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Yagi 天線：簡單、彈性、非常適合 DIY 愛好者，也可購買現成品

作者： Bill Schweber 2022-07-14

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工程

無線通訊

RF 和無線

天線與天線配置的基本類型多不勝數，這些類型也有各種變化，以滿足不同應用的需求，例如有簡單的長線天線、複雜的多頻段陣列，甚至是多重輸入／多重輸出 (MIMO) 配置。

在眾多可用天線中，Yagi 天線 (全名為 Yagi-Uda 天線) 多年來都一直受到 DIY 愛好者和商業設計人員的青睞 (圖 1)。

圖 1：Yagi 天線基本款是一種三元素天線，廣泛用於商業、住宅和軍事應用，屋頂或天線桿上經常可看到它的身影。(圖片來源：EuroCaster／丹麥)

為何 Yagi 天線如此受歡迎？

Yagi 天線受歡迎的原因很多：

即使底層電磁分析很複雜，但計算天線的必要尺寸卻很容易。
元件厚度和端緣效應等實際問題，對應的尺寸調整為已知因素，也能將其列入尺寸分析。
此天線製作容易，也與 DIY 專案相容。
在居家用品店即可購得標準管道和配件，輕鬆製作戶外堅固型天線。
這種尺寸適中，可提供良好效能。
此天線有一個簡單的單一饋入點，主要為電阻性阻抗，如有需要，可輕鬆匹配傳輸線路。
此天線在可大幅自由調整，且對於增益、方向性、頻寬、旁瓣及其他因子，在合理的限度內，也很容易在原廠或現場進行修改。
基本設計提供良好的增益 (典型值為 8 至 10 dB)，通常參考等向 (dBi) 和高前後比 (典型值為 10 至 20 dB)、頻寬適中 (中心 10% 至 20%)，也能透過一些方式改善這些數字。
此天線可設計成在寬廣的頻率範圍下運作，多款商用單元可用於 30 MHz 至 3 GHz 的範圍。
天線的構造可輕易擴充，以便處理數百瓦或更高的功率。

Yagi 天線的背景

1926 年，日本開發出 Yagi 天線，由宇田新太郎 (Shintaro Uda) 教授在日本的雜誌上介紹這種天線的理論。不久後，八木秀次 (Hidetsugu Yagi) 教授在《帝國學士院紀事》(Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves) 上發表英譯版，使得此天線備受注目，說明為何此天線稱為 Yagi。

在有線電視與網路串流出現之前，只能利用實體天線接收空中 (OTA) RF 訊號，作為電視訊號。如果您和電視發射器相距超過 10 或 20 英里左右，視發射器功率和您所在位置的細節而定，天線的增益必須高於簡易摺疊式雙極所能提供的增益，Yagi 便成為最常用的選擇。

過去這些廣播電視 Yagi 天線幾乎是任何電子元件、家電或五金行裡的標配產品，現在在某種程度上仍是如此。收看 OTA 電視的觀眾，如果想從與自家不同方向的發射器來接收訊號，甚至可增加手動操作式或機動式機制，將 Yagi 轉向目標發射器。

舊住宅區許多房屋仍裝有 Yagi 天線，這些已遭棄用的天線仍裝在煙囪或獨立的天線桿上。諷刺的是，在「剪線潮」趨勢下，人們對 OTA 電視再度燃起興趣，各種天線的銷量都在增加，包括 Yagi 天線。

除了 OTA 電視應用外，Yagi 亦廣泛用於測向、業餘無線電、軍事系統，以及講求高方向性、正向增益、高正向／反向比與最小旁瓣的應用。

Yagi 天線的運作原理

最簡易的 Yagi 天線，包含三個沿支撐樑排列的元件，通常為金屬材質 (圖 2)。只有中心元件採電氣連接 (名為「驅動」元件)，分為簡易中心饋送式、半波雙極或摺疊式雙極天線。驅動元件後面有一個長度稍長的絕緣反射器元件；前面有一個較短的絕緣「導向器」元件。

圖 2：基本型 Yagi 天線有三個元件：驅動 (主動) 雙極元件、被動反射器 (後方)、被動導向器 (前方)，全安裝於單一支臂上。(圖片來源：RFWireless-World)

反射器和導向器有時稱為「寄生」元件，相對於主動驅動元素。然而，這些寄生元件對天線功能非常重要，它們並不是那種會對電路內部元件效能造成不利影響的有害寄生元件。運作原理是根據反射器和導向器元件的「調諧」，調諧到刻意扭曲驅動元件的電磁 (EM) 場。

反射器的尺寸經過調校，以便在目標頻寬中產生感應性。然後驅動元件中的感應 EM 電流會在反射器元件處產生相位偏移，以便將功率從寄生元件反射出去。如此一來，天線會朝著與寄生元件相反的方向發射更多 RF 功率。

