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0x02八木天线基础和4nec2仿真

字数统计: 2.8k字   |   阅读时长≈ 11分

圣诞快乐

天线从入门到牛逼

0x00 前言

天线特别是八木天线有很广泛的应用范围，预警机上的大圆盘实质也是个旋转的八木天线，纵观村里的博客、论坛，对天线原理，计算，仿真的讲解很少，概念模糊，内容重复简单者居多，对4nec2仿真的讲解更是凤毛麟角，本文旨在为天线爱好者提供一个指南，把应该了解和掌握的概念讲清楚，并且以接收538mhz地面波为例实现一个性能良好的八木天线。内容如有错误，欢迎大佬们斧正。

0x01 天线发射基本原理

电以接近光的速度在导体中传播，当遇到导体中的不连续点时，它就会被反射回信号源。如果电流是交变的，并且反射电流在恰当的时刻返回原点或馈电点，那么电流就会受到后面各周期的强化，从而只需要很小的能量就可维持天线内的驻波，当天线内驻波比为1时，天线就形成串联谐振电路。在谐振状态下，电压在电流为最大值的中点（振子的中点）是很少，在两端却有极大值，欧姆定律适用于天线，在中点由于电流大，电压低，所以电阻较小，在两端情形恰好相反，因而阻抗较高。
1/4波长的开路线相当于一个串联谐振电路，整个负载是呈纯电阻性的，在有些场合，由于环境的因素，天线的长度往往受到限制，所以出现了加载天线。根据传输线的理论，长度小于1/4波长的倍数的天线其阻抗呈容性，即电容+电阻，这时天线不产生谐振，为此我们可以在天线上加一个电感来与天线平衡，从而使天线发生谐振，我们称这种天线为加载天线。
长度大于1/4波长的倍数天线就是电感+电阻。

0x02 八木天线

八木天线结构
由反射器reflector，主振子dipole，引向器director，横梁，支架组成。与馈线连接的振子称为主振子（有源振子，激励振子，偶极子）。振子的总数量即反射器，偶极子和引向器总数又称为单元数。

主振子有多种类型，包括半波对称振子，折合半波振子等。半波对称振子是两臂长度相等，总长是二分之一波长。主振子连接馈线的端点称为馈源端子，必须和横梁绝缘，反射器和引向器和横梁导通，横梁接地。

0x03 天线振子长度计算

天线振子长度是指振子端点到主支架的长度，通常是四分之一波长x波长缩短率，如果是八木天线这类成对振子组成的天线，一对振子长度就是二分之一波长。
天线振子长度（单位米）= （300/f）0.250.96, f表示单位为MHz的频率，0.96是波长缩短率（电磁波在天线上传播时，一些因素导致波长变短，即缩短效应，工程上一般认为缩短5%左右）。
VHF 144.00MHz的天线振子长度为 （300 / 144.00MHz） * 0.25 * 0.96 = 0.5 （米）

0x04 dtmb天线

又称数字电视地面波天线，可以通过八木天线、菱形天线等接收国家开放的地面波数字信号。在中国寻星网http://www.playtv.com.cn/ 可以获取当地的地面波节目的频率，比如宁波宁海频率是538Mhz

0x05 天线关键性能参数

  • 驻波比

  • 提高频带宽度

  • 采用折合半波振子或者j型振子

  • 增益越高通常带宽越窄

  • 增大振子直径，但不超过1%波长

  • 振子直径通常为(1/100~1/150)λ

  • 减小引向器长度

  • 提高增益
    增加引向器
    引向器的间距一般取(0.15~0.4)λ，大于0.4λ后天线增益将迅速下降，但第一引向器B和主振子的间距应略小于其它间距，例如取b≈0.1λ时，增益将会有所提高。
    引向器的长度通常为(0.41~0.46)λ，单元数愈多，引向器的最佳长度也就愈短

  • 前后辐射比
    反射器长度通常为(0.5~0.55)λ，与主振子的间距为(0.15~0.23)λ。反射器较长或间距较小可有效地抑制后向辐射，但输入阻抗较低，难于和馈线良好匹配。

  • 输入阻抗
    八木天线各单元间距越小阻抗也越低。为了增大输入阻抗，提高天线效率，故主振子多选用半波折合振子的形式，这样也能同时增加天线的带宽。一般不关注输入阻抗，用驻波比代替该参数进行优化。

