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W8JK Array 天线 [复制链接]

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离线ahhui
 
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7427
只看楼主 倒序阅读 0楼 发表于: 2006-09-18
有人了解由john d.kraus博士(w8jk)设计的这款天线吗?kraus博士是俄亥俄州立大学的ee和天文学教授,是螺旋天线和角反射器天线的发明者,著有《天线》一书。可惜的是kraus博士已经于2004年slient key了,实在为天线界一大损失。

这个天线由2个相距为1/8波长、1/2波长的偶极子反向形成,两个水平的偶极子具有等幅反向的电流,并且可以延长至更多的1/2波长偶极子阵列来提高增益。对于间距为1/8波长的2根1/2偶极子组成的天线,其增益大约为6dbi。并且有类似dp天线双向辐射的特征。除此以外,d.kraus博士经过实验还发现,在两个偶极子长度为7.2m的时候,该天线从20m到6m波段都有着干净的波瓣,增益大约从5.7dbi(20m)到9.0dbi(6m)。可以不用陷波器(trap)和加载线圈(loading coil)和天调工作。但w8jk天线因为是密距设计,q值较高,带宽要比其他天线窄一些。一个天线想在swr<1.5的情况下覆盖整个cw和phone波段有些困难。天线结构见图1。

w8jk天线制作简单,增益也不错,难点在于阻抗非常的低,一般在10欧以下。目前匹配的方法主要有这几种:

1、采用匹配短截线(stub)的方法,使馈电阻抗从几欧变成几百欧,然后再用平衡线引到发射机,匹配后的阻抗一般在300-600欧。通常采用450欧的平衡传输线接入。但使用折合振子结构(folder)可以改变阻抗而不用stub直接用300欧平行线馈电。这种方式一般用于平行馈线。

2、另一种方法是采用同轴线加balun的方法,d.kraus管这种方式叫“trombone”,见附图2。实际上这是一种iii型balun,起到阻抗变换和平衡不平衡转换2个功能。对于多波段天线,调整匹配短截线的长度使天线谐振,然后调整同轴线的位置找到swr最低点;切换不同的波段实际上如2bh所说要调整的。其原理见图2

3、还有一种方法是国外火腿提出来的,即用一个1:9的balun使的大概5欧左右的阻抗转换成50欧,然后再和同轴线连接。不过这个方法只适用于单波段天线。

4、采用600欧馈线引到室外,再通过4:1 balun后接入天调。因为阻抗不匹配,这种方式损失比较大。

和w8jk相关的文献:

1979年7月qst杂志,w8jk发表,介绍了w8jk的基本原理和制作,包括4组w8jk组成阵列;

1982年6月qst杂志,w8jk发表,介绍了一种7.2m振子,boom大概2.5m的w8jk,即上面所说的20m-6m天线。匹配方式采用“trombone”。增益情况:
20m:5.7dbi
15m:6.7dbi
10m:7.7dbi
6m:8.2dbi

2005年9月qst杂志,k4mjn(dave suggs)发表,介绍对1982年qst文章的实做。作者采用了新的匹配方法,即用450欧馈线引到室外,通过4:1balun后在接入天调后到机器。这种方式有一定的损失,但切换波段比较方便。作者还指出了用计算机模型重新分析后得出的w8jk的增益要比d.kraus设计的稍微小一些。天线外型见图3

1959年arrl handbook上对w8jk天线也做了详细的描述,并叫该天线为flat-top beam(平顶阵),并讨论了多节w8jk天线的数据。见图4
同时还给出了一个非常有用的资料,即三线的折合振子(triplex folder),可以直接使用300欧的扁平馈线(twinlead)来馈电,不需要任何调谐和匹配。其结构和制作数据见图5。

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280
只看该作者 1楼 发表于: 2006-09-18
好帖!~~学习了~~~顶~~
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280
只看该作者 2楼 发表于: 2006-09-18
好帖!~~学习了~~~顶~~期待继续!~
离线蓝梦祥
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8690
只看该作者 3楼 发表于: 2006-09-18
离线BG9ADQ
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1425
只看该作者 4楼 发表于: 2006-09-19
well done!
离线bd2bh
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2522
只看该作者 5楼 发表于: 2006-09-19
还好啊,看过台湾cq上介绍过单波段的,多波段还是需要450平行馈线,同时需要平衡天调配合使用,有的波段上可能还需要调整馈线的长度。

另外这种天线,在架设上天线为一上一下结构,两个振子需要反相交叉输入........,好多问题和细节。

1/8波长为那个频率的,特别是多波段使用1/8又以何为中心频点?

