的長度。多元八木天線中引向器的長度和間距可以相等也可不等，從而分成均勻結構和不均勻結構兩種形式，不均勻結構的引向器，離主振子越遠長度越短，間隔越大，使得工作頻帶向高頻端方向拓展，調整起來相對靈活機動。天線增益越高，帶寬也會越窄，有時為展寬頻帶，還可採用兩個激勵振子，稱為雙激，或者直接選用複合式引向天線。考慮到八木天線的各項電氣指標在頻帶低端比較穩定，而高端變化較快，所以最初設計時頻率通常要稍高於中心頻率。另外振子所用金屬管材越粗，其特性阻抗越低，天線帶寬也就越大，振子直徑通常為(1/100～1/150)λ，當然實際選擇時還要考慮天線的整體機械特性。振子的粗細還會影響振子的實用最佳長度，這是因為電波在金屬中行進的速度與真空中不盡相同，實際製作長度都要在理論值上減去一個縮短係數，而導線越粗縮短係數越大，振子長度越小，對阻抗特性也造成一定影響。

輸入阻抗
    輸入阻抗是天線的一個重要特性指標，它主要由有源振子固有的自阻抗及與其鄰近的幾個無源振子間的互阻抗來決定的。遠處的引向器，由於和主振子耦合較弱，互阻抗可忽略不計。通常主振子有半波對稱振子和半波摺合振子兩種形式，單獨諧振狀態下，輸入阻抗都為純電阻，半波對稱振子的Zin=73.1Ω，標稱75Ω，半波摺合振子的Zin=292.4Ω，標稱300Ω，是半波對稱振子的四倍。而加了引向器、反射器無源振子后，由於相互之間的電磁耦合，阻抗關係變得比較複雜，輸入阻抗顯著降低，並且八木天線各單元間距越小阻抗也越低。為了增大輸入阻抗，提高天線效率，故主振子多選用半波摺合振子的形式，這樣也能同時增加天線的帶寬。只要適當選擇摺合振子的長度，兩導體的直徑比及其間距，並結合調整反射器及附近幾個引向振子的尺寸，就可以使輸入阻抗變換到等於或接近饋線特性阻抗的數值。
    尤其值得一提的是，雖然大多數無線電通信機天線埠及採用的同軸電纜特性阻抗都設計成50Ω，而廣播電視接收和傳輸同軸電纜特性阻抗為75Ω，但是對於任一天線，人們總可以通過阻抗調試，在要求頻率範圍內，使天饋線良好匹配，獲得滿意的駐波比。所以實用中並不十分注意八木天線輸入阻抗的具體數值，而主要以饋線上的駐波比為依據進行尺寸選擇或試驗調整。如果選用同軸電纜饋電，為保證天線的對稱性及與饋線的阻抗匹配，就必須在饋線和天線介面處加入“平衡一不平衡”轉換器，例如半波U型環式匹配器、變壓器式匹配器等，否則高頻信號在傳輸中衰減嚴重。因半波U型環式匹配器只需一段λ/2的同軸電纜，結構簡單，應用廣泛，具體接線方法如圖2所示。
 

天線的調整   
    由於引向器陣列對增益、後向輻射、輸入阻抗等都有影響，故實驗調整是八木天線投入使用前必不可少的一個步驟。調試時注意一定要把天線架起來，離開地面高度兩、三米以上，以免影響天線的阻抗和仰角。架設八木天線時，振子所在的天線平面既可以和大地平行又可以垂直，只要和發射端的天線保持相同的極化方式就行，平行則接收水平極化波，垂直則接收垂直極化波，因有足夠的隔離度，還可以共桿架設兩副相互垂直的引向天線，使用起來十分方便。為避免相位關係更加複雜化，降低調整難度，通常摺合振子平面要與橫樑垂直。因為各振子長度都約為半個波長，振子中點恰好位於電波感應信號電壓的零點，所以振子的中點能用金屬螺栓和鋁質橫樑直接固定，不必絕緣，這樣還能方便地泄放感應靜電。若主振子採用半波對稱振子，與饋線相接的地方必須和橫樑保持良好絕緣，若採用半波摺合振子，中點仍與橫樑相通。金屬橫樑與端射方向上的電場極化方向垂直，因此對天線輻射場不會產生顯著的影響。另外需要注意的是，由於天線一般架設在樓頂、陽台等室外環境，受風吹日晒雨淋后介面容易氧化生鏽，影響信號的傳輸和天線的匹配，使接收效果變差，需用防水膠帶提前處理，同時還應注意防雷。
 
 

選條捷徑
  雖然看上去FM接收八木天線只有幾根金屬振子和一根橫樑，結構並不複雜，但是若想做好做精也不是一件輕而易舉的事情，如果自行設計沒有足夠的把握，就可以完全仿照工程理論書籍給出的尺寸，或者藉助於一些現成的設計軟體，如國外的YAGI(下載地址http://www.ve3sqb.com/)等，以接收河北電台交通音樂頻道99.2 MHz節目為例，只需直接輸入頻率、單元數和振子直徑，就能得到各個單元的最佳尺寸和位置，如圖3所示，確保你也能順利地製造出一副優秀的YAGI。理論歸理論，只有實踐才能出真知，怎麼樣，還不抓緊動手試一試!