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八木天线：简单、灵活，非常适合 DIY 爱好者使用，也适合即买即用

作者： Bill Schweber 2022-07-14

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工程

无线通信

射频与无线

天线及其配置有诸多基本类型，这些类型又派生出多种变体，可满足各种应用需求。它们可以设计成简单的长线天线、复杂的多频段阵列，甚至是多路输入/多路输出 (MIMO) 布置。

在众多可用的天线中，有一种天线长期以来一直深受 DIY 爱好者和商业设计师的青睐：八木天线（或者更准确地说，八木宇田天线）（图 1）。

图 1：基础型八木天线是一种三元天线，广泛用于商业、住宅和军事应用，经常出现在屋顶或桅杆上。（图片来源：EuroCaster/Denmark）

为什么八木天线如此受欢迎？

八木天线受欢迎的原因有很多：

尽管底层的电磁分析很复杂，但计算天线的必要尺寸却很容易。
针对实际问题对这些尺寸进行的任何调整（例如元件的厚度和末端边缘效应）都是众所周知的，并且可以将其作为尺寸分析因素。
这种天线易于制作并且与 DIY 项目兼容。
针对室外应用制作坚固类型的天线也相当容易，可使用标准的管子和配件，家庭用品商店即可买到。
此种天线尺寸适中，性能优异。
它们有一个简单的单馈电点，主要是阻抗，可以根据需要轻松匹配传输线路。
此种天线具有多个调整自由度，并且易于在内部或现场根据增益、指向性、带宽、旁瓣和其他因素（在合理范围内）进行修改。
基本设计可以提供良好的增益（典型值为 8 至 10 dB），通常参考全向 (dBi) 和高前后比天线（典型值为 10 至 20 dB），带宽适度（中心的 10% 至 20%），并且有方法可以改进这些值。
此种天线可以设计和制造成在很宽的频率范围内工作，并且许多商用装置可用于 30 MHz 至 3 GHz 的范围。
天线结构很容易扩展，能制成可以处理更高功率（达数百瓦或以上）的型号。

八木天线的发展

八木天线于 1926 年在日本开发，当时宇田新太郎 (Shintaro Uda) 教授在日本期刊上提出了这种天线的理论。不久之后，八木秀次 (Hidetsugu Yagi) 教授在《帝国学士院纪要》上发表了这个理论的英文译本 (Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves)，引起了广泛关注，这也解释了为什么“八木”这一名称与它最密切相关。

在有线电视和互联网流媒体出现之前，接收电视信号只能选择使用物理天线作为地面广播 (OTA) 射频信号。如果您距离电视发射器超过 10 或 20 英里，根据发射器功率和您所在位置的具体情况，您就需要一个增益高于简单折叠偶极天线的天线，而八木天线就是最常用的选择。

这些广播电视八木天线曾是几乎所有电子产品、电器或五金店的标配产品，现在在某种程度上仍然如此。地面广播电视观众要想从位于其房子不同方位的发射器接收信号，甚至可以添加手动或电动机构，以将八木天线转向目标发射器。

一些老旧地区有许多房屋仍然装有八木天线（即使不再使用），这些天线被固定到烟囱或单独的桅杆上。讽刺的是，伴随“断线”趋势，人们对地面广播电视的兴趣重新抬头，所有类型的天线（包括八木天线）的销售量都在增加。

除了地面广播电视应用之外，八木天线还广泛用于测向、业余无线电、军事系统以及高指向性、正向增益、高前后比和最小旁瓣非常重要的应用。

八木天线的基本工作原理

最简单的八木天线由沿支撑梁排列的三个元件组成，支撑梁通常是金属材质（图 2）。只有中心元件是电连接的（称为“驱动”元件），或为简单的中心馈电半波偶极天线，或为折叠偶极天线。驱动元件后面是一个稍长的绝缘反射器元件；前面是一个较短的绝缘“引向器”元件。

图 2：基础型八木天线具有三个元件：一个驱动（有源）偶极子元件，后面有一个无源反射器，前面有一个无源引向器，全部安装在一个悬臂上。（图片来源：RFWireless-World）

与有源驱动元件形成对比，反射器和引向器有时被称为“寄生”元件。然而，与对电路元器件性能产生不利影响的有害寄生效应不同，这些寄生效应对天线功能至关重要。这种工作原理是基于反射器和引向器元件的“调谐”，以使它们针对性地扭曲驱动元件的电磁 (EM) 场。

反射器的尺寸经过调整，便可在目标带宽下产生感应。然后，驱动元件中的感应 EM 电流相对于反射器元件发生相位偏移，从而将功率从寄生元件反射出去。这导致天线在与寄生元件相反的方向上辐射更多的射频功率。

