八木-宇田天线,常简称为“八木天线”,是一种定向天线。这种天线是1928年由日本天线专家八木秀次和宇田新太郎两人设计的。八木天线具有增益高、方向性强、结构简单的优点,它被广泛应用在无线电测向和长距离无线电通信。
在许多应用中,八木天线比其他类型的天线具有许多优势,但需要权衡天线的优缺点,以确保为任何特定用途选择正确类型的天线。
八木天线也有许多需要考虑的缺点。
八木天线是一种非常实用的射频天线设计形式,适用于需要增益和方向性的应用。尽管成本高于更基本的天线,但八木通常为增益、方向性和整体性能提供最具成本效益的选择。对于VHF及以上的频率,八木的尺寸是可以接受的,它已成为需要方向性和增益的标准业余天线类型。
八木天线定向工作的原理,可依据电磁学理论进行详尽地数学推导,但是比较繁琐复杂,也不易理解,这里只做定性的简单分析:我们知道,与天线电气指标密切相关的是波长λ,长度略长于λ/4整数倍的导线呈电感性,长度略短于λ/4整数倍的导线呈电容性。
由于主振子L采用长约λ/2的半波对称振子或半波折合振子,在中心频点工作时处于谐振状态,阻抗呈现为纯电阻,而反射器A比主振子略长,呈现感性,假设两者间距a为λ/4,以接收状态为例,从天线前方某点过来的电磁波将先到达主振子,并产生感应电动势ε1和感应电流I1,再经λ/4的距离后电磁波方到达反射器,产生感应电动势ε2和感应电流I2,因空间上相差λ/4的路程,故ε2比ε1滞后90°,又因反射器呈感性I2比ε2滞后90°,所以I2比ε1滞后180°,反射器感应电流I2产生辐射到达主振子形成的磁场H2又比I2滞后90°,根据电磁感应定律H2在主振子上产生的感应电动势ε1‘比H2滞后90°,也就是ε1比ε1滞后360°,即反射器在主振子产生的感应电动势ε1‘与电磁信号源直接产生的感应电动势ε1是同相的,天线输出电压为两者之和。
同理可推导出,对天线后方某点来的信号,反射器在主振子产生的感应电动势与信号直接产生的感应电动势是反相的,起到了抵消输出的作用。而引向器B、C、D等都比主振子略短,阻抗呈容性,假定振子间距b、c、d也等于λ/4,按上述方法也可推出引向器对前方过来的信号起着增强天线输出的作用。综上所述,反射器能够有效消除天线方向图后瓣,并和引向器共同增强天线对前方信号的灵敏度,使天线具有了强方向性,提高了天线增益。对于发射状态,推导过程亦然。实际制作过程中,通过缜密设计和适当调整各振子的长度及其间距,就能获得工作在不同中心频点、具有一定带宽、一定阻抗值和较好端射方向图的八木天线。
如右图所示,八木天线主要由四部分组成:
八木天线呈现出一种定向天线模式,它的辐射图由一个主前瓣和许多后部和侧面的杂散瓣组成。其中主杂散瓣是由反射器方向的辐射引起的反向波瓣。
八木天线可以进行优化,通过改变反射器的长度和间距来减少反向辐射,也可以进行优化以产生最高水平的正向增益。不幸的是,这两个条件并不完全重合,必须根据实际应用对天线性能做出妥协。
八木天线结构如图所示,它由一个有源振子,一个反射器和若干根引向器组成。其中稍长于有源振子的反射器起反射能量作用,较有源振子稍短的引向器起引导能量的作用。有源振子两侧的反射器和引向器使原来的双向辐射变成单向辐射,以提高天线的增益。八木天线结构简单、馈电方便,具有较高的增益,广泛应用于VHF/UHF频段。