看图中的英文,两个振子间的距离应当是最低工作频率的1/8波长。多波段怎么解释?
离线ahhui
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7427
只看该作者 6楼 发表于: 2006-09-19
感谢2bh的解释,我对这个天线很感兴趣,但这个天线使用的人不多,资料也很匮乏,所以我一直没能够完全理解透彻。看到你的回复非常高兴。根据我搜集的资料,有些杂志登过一些w8jk天线的资料,如1938年1月qst杂志,1970年7月qst杂志,1982年6月qst杂志;2005年qst杂志;ham73杂志,年月不详;台湾cq杂志,年月不详;你手里还有没有那期cq杂志?能否提供参考一下。

另外这种天线,在架设上天线为一上一下结构,两个振子需要反相交叉输入

w8jk属于一种阵列式的天线,即使只有2个单元时也可以叫做array,w8jk本人设计的5波段天线时有4种结构,都是使用垂直4个振子组成阵列的方法。但使用2个振子做最基本的结构时,这两个振子可以平行放置,和地面也是平行的。

1/8波长为那个频率的,特别是多波段使用1/8又以何为中心频点?
看图中的英文,两个振子间的距离应当是最低工作频率的1/8波长。多波段怎么解释?


1/8波长指的的两个单元的间距,这个间距可以从1/2波长到1/8波长,其增益和带宽不同。1/8波长时属于密距设计,增益最大。多波段时1/8指的是最低工作频率。

对于多波段的原理,kraus说取决于振子的长度,可以从小于1/2波长到大于3/4波长。他实验的结果是在24英尺(7.2m)时,这个天线可以覆盖2:1的频率范围(从14m到28m),这个范围内天线有着比较好的双向的辐射方向图,实际上也可以覆盖到3:1的范围(从14m到50m),但在高端方向图有些恶化。w8jk对于多波段来说,是一种不用陷波器(trap)和加载线圈(loading coil)的天线,但多个波段的阻抗还是不同的,所以还是无法直接在都个波段上直接获得2:1的swr。而要依靠匹配和调整的方法。

w8jk天线馈电的难点在于阻抗非常的低,一般在10欧以下。目前匹配的方法主要有这几种,一种是采用匹配短截线(stub)的方法,使馈电阻抗从几欧变成几百欧,然后再用平衡线引到发射机,匹配后的阻抗一般在300-600欧。通常采用450欧的平衡传输线接入。对于4个振子的结构,并联后的阻抗大约在一半。所以也可以采用300欧到200欧的阻抗接入;

另一种方法是采用同轴线加balun的方法,见附图。实际上这是一种iii型balun,起到阻抗变换和平衡不平衡转换2个功能。对于多波段天线,调整匹配短截线的长度使天线谐振,然后调整同轴线的位置找到swr最低点;切换不同的波段实际上如2bh所说要调整的。
还有一种方法是国外火腿提出来的,即用一个1:9的balun使的大概5欧左右的阻抗转换成50欧,然后再和同轴线连接。不过这个方法只适用于单波段天线。
离线powermax
发帖
4634
只看该作者 7楼 发表于: 2006-09-19
用个1:9变压器就可以把50欧姆变为450欧姆啊,为什么要变成5欧??
离线ahhui
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7427
只看该作者 8楼 发表于: 2006-09-19
哦,是天线的阻抗为5欧,接1:9后变成45欧左右。
离线powermax
发帖
4634
只看该作者 9楼 发表于: 2006-09-19
图中不是说ff点间的阻抗是450欧姆吗?
离线ahhui
发帖
7427
只看该作者 10楼 发表于: 2006-09-19
那是指用stub匹配后的阻抗,而用1:9变压器的方法就不用stub匹配了。
离线child@BY1QH
发帖
1288
只看该作者 11楼 发表于: 2006-09-19
馈电点换个位置是不是就变成hb9cv了?
离线ba4jk
发帖
709
只看该作者 12楼 发表于: 2006-09-20
ding!!
离线okstar
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4734
只看该作者 13楼 发表于: 2007-10-27
顶一下。

有幸买了john d.kraus(w8jk)博士的巨著的《天线》(《antennas: for all applications》third edition),里面对偶极阵(w8jk天线)有详细的讨论。