反射器可以通过添加一个分立线圈来做成感应式的，但在实践中，几乎总是以更简单、更便宜的方式实现：让反射器长于驱动元件。依照标准的经验法则，反射器比驱动元件长 5%。

相反，通过使寄生元件具有电容性，感应电流会就发生相位偏移，从而将整个天线辐射的功率导向该元件的方向。同样，这可以通过分立电容器来实现，但通常会采取另一方法：使其比驱动元件短 5% 左右。

驱动元件和无源元件之间的间距也很关键。作为起点，驱动元件与反射器之间的间距范围为 0.23 λ 至 0.35 λ，而驱动元件与引向器之间的间距为 0.125 λ 至 0.15 λ。结果形成具有高指向性和高前后比以及适度旁瓣的辐射模式（图 3）。

图 3：简单八木天线的通用辐射模式呈现高指向性和高前后比以及适度旁瓣的特点。（图片来源：Electronics-Club）

这种基础型八木天线看起来是一条平衡传输线，阻抗在 10 Ω 和 40 Ω 之间，因此需要一个阻抗匹配电路。该天线也可以由阻抗匹配的平衡不平衡转换器驱动，此转换器还会将不平衡的同轴传输线转换为平衡的同轴传输线。

八木天线的灵活性

从八木天线的基本布置可以看出，它具有许多调整自由度。设计人员可以通过改变驱动和寄生元件的长度和直径及其间距，改变和平衡指向性、增益、前后比、带宽和旁瓣等天线参数。

八木天线的灵活性远不止于这些改变，因为八木天线并不仅限于三个元件。通过添加更多的引向器元件（这些引向器元件越靠近驱动元件越短），可以增加天线的指向性，并且可以减少旁瓣（图 4）。

图 4：在加长的悬臂上添加附加无源引向器元件，可以增加八木天线的指向性和前后比，同时可以减少旁瓣。（图片来源：Electronics-Notes）

这些附加引向器元件之间的间距也是一个分数波长，因此能提供另一个可以调整的参数，以便进一步调整八木天线性能来适应应用。有些八木天线带有六个或更多引向器元件（图 5）。添加这些附加元件会增加主支撑的总长度，但对复杂程度几乎没有影响。

图 5：增加更多的引向器可以延长悬臂的长度，但对结构复杂程度的影响很小，如图所示为带有 7 个引向器的八木天线。（图片来源：TreLink Communication Co., Ltd.）

可用的八木天线

除了专为旧模拟频段或较新数字频段中的地面广播电视设计的八木天线外，标准八木装置还可用于许多频谱部分。例如，Antenna Technologies Limited Company 的 220-6H-MK 是一种六元件（1 个驱动元件、1 个反射器、4 个引向器）八木天线，中心频率为 220 MHz，具有 215 MHz 至 225 MHz 的 3 dB 带宽（图 6）。

图 6：220-6H-MK 八木天线具有 215 MHz 至 225 MHz 的 3 dB 带宽，包括 1 个驱动元件、1 个反射器和 4 个引向器元件。（图片来源：Antenna Technologies Limited Company）

这款重型天线仅重 4.25 lb (1.9 kg)，增益为 9 dBi，前后比为 15 dB，悬臂长度为 5 英尺 (1.5 m)。其受风表面积仅为 0.67 平方英尺 (0.06 m²)，可承受高达 125 英里/小时 (200 km/hr) 的风速。

之于更高频率，Siretta Ltd. 的四频段 Oscar 3A提供了 850、900、1800 和 1900 MHz 中心频率覆盖，适合 GSM/GPRS 应用（图 7）。这种垂直极化天线可处理高达 200 W 的功率，并具有 11 dBi 增益，电压驻波比 (VSWR) 在其范围内低于 1.6。尺寸为 570 mm 长 × 180 mm 宽 × 36 mm 高，并配有一个 FME 公头连接器以及一个用于标准天线杆的通用夹具（图 7）。

图 7：Oscar 3A 覆盖 850、900、1800 和 1900 MHz 中心频率，可处理最高 200 W 的功率，同时提供 11 dBi 增益和低于 1.6 的 VSWR；带有基本的安装五金件，可以固定到桅杆上。（图片来源：Siretta Ltd.）

结语

八木宇田天线的应用已有近百年历史，因灵活性高、功能多样且高度可调，现仍被广泛使用。该天线非常适合需要高增益、高指向性、高前后比和低旁瓣的应用。这种天线外观简单，Antenna Technologies Company 和 Siretta 等公司均将其作为许多频带的标配产品提供。也可以由 DIY 爱好者轻松制作，并根据需要进行调整。由于其颇受欢迎且应用历史悠久，因此相关可用研究参考资料成千上万，从高度理论性的 EM 分析到动手制作/评估文章应有尽有。