0x06天线参数计算规则

可以参考下面的计算规则确定参数：
e=传播速度=300,000,000m/s
f=载波频率
λ=e/f
反射器长度=0. 5λ，修正范围0.5-0.55
偶极子长度=0.47λ，修正范围0.47-0.5
引向器长度=0.44λ，修正范围0.41-0.46
反射器/偶极子间距=0.15λ，修正范围0.15-0.23
偶极子/引向器间距=0.1λ，修正范围0.1-0.4
引向器间距=0.15λ，修正范围0.15-0.4
引向器，2个，修正范围2-4
振子半径=1/200λ，修正范围1/300-1/200

0x07 参数运算脚本

可以据此写一个脚本计算，并且结合4nec文件的特征，输出结果便于直接粘贴到nec文件中。脚本默认频率是538mhz。

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import decimal
from decimal import Decimal

context=decimal.getcontext() 
context.rounding = decimal.ROUND_HALF_UP

def roundx(a, n):
    return float(round(Decimal(a), n))

print("炒鸡八木计算")

c =300
f = input("输入目标频率: ")
f = int(f) if f else 538
bc = c/f
bc = roundx(bc,8)
print("波长 =", bc)

#symbols天线符号变量
print("=======")
ref = roundx(0.5*bc, 7)
print("SY Ref=" + str(ref))
dip = roundx(0.47*bc, 7)
print("SY Dip=" + str(dip))
dir = roundx(0.44*bc, 7)
print("SY Dir=" + str(dir))
refTodip = roundx(0.15*bc, 7)
dipTodir = roundx(0.1*bc, 7)
dirTodir = roundx(0.15*bc, 7)
print("SY RefToDip="+ str(refTodip))
print("SY DipToDir=" + str(dipTodir))
print("SY RefToDir=RefToDip+DipToDir")
print("SY DirToDir=" + str(dirTodir))
print("SY RefToDir2=RefToDir+DirToDir")
#geometry天线尺寸
rad = roundx(0.005*bc, 4)
refgw = "GW 1 9 -Ref/2 0 0.2 Ref/2 0 0.2 " + str(rad)
print(refgw)
dipgw = "GW 2 9 -Dip/2 RefToDip 0.2 Dip/2 RefToDip 0.2 " + str(rad)
print(dipgw)
dirgw = "GW 3 9 -Dir/2 RefToDir 0.2 Dir/2 RefToDir 0.2 " + str(rad)
print(dirgw)
dir2gw = "GW 4 9 -Dir/2 RefToDir2 0.2 Dir/2 RefToDir2 0.2 "+ str(rad)
print(dir2gw)
print("========")

#修正数
refmin = roundx(0.5*bc, 3)
refmax = roundx(0.55*bc, 3)
dipmin = roundx(0.47*bc, 3)
dipmax = roundx(0.5*bc, 3)
dirmin = roundx(0.41*bc, 3)
dirmax = roundx(0.46*bc, 3)
refdipmin = roundx(0.15*bc, 3)
refdipmax = roundx(0.23*bc, 3)
dipdirmin = roundx(0.1*bc, 3)
dipdirmax = roundx(0.4*bc, 3)
dirdirmin = roundx(0.15*bc, 3)
dirdirmax = roundx(0.4*bc, 3)
print("反射器修正",refmin,refmax)
print("偶极子修正",dipmin,dipmax)
print("引向器修正",dirmin,dirmax)
print("反射器偶极子修正",refdipmin,refdipmax)
print("偶极子引向器修正",dipdirmin,dipdirmax)
print("引向器间距修正",dirdirmin,dirdirmax)



输入目标频率:
波长 = 0.55762082
=======
SY Ref=0.2788104
SY Dip=0.2620818
SY Dir=0.2453532
SY RefToDip=0.0836431
SY DipToDir=0.0557621
SY RefToDir=RefToDip+DipToDir
SY DirToDir=0.0836431
SY RefToDir2=RefToDir+DirToDir
GW 1 9 -Ref/2 0 0.2 Ref/2 0 0.2 0.0028
GW 2 9 -Dip/2 RefToDip 0.2 Dip/2 RefToDip 0.2 0.0028
GW 3 9 -Dir/2 RefToDir 0.2 Dir/2 RefToDir 0.2 0.0028
GW 4 9 -Dir/2 RefToDir2 0.2 Dir/2 RefToDir2 0.2 0.0028
========
反射器修正 0.279 0.307
偶极子修正 0.262 0.279
引向器修正 0.229 0.257
反射器偶极子修正 0.084 0.128
偶极子引向器修正 0.056 0.223
引向器间距修正 0.084 0.223