按书中所示画了个w8jk,可惜上不了图。大家不妨买这套书回去读一读。

该书中文版分上下册,封面可参考下面:
http://book.chinaunix.net/showbook.php?id=21222
http://book.chinaunix.net/showbook.php?id=25908
离线寂寞老猫
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173
只看该作者 14楼 发表于: 2007-10-28
此书偶买了!精深!正在苦读中......
离线BD9BN
发帖
216
只看该作者 15楼 发表于: 2007-10-29
好贴,值得共同研究和试验。
离线bd2bh
发帖
2522
只看该作者 16楼 发表于: 2007-10-30
'
那是指用stub匹配后的阻抗,而用1:9变压器的方法就不用stub匹配了。
'

taiwan cq上面介绍的应该是单波段使用的指向性天线。stub匹配长度好像为1/4波长,如果用300-450 ohm馈线送入发射机的话,可以在stub上(接近1/8处)找到接近1:1匹配点,而且如图所是,stub的端部是短路的。类似j型天线的匹配。

至于50ohm的馈线,我想还是需要1:4等不平衡-平衡的匹配问题。
离线BY1CC
发帖
15
只看该作者 17楼 发表于: 2007-11-04
好东西!~!!!!
离线bd2bh
发帖
2522
只看该作者 18楼 发表于: 2007-11-14
'

有幸买了john d.kraus(w8jk)博士的巨著的《天线》(《antennas: for all applications》third edition),里面对偶极阵(w8jk天线)有详细的讨论。
按书中所示画了个w8jk,可惜上不了图。大家不妨买这套书回去读一读。
'

感谢ahhui对w8jk定向天线的推介。今天终于看到了该天线的相关文章,因此觉得有必要再次推荐一下,希望真正喜欢业余无线电的爱好者能够从中找到玩无线电的真谛,也恳请板主把这篇文章置顶,方便大家学习、仿制。主要原由如下:

第一,以前也曾推荐一些国内外简单、易做的小天线给大家,但是定向天线相对少一些,因为定向天线虽好,对于我们初级阶段的爱好者来说,材料、测试和制作并不是件容易的事情。

第二,这篇文章应该是本栏目介绍的首篇不需要多振子,如c3、c4,多限波器,如a3、a4的定向天线。

第三,该天线小巧,只有两个振子,长度7.3m,两振子间距2.6m。而且原来的设计就是多波段使用“20-6m”。(当然单波段就另当别论了,起码振子就需约1/2波长了,不如做hb9cv天线了,且单指向性)

第四,天线具有d.p天线一样的双8字方向性,增益比较高。据有关英文材料上介绍,这是一种多波段的相位天线,在20米之上其增益略低于三个单元的八木;在40米也具有一定的增益,80米、6米通过调谐也可以使用,覆盖频率范围相当广泛(3:1)。

这么好的天线,制作如此简单,小巧、多波段覆盖,为什么我们不尝试一下呢。当然这种天线需要low-loss twin line低损耗的平行馈线馈送,如200-450欧姆的馈线,必须配合“平衡天调”使用。

附图:w8jk array

图一,多波段w8jk天线
图二,单薄段w8jk天线示意图

注:ahhui文章中提到的两振子间1/8,实质上是用于单薄段的数据。多波段振子间横担2.6或者2.8米。

另外,总是很多人抱怨没有办法找到450欧姆的馈线。其实在发明同轴电缆之前,也没有成品的450平行馈线,大家都是自制的。

方法:用直径2mm的铜导线,如美制12#,两线之间用4-6英寸的高频塑料支撑(延长线上间隔1-2米捆绑一个绝缘子),这就是空气介质的高阻抗,低损耗馈线了,且损耗低于聚乙烯介质的平行馈线,再简单不过了。

(公制到英制换算. linear measure 长度单位: 1 inch 英寸=25.4 millimetres 毫米 1 foot 英尺=12 inches 英寸=0.3048 metre 米 )
离线BD3RJ
发帖
18845
只看该作者 19楼 发表于: 2007-11-14
'
顶一下。
有幸买了john d.kraus(w8jk)博士的巨著的《天线》(《antennas: for all applications》third edition),里面对偶极阵(w8jk天线)有详细的讨论。
按书中所示画了个w8jk,可惜上不了图。大家不妨买这套书回去读一读。
该书中文版分上下册,封面可参考下面:
http://book.chinaunix.net/showbook.php?id=21222
http://book.chinaunix.net/showbook.php?id=25908
'
里面有大量计算,忒高深了。