要讓反射器具有感應性，增加離散線圈雖然可行，但其實幾乎都是以更簡單、更便宜的方式達成：讓反射器比驅動元件更長。根據標準經驗法則，反射器要比驅動元件長 5%。

相較之下，如果使寄生元件具有電容性，感應電流會發生相位偏移，因此會將整條天線放射的功率導向該元件的方向。雖然這也能以離散電容來完成，但作法幾乎都是讓它比驅動元件短 5% 左右。

驅動元件與被動元件的間距也非常重要。首先，驅動元件和反射器的間距為 0.23 λ 至 0.35 λ，驅動元件和導向器的間距則為 0.125 λ 至 0.15 λ。可讓輻射場形達到高方向性和高前／後比，旁瓣也適中 (圖 3)。

圖 3：簡易 Yagi 的一般輻射場形具有高方向性及高前／後比，旁瓣也適中。(圖片來源：Electronics-Club)

基本 Yagi 天線的外觀是一條平衡傳輸線路，電阻阻抗介於 10 Ω 至 40 Ω，因此需使用阻抗匹配電路。阻抗匹配平衡不平衡轉換器也能驅動天線，會將不平衡的同軸傳輸線路變成平衡。

Yagi 天線的彈性

從 Yagi 天線的基本配置能看出，此天線在調整方面提供很大的自由度。改變驅動元件和寄生元件的長度、直徑與間距，設計人員就能對天線參數做更動與折衷，例如方向性、增益、前／後比、頻寬、旁瓣，以及更多參數。

Yagi 天線的彈性不只展現在這些改動上，因為這種天線不是只限於三個元件。當增加更多導向器元件 (在驅動元件前方越遠則越短)，可增加天線的方向性，也能減少旁瓣 (圖 4)。

圖 4：在加長型支臂上增加更多被動導向器元件，能增加 Yagi 天線的方向性和前／後比，也能減少旁瓣。(圖片來源：Electronics-Notes)

這些額外導向元件的間距也是一種分數波長，提供另一個可調整的參數，以根據應用進一步調整 Yagi 天線的效能。有些 Yagi 天線有六個或更多個導向器元件 (圖 5)。增加這些附加元件會增加主支架的總長，但對複雜性影響不大。

圖 5：增加更多導向器會使支臂加長，但對結構複雜性的影響程度最小 (採用七個導向器的 Yagi 天線)。(圖片來源：TreLink Communication Co., Ltd.)

Yagi 天線現有選擇

標準 Yagi 單元除了可用於舊類比頻段或較新數位頻段中明確指定用於 OTA 電視的頻段，還可用於許多頻段。例如，Antenna Technologies Limited Company 的 220-6H-MK 是六元件式 Yagi 天線 (一個驅動元件、一個反射器、四個導向器)，頻寬 3 dB，頻率介於 215 MHz 至 225 MHz，集中於 220 MHz (圖 6)。

圖 6：220-6H-MK Yagi 天線頻寬為 3dB，頻率介於 215 MHz 至 225 MHz，由一個驅動元件、一個反射器和四個導向器元件組成。(圖片來源：Antenna Technologies Limited Company)

這款耐用型天線僅重 4.25 磅 (1.9 公斤)、增益為 9 dBi、前／後比 15 dB、支臂長度 5 英呎 (1.5 公尺)。風表面積只有 0.67 平方英尺(0.06 平方公尺)，因此可承受的風勢高達每小時 125 英里 (每小時 200 公里／小時)。

對於更高的頻率，Siretta Ltd. 的四頻 Oscar 3A針對 GSM/GPRS 應用，在 850、900、1800 和 1900 MHz 中心頻率下提供涵蓋範圍 (圖 7)。這款垂直極化的天線，能處理高達 200 W 功率，增益為 11 dBi，電壓駐波比 (VSWR) 低於 1.6。尺寸為 570 mm × 180 mm × 36 mm，隨附 FME 連接器公座及通用夾，以用於標準天線極上 (圖 7)。

圖 7：Oscar 3A 在 850、900、1800 和 1900 MHz 中心頻率下提供涵蓋範圍，能處理高達 200 W 功率，並提供 11 dBi 增益，VSWR 低於 1.6；隨附基本安裝五金件以連接至天線桿。(圖片來源：Siretta Ltd.)

結論

Yagi-Uda 天線走過將近 100 個年頭，仍舊廣為使用，因為它是彈性最高、用途最廣泛、調整性最高的天線配置之一。它非常適合需要高增益、高方向性、高前／後比和低旁瓣的應用。這款外形簡單的天線，是許多公司多種頻段的標準用具，例如 Antenna Technologies Company 及 Siretta 公司。DIY 愛好者也能輕易製作，也可依需求調整。由於其非常受歡迎及其背景，此天線的研究參考資料達數千份，舉凡高理論性 EM 分析，到親手製作／評估文章。