八木-宇田天线

八木-宇田天线介绍

这种天线又称为引向天线，由一个有源振子（称为馈电元）和平行的若干无缘振子（称为寄生元）。适当调节各个振子的长度和间距，可以改变无源阵子上的感应电流的相位和振幅，获得良好的端射方向图和较高的增益。
八木天线有源贞子起到用有用信号电流激励电磁波或接收电磁波产生的电流信号的作用；反射器起到削弱一侧电磁场的作用；引向器一侧相当于一个端射振子阵列，阵列单元引向器越多，方向图越尖锐，增益越高，但也不是越多越好，超过四五个之后，增益变化不那么明显，二期阵列方向体积太大、自重太高、成本上升。一般三个引向器就足够。

基本知识点：
寄生单元相对于受激单元的电流幅度以及相位关系依赖于该寄生单元的调谐。
当半波长为$\lambda /2$，寄生单元为电感性（长度大于其谐振长度）时，起反射器的作用；为容性（长度小于其谐振长度）时，起引向器的作用。
同时采用反射器和引向器构成阵列。
宇天新太郎实验发现最佳的反射器长约$\lambda /2$，与受激单元相聚约$\lambda /4$；最佳的引向器比$\lambda /2$约短10%，相距约$\lambda /3$。
八木和宇田一起汇报，将该天线用作短波的功率传输。随后八木在美国对无线电工程师协会进行演讲，该天线被称为“八木天线”。虽然该天线称为“八木天线”，但普遍的认同为“八木-宇田天线”。

经验尺寸

$\begin{array}{c}2l_0=(0.45,0.48)\lambda \\ 2l_D=(0.4,0.45)\lambda \\ 2l_R>2L_0\\ S_1=(0.1,0.3)\lambda \\ S_D=(0.15,0.4)\lambda \\ S_R=(0.15,0.25)\lambda \end{array}$
振子半径一般为$a=(0.002,0.01)\lambda$
典型的八木-宇田天线：具有10dBi的最大定向性，10%的半功率频带宽度

该天线单元所在平面内HPBW=44°，垂直平面内HPBW=64°，线极化，G=9.4dbi，为端射天线。
该天线若加长反射器能改进低频工作性能、缩短引向器改进高频性能，可以将八木-宇田天线固有的窄带特性展宽到1.5:1，但是要牺牲5dB的增益（许多窄带天线宽带化都是牺牲增益实现的。其次振子粗一些，可以展宽阻抗带宽）。

辐射原理

简单分析：
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，

接收

• 假设主振子和发射器相距λ/4。
• 电磁波从天线前方传来先到达主振子，产生感应电动势$E_A$和感应电流$I_A$，由于主振子处于谐振状态，只有纯阻抗，所以$E_A$和$I_A$相位相同，假设为0°。
• 电磁波传播到反射器，产生感应电动势$E_R$和感应电流$I_R$。波程差为λ/4，$E_R$相位比$E_A$滞后90°。由于反射器长于半波长为感性，所以$I_R$比$E_R$滞后90°，所以$E_R(-90°)$，$I_R(-180°)$。
• 根据电磁感应定律，$I_R(-180°)$产生的$H_R(-270°)$相位滞后电流90°，$H_R(-270°)$传播λ/4到主振子$H_R’(-270°)$相位滞后90°。$H_R’(-270°)$在主振子上感应的电压$E_R’(-360°)$相位滞后90°。
• 主振子上的$E_A(0°)$与$E_R’(-360°)$同相叠加，接收到的信号能量也加强。
• 同理主振子产生的磁场$H_A(-90°)$在反射器上产生的感应电动势$E_A’(-270°)$与$E_R(-90°)$相位相反，接收到的能量被削弱。

发射：

• 假设主振子和发射器相距λ/4。
• 有用信号电流到达主振子谐振，有电流和电压，由于主振子处于谐振状态，只有纯阻抗，两者相位相同。产生产生电场$E_A$和磁场$H_A$，所以$E_A$和$H_A$相位相同，假设为0°。
• 主振子产生的磁场传播到反射器$H_A^{\prime }(-90°)$，其电场比磁场滞后90°，故$E_A^{\prime }(-180°)$。
• 而电流从主振子经过λ/4传导到反射器$I_R(-90°)$，其产生的电场超前90°，所以$E_R(0°)$，所以反射器端射方向的电场$E_R(0°)$与$E_A^{\prime }(-180°)$相位相反削弱。
• 主振子产生的磁场传播到引向器$H_A^{\prime }(-90°)$，$E_A^{\prime }(-180°)$。
• 而电流从主振子经过λ/4传导到引向器$I_D(-90°)$，其产生的电场滞后90°，所以$E_D(-180°)$，所以反射器端射方向的电场$E_D(-180°)$与$E_A^{\prime }(-180°)$相位相同，在端射方向远场电场加强。

特点

广泛应用于米波、分米波段的通信、雷达和电视接收等系统中。
突出优点是结构简单、馈电方便、成本低而能提供较高的增益，但频带较窄，一般在5%以内。
二分之一波长偶极天线的输入阻抗约为67Ω，二分之一波长折合振子的输入阻抗则高于前者4倍。当加了引向器、反射器后，阻抗关系就变得复杂起来了。总的来说八木比仅有基本振子的阻抗要低很多，且八木各单元间距大则阻抗高，反之阻抗变低，同时天线效率降低。有资料介绍，引向器与主振子间距0.15波长时阻抗最低，0.2－0.25时阻抗高，效率提高。这时阻抗的变化范围约在5－20Ω间。