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自制八木天线

2020-10-15 Giovanni Di Maria 阅读:
本文介绍了八木天线的构造阶段,它使用4NEC2软件进行参数计算。这种天线用于电磁波的发送和接收,本项目指的是433.92MHz的频率。为了理解本文,需要具备最低的天线理论知识和4NEC2或类似程序的经验。

本文介绍了八木天线的构造阶段,它使用4NEC2软件进行参数计算。这种天线用于电磁波的发送和接收,此处所示的项目指的是433.92MHz的频率。为了理解本文,需要具备最低的天线理论知识和4NEC2或类似程序的经验。s7fednc

八木天线介绍

八木天线是种定向天线(见图1),通常由三个元件组成:s7fednc

·反射器s7fednc

·偶极子s7fednc

·一个或多个引向器元件s7fednc

反射器放置在偶极子的后部,长度通常比从动元件多5%。反射器与偶极子的距离约为波长的0.1至0.25。它还取决于带宽、增益和前后比(F/B)。偶极子(或从动元件)是馈线连接到发射器或接收器的馈电点,这个点位于从动元件的中心。引向器是最短的寄生元件,与从动元件相比,它的长度短了5%。它有助于实现所需的增益和方向图。引向器之间的间距通常为波长的0.1至0.5,这种元件组装在称为横杆的管状或四边形截面上,可以安装在绝缘子上的吊杆上。对于来自其他方向的信号,它提供了良好的增益和良好的衰减。天线的增益约为6dB,随着横杆长度和引向器数量的增加而增加,最高可以达到约20dB。电阻取决于元件之间的距离以及所用材料的长度和直径之比。s7fednc

s7fednc

图1:八木天线的结构。s7fednc

八木天线指标

本文将要构建的天线具有以下特征:s7fednc

·工作频率:433.92MHzs7fednc

·引向器个数:1个s7fednc

433.92MHz的频率用于小型遥控器、开门器、编码命令等。设计人员也可以根据自己的需要,创建其他谐振频率的偶极子,并为此选择合适的元件数量。为了手动执行计算,可以使用以下方程式得出天线的初始尺寸;随后的优化过程就使用4NEC2软件执行。显然,设计人员必须提供一些初始数据。s7fednc

·e=传播速度=300,000,000m/ss7fednc

·f=载波频率s7fednc

·λ=e/fs7fednc

·反射器长度=0.495λs7fednc

·偶极子长度=0.473λs7fednc

·引向器长度=0.440λs7fednc

·反射器/偶极子间距=0.125λs7fednc

·偶极子/引向器间距=0.125λs7fednc

根据一般公式,八木天线的初始尺寸(另见图2中的引用)如下:s7fednc

·e=300,000,000s7fednc

·f=433,920,000s7fednc

·λ=0.69137168s7fednc

·反射器长度=0.3422289ms7fednc

·偶极子长度=0.3270188ms7fednc

·引向器长度=0.3042035ms7fednc

·反射器/偶极子间距=0.0864214ms7fednc

·偶极子/引向器间距=0.0864214ms7fednc

s7fednc

图2:八木天线的初始和理论尺寸。s7fednc

在4NEC2程序中输入数据

4NEC2程序可帮助设计人员创建和优化其天线。为此,将这些尺寸作为固定数据插入并不方便,而最好使用变量,实际上,可以通过优化器对其进行修改和改进。如图3所示,必须为天线的度量信息设置一些变量。如上所述,这些是初始参数,它们可以直接使用,也可以在以后进行优化。这些符号(Symbol)如下:s7fednc

·Ref=0.3422289(反射器的宽度)s7fednc

·Dip=0.3270188(偶极子的宽度)s7fednc

·Dir=0.3042035(引向器的宽度)s7fednc

·RefToDip=0.0864214(从反射器到偶极子的距离)s7fednc

·DipToDir=0.0864214(从偶极子到引向器的距离)s7fednc

·RefToDir=RefToDip+DipToDir(从反射器到引向器的距离)s7fednc

4NEC2程序使用图3所示的电子表格存储变量的值和天线的物理尺寸。s7fednc

s7fednc

图3:用于计算天线的符号。s7fednc

根据元件的尺寸以及相对变量,还必须在“Geometry”(几何)选项卡中输入物理尺寸,如图4所示。天线由三个元件组成,分别用递进数字进行标记(标签:1、2、3)。每个元件都由九个部分组成,可用于确定程序的数学计算。特别是:s7fednc

·与反射器相关的导线1(标签1)的3D坐标在(-Ref/2,0,0.2)和(Ref/2,0,0.2)之间,半径为0.0001m。s7fednc

·与偶极子相关的导线2(标记2)的3D坐标在(-Dip/2,RefToDip,0.2)和(Dip/2,RefToDip,0.2)之间,半径为0.0001m。s7fednc

·与导向器相关的导线3(标记3)的3D坐标在(-Dir/2,RefToDir,0.2)和(Dir/2,RefToDir,0.2)之间,半径为0.0001m。s7fednc

