本文介紹了八木天線的構造階段，它使用4NEC2軟件進行參數計算。這種天線用于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或類似程序的經驗。

八木天線介紹

八木天線是種定向天線（見圖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后部，長度通常比從動元件多5%。反射器與偶極子的距離約為波長的0.1至0.25。它還取決于帶寬、增益和前后比（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，這個點位于從動元件的中心。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%。它有助于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至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。對于來自其他方向的信號，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。電阻取決于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

本文將要構建的天線具有以下特征：

·工作頻率：433.92MHz

·引向器個數：1個

433.92MHz的頻率用于小型遙控器、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，并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；隨后的優化過程就使用4NEC2軟件執行。顯然，設計人員必須提供一些初始數據。

·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程序中輸入數據

4NEC2程序可幫助設計人員創建和優化其天線。為此，將這些尺寸作為固定數據插入并不方便，而最好使用變量，實際上，可以通過優化器對其進行修改和改進。如圖3所示，必須為天線的度量信息設置一些變量。如上所述，這些是初始參數，它們可以直接使用，也可以在以后進行優化。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程序使用圖3所示的電子表格存儲變量的值和天線的物理尺寸。

圖3：用于計算天線的符號。

根據元件的尺寸以及相對變量，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，分別用遞進數字進行標記（標簽：1、2、3）。每個元件都由九個部分組成，可用于確定程序的數學計算。特別是：

·與反射器相關的導線1（標簽1）的3D坐標在（-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坐標在（-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坐標在（-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。

程序中設置的所有定義都會生成一個NEC文本文件，而包含所有的天線規格。

CM Yagi by Giovanni Di Maria

CE

SY Ref=0.3422289 ‘Width Reflector

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

首次仿真

好了，即使還未對尺寸和元件之間的距離進行優化，我們也準備執行天線的首次仿真測試。首次仿真用于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序強大的實用性，它使我們甚至可以在構建天線和實際實現天線之前對其進行測試。通過啟動“頻率掃描”，可以設置一個頻率范圍，而在該范圍內虛擬傳輸天線。此處以1MHz為步長，將掃描頻率的范圍設置為400MHz至460MHz。生成的圖（見圖5）引人入勝并且非常重要，天線在445MHz的頻率處發生完美“諧振”，駐波比（SWR）約為1.07。目前，天線的頻率并不理想，如果在433.92MHz下使用，則其駐波比為1.7，阻抗（Z）為43Ω。圖5還突出顯示了八木天線的阻抗。

圖5：首次測試時的SWR和阻抗的曲線圖。

優化

程序當中有個優化選項，可以讓諧振頻率完美居中，從而在所需頻帶內獲得最低的SWR比。要執行這一自動調整，必須選擇要修改的變量，然后按“開始”按鈕。如圖6所示，經過一段時間，取決于變量的變化（在本例中大約是一分鐘），程序可為天線建議最佳參數（長度和距離）。

圖6：天線參數的優化。

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：優化前后的尺寸對比。

從表1可以看出，天線的初始參數經過優化后發生了改變。這些變化非常小，幾乎無法察覺，是在毫米和絲米級別。據此就可以清楚地理解天線結構中（相對于理論尺寸）很小的度量差異為什么會導致最終結果的巨大差異。以1MHz的步長重復仿真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，優化后的天線在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：優化后的SWR和阻抗圖。

現在可以執行“Far Field pattern”（遠場方向圖）仿真，來顯示輻射圖，如圖8所示。借此可檢查天線的性能，觀察信號指向哪個方向。

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清楚地表明了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，也可以通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，還可以借助3D CAD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中所看到的那樣，該結構的構造說明有極高的精度和整潔度。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度。

總結

本文所述天線的理論增益約為8.42dBi，它可以用于接收或發送433.92MHz頻率的無線電信號。可以使用以下公式輕松計算八木天線的前后比：

前后比(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

前后比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，而不是相除。設計天線是一個非常美妙、有趣卻又復雜的電子領域，而數學計算和專用軟件可以為設計人員提供極大的幫助。
編輯：hfy