0x08天线仿真

4nec2汉化版下载
4nec2是美国海军开发的天线设计仿真软件，启动时默认打开一个example，ctrl+f4打开nec edit，点击菜单文件—另存为，保存为yagi.nec
这样就新建了一个项目。在保存目录下是一个nec文件：
结构大致为：

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CM Example 1 :	Dipole in free space
CE
SY Ref=0.3132911
SY Dip=0.2993671
SY Dir=0.278481
SY RefToDip=0.0791139
GW	1	9	0	-.2418	0	0	.2418	0	.0001	'Wire 1, 9 segments, halve wavelength long.
GE	0
GN	-1
EK
EX	0	1	5	0	1	0			'Voltage source (1+j0) at wire 1 segment 5.
FR	0	0	0	0	300	0
EN

nec edit输入的内容对应到nec文件中是：
CM，对应电流（翻译错误，应当是注释）选项卡
CE到GE区间保存了，符号symbols，以SY开头，几何图geometry，以GW开头
EK，其他选项卡，use extended kernel
EX，源负载
FR，频率，默认是300mHZ
所以我们可以用上面的脚本输出直接填写CE到GE之间。
当然也可以在nec edit里面输入数据，下面是我的yagi.nec

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CM yagi
CE
SY Ref=0.2788104
SY Dip=0.2620818
SY Dir=0.2453532
SY RefToDip=0.0836431
SY DipToDir=0.0557621
SY RefToDir=RefToDip+DipToDir
SY DirToDir=0.0836431
SY RefToDir2=RefToDir+DirToDir
GW 1 9 -Ref/2 0 0.2 Ref/2 0 0.2 0.0028
GW 2 9 -Dip/2 RefToDip 0.2 Dip/2 RefToDip 0.2 0.0028
GW 3 9 -Dir/2 RefToDir 0.2 Dir/2 RefToDir 0.2 0.0028
GW 4 9 -Dir/2 RefToDir2 0.2 Dir/2 RefToDir2 0.2 0.0028
GE	0
GN	-1
EK
EX	0	2	5	0	1	0			'Voltage source (1+j0) at wire 1 segment 5.
FR	0	0	0	0	538	0
EN

符号symbols

几何图geometry

这里一共是四个振子。
type，即振子类型，wire表示导线，还要面、镜像等类型。
segs，即振子段数
x1、y1、z1和x2、y2、z2，是振子的3d坐标，定义了振子两个端点坐标。
radius，振子半径，单位米

源负载source/load

tag表示馈线接入前面几何图的第二根振子即偶极子，seg表示第五段。

频率Freq/Ground

填写要发射或者接收的频率

填写完后保存，返回主界面。点击计算器按钮

选择远场，点击建立。

就可以看到增益图像，要看3d渲染图必须使用4nec2x

点击3D按钮

默认显示可能只有个框架，点击下面红框处切换到muti-color可以看到多彩渲染，在图象上按住鼠标左键旋转，按住右键移动

点击主界面的计算器，选择频率，计算500-550频率范围下的驻波、增益


可以看到天线在在目标频率538驻波比很高，效果很差。

优化
点击主界面的优化按钮

选择优化功能，optimize是穷举优化，速度较快但效果差，evolve使用进化方式优化，速度慢效果最佳。
选择evolve
选择要优化的权重，这里选择驻波比swr
选择要优化的数据，填写前面计算的修正值，点击开始。大概跑个一两分钟就优化完毕，可以点击上传文件保存当前优化后模型为新模型。优化记录最后一行是最优结果。

打开前面保存的新模型，计算下500-550的驻波比

可以看到在538mhz的驻波比基本等于1，而且低频部分驻波比都小于2，实现了完美谐振和较高频宽。最后来个538mhz八木天线增益渲染图

平安夜，聊为消遣。圣诞快乐呀(^o^)／

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    1、请确保node版本大于6.2
    2、在博客根目录（注意不是yilia-plus根目录）执行以下命令：
    npm i hexo-generator-json-content --save

    3、在根目录_config.yml里添加配置： 

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