·天线的电源连接到第二根导线的第5段(中心)上。s7fednc

s7fednc

图4:带有天线尺寸的Geometry选项卡。s7fednc

程序中设置的所有定义都会生成一个NEC文本文件,而包含所有的天线规格。s7fednc

CM Yagi by Giovanni Di Marias7fednc

CEs7fednc

SY Ref=0.3422289 ‘Width Reflectors7fednc

SY Dip=0.3270188 ‘Width Dipoles7fednc

SY Dir=0.3042035 ‘Width Directors7fednc

SY RefToDip=0.0864214 ‘Distance from Reflector to Dipoles7fednc

SY DipToDir=0.0864214 ‘Distance from Dipole to Directors7fednc

SY RefToDir=RefToDip+DipToDir ‘Distance from Reflector to Directors7fednc

GW 1 9 -Ref/2 0 0.2 Ref/2 0 0.2 .0001 ‘Reflectors7fednc

GW 2 9 -Dip/2 RefToDip 0.2 Dip/2 RefToDip 0.2 .0001 ‘Dipoles7fednc

GW 3 9 -Dir/2 RefToDir 0.2 Dir/2 RefToDir 0.2 .0001 ‘Directors7fednc

GE 1s7fednc

GN 2 0 0 0 4 0.003s7fednc

EKs7fednc

EX 0 2 5 0 1 0 0 ‘Voltage source (1+j0) at wire 1 segment 5.s7fednc

FR 0 0 0 0 433.92 0s7fednc

ENs7fednc

首次仿真

好了,即使还未对尺寸和元件之间的距离进行优化,我们也准备执行天线的首次仿真测试。首次仿真用于计算和显示辐射方向图、阻抗、天线方向性和其他基本参数,也有必要在期望的工作频率下观察八木天线的行为。现在可以欣赏到该程序强大的实用性,它使我们甚至可以在构建天线和实际实现天线之前对其进行测试。通过启动“频率扫描”,可以设置一个频率范围,而在该范围内虚拟传输天线。此处以1MHz为步长,将扫描频率的范围设置为400MHz至460MHz。生成的图(见图5)引人入胜并且非常重要,天线在445MHz的频率处发生完美“谐振”,驻波比(SWR)约为1.07。目前,天线的频率并不理想,如果在433.92MHz下使用,则其驻波比为1.7,阻抗(Z)为43Ω。图5还突出显示了八木天线的阻抗。s7fednc

s7fednc

图5:首次测试时的SWR和阻抗的曲线图。s7fednc

优化

程序当中有个优化选项,可以让谐振频率完美居中,从而在所需频带内获得最低的SWR比。要执行这一自动调整,必须选择要修改的变量,然后按“开始”按钮。如图6所示,经过一段时间,取决于变量的变化(在本例中大约是一分钟),程序可为天线建议最佳参数(长度和距离)。s7fednc

s7fednc

图6:天线参数的优化。s7fednc

天线的新计算参数如下:s7fednc

·Ref=0.348795(反射器的宽度);s7fednc

·Dip=0.331652(偶极子的宽度);s7fednc

·Dir=0.302103(引向器的宽度);s7fednc

·RefToDip=0.086591(从反射器到偶极子的距离);s7fednc

·DipToDir=0.086301(从偶极子到引向器的距离);s7fednc

·RefToDir=RefToDip+DipToDir(从反射器到引向器的距离)。s7fednc

表1所示,尺寸的变化很小。s7fednc

s7fednc

表1:优化前后的尺寸对比。s7fednc

表1可以看出,天线的初始参数经过优化后发生了改变。这些变化非常小,几乎无法察觉,是在毫米和丝米级别。据此就可以清楚地理解天线结构中(相对于理论尺寸)很小的度量差异为什么会导致最终结果的巨大差异。以1MHz的步长重复仿真400MHz和460MHz之间的扫描频率,所产生的新曲线图如图7所示。由此可知,优化后的天线在433.92MHz的频率下发生完美“谐振”,SWR约为1.005(无损耗),阻抗(Z)为50.28Ω,天线现在工作正常。s7fednc

s7fednc

图7:优化后的SWR和阻抗图。s7fednc

现在可以执行“Far Field pattern”(远场方向图)仿真,来显示辐射图,如图8所示。借此可检查天线的性能,观察信号指向哪个方向。s7fednc

s7fednc

图8:具有三个元件的八木天线的辐射图。s7fednc

图9中可以看到天线在3D空间中的效果。不同的颜色表示各个方向的增益。s7fednc

s7fednc

图9:3D空间中天线的辐射。s7fednc

图8图9清楚地表明了八木天线在特定方向上的定向行为。s7fednc

常规构造

本节仅提供一些一般性说明,设计人员可根据自己的情况制定最佳策略,也可以通过更改天线的所有构造参数来修改发送或接收频率。如图10所示,还可以借助3D CAD预览最终项目。s7fednc

s7fednc

图10:3D CAD可以为设计提供一些帮助。s7fednc

图11所示,从动元件是普通偶极子,连接到50Ω阻抗的电缆。s7fednc

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图11:电缆与偶极子的连接。s7fednc

正如在图12中所看到的那样,该结构的构造说明有极高的精度和整洁度。尺寸的微小差异都会影响最终结果,尤其是在高频下。s7fednc

s7fednc

图12:八木天线的结构需要极高的精度。s7fednc

总结

本文所述天线的理论增益约为8.42dBi,它可以用于接收或发送433.92MHz频率的无线电信号。可以使用以下公式轻松计算八木天线的前后比:s7fednc

前后比(dB)=正向增益(dB)/反向增益(dB)s7fednc

根据辐射图,有:s7fednc

·正向增益(dB)=8.42dBs7fednc

·反向增益(dB)=-6.69dBs7fednc

前后比dB=8.42dB-(-)6.69dB=15.110dBs7fednc

请记住,dB是一个对数值,因此必须对两个数字相减,而不是相除。设计天线是一个非常美妙、有趣却又复杂的电子领域,而数学计算和专用软件可以为设计人员提供极大的帮助。s7fednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb,参考链接:Let's Build the Yagi Antenna,由赵明灿编译)s7fednc

本文为《电子技术设计》2020年10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里s7fednc

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