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天線(xiàn)基礎知識:增益、發(fā)射(仰)角、天線(xiàn)陣

2022-07-08 10:38:46

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  一、關(guān)于增益

  電波是一種能量,根據能量守恒定律,高增益天線(xiàn)并不是把電波的總能量增強了,而是把電波集中到較窄的某一空間,在該空間的電波密度得到加強。低增益天線(xiàn)把電波散射到較廣的空間。最合適的比喻就是手電筒,天線(xiàn)相當與手電筒的反射鏡,調整手電筒反射鏡,可能讓光線(xiàn)聚焦在一個(gè)較小的點(diǎn)上,你會(huì )發(fā)現被照射的這個(gè)點(diǎn)很亮,但周邊比較暗,適合看較遠物品,視野窄;把手電筒調到散光狀態(tài),周邊光線(xiàn)強度都比較平均,適合看近距離物品,視野廣。光波能量守恒,在同一條件下,手電筒的反射鏡并沒(méi)有改變燈泡的自身的發(fā)光亮度。電波的也一樣,天線(xiàn)并沒(méi)有改變發(fā)射機的功率,更加沒(méi)有放大發(fā)射機的功率。

  二、關(guān)于發(fā)射(仰)角

  1、短波

  天線(xiàn)的發(fā)射角主要包括水平發(fā)射角和垂直發(fā)射角,在這一小節,我們只討論水平發(fā)射角(也就是我們短波通信中常叫的“發(fā)射仰角”)。

  短波通聯(lián),要玩的痛快,就必須掌握發(fā)射仰角與波瓣一些常識,樓主已經(jīng)分析的很透徹,在這里用通俗的方式描述一下,天線(xiàn)發(fā)射仰角越小,通過(guò)電離層一次發(fā)射跳躍的距離越遠,適合遠距離通信,一般情況下,發(fā)射仰角小于30度的天線(xiàn)適合遠距離DX通信,如高架設的多單元短波八木天線(xiàn),但近距離通信會(huì )出現盲區,這類(lèi)天線(xiàn)不適合國內(省內)通聯(lián)。

  我們會(huì )發(fā)現,國內通聯(lián),高發(fā)射仰角的倒V天線(xiàn),綜合效果往往會(huì )比高增益的八木天線(xiàn)效果好,斜拉天線(xiàn)仰角更大,通常500公里以?xún)鹊亩滩o(wú)盲區通信會(huì )使用。

  我的個(gè)人經(jīng)驗:發(fā)射仰角的30-60度的適合國內中短距離通聯(lián),發(fā)射仰角的小于30度的適合遠距離DX,發(fā)射仰角的小于20度的,適合獵奇,如南美東岸。

  天線(xiàn)架設高度與發(fā)射仰角(增益)有很大關(guān)系,默認情況,天線(xiàn)的設計增益參考高度都是1/2波長(cháng)高度,比如,一個(gè)設計發(fā)射仰角為25度(增益為12dbi)的對數周期短波天線(xiàn),如果架設高度只有1/4波長(cháng)高度,發(fā)射仰角可能會(huì )變成40度,增益也會(huì )降到大概9dbi;如果架設高度達到1個(gè)波長(cháng)高度,發(fā)射仰角可能會(huì )變成小于20度,增益也會(huì )增加到13dbi以上。

  條件好的比賽基地,通常會(huì )使用可升降塔來(lái)安裝定向天線(xiàn),這樣不單是因為防風(fēng)的問(wèn)題,更主要因數是參賽者可以按照通聯(lián)的目的地距離,升降天線(xiàn)高度,來(lái)改變天線(xiàn)增益和發(fā)射仰角,達到通聯(lián)不同地區的目的。

  關(guān)于波瓣,樓主說(shuō)的非常清晰了,通常,短波天線(xiàn)的架設高度和波瓣數量有很大關(guān)系,架設高度大于1/2波長(cháng)時(shí),波瓣會(huì )增加,大于1個(gè)波長(cháng)時(shí),波瓣會(huì )變的尖銳,多個(gè)尖銳波瓣對于DX主叫是一件好事,通常會(huì )有很好的收獲,灘主很容易就做成了,這種方式我們通常笑話(huà)是“對多個(gè)特定地區播種”。多波瓣分為水平多波瓣和垂直多波瓣,這里就不再深入了。

  2、超短波(U/V段)

  在U/V段,通常采用垂直極化方式,視距傳播,發(fā)射角一般有兩個(gè)含義,一是水平發(fā)射角、一個(gè)是垂直發(fā)射角。

  全方向的GP天線(xiàn)垂直發(fā)射角是360度,水平發(fā)射角因為增益不同而不同,增益越大,水平發(fā)射角越小,假如是一個(gè)增益10dbi的玻璃鋼天線(xiàn),水平發(fā)射角大約是25度,U/V段GP天線(xiàn)主要通過(guò)改變水平方向上的電波密度,實(shí)現改變增益。

  對數周期天線(xiàn)具有較強的方向性,垂直發(fā)射角跟對數周期天線(xiàn)的單元數目關(guān)系最大,水平發(fā)射角次之,一個(gè)12單元的U段八木,垂直發(fā)射角發(fā)射角大約是30度,水平發(fā)射角35度,U/V段對數周期天線(xiàn)主要通過(guò)改變垂直方向上的電波密度,實(shí)現改變增益。

  對于使用U/V段中繼,了解垂直發(fā)射角與水平發(fā)射角非常有必要。架設在城市高樓的中繼臺,為了確保中短距離的中繼效果,一般會(huì )選擇較低增益的玻璃鋼天線(xiàn)(約6DBI),因為低增益GP天線(xiàn)的水平發(fā)射角較大,減少了近距離中繼盲區。一般高山中繼會(huì )采用高增益玻璃鋼天線(xiàn)(大于10DBI),較小的水平發(fā)射角,滿(mǎn)足了中遠距離的中繼通信需要。對于使用中繼的電臺,天線(xiàn)的選型也一樣,經(jīng)常在中繼臺5公里范圍內上中繼的電臺,盡量使用低增益,較大水平發(fā)射角的天線(xiàn),如果使用高增益GP天線(xiàn),會(huì )出現中繼覆蓋盲區,效果反而會(huì )變差。對于經(jīng)常使用30公里以上遠程中繼的電臺,建議使用高增益的天線(xiàn)。

  三、關(guān)于天線(xiàn)陣

  先來(lái)看看天線(xiàn)陣的幾種組陣方法:

  1、等幅并行饋電組陣:

  用于同一指向、同一結構的天線(xiàn)組陣,各單元天線(xiàn)輸出的功率相同、相位相同,同方向的增益加大,這是我們業(yè)余無(wú)線(xiàn)電常用的組陣方法。

  2、中央串行饋電組陣:

  用于同一結構的天線(xiàn)組陣,各單元天線(xiàn)的功率和相位對應,用于分解承受大功率,如電視發(fā)射塔天線(xiàn)、雷達天線(xiàn)等。

  3、總線(xiàn)饋電組陣:

  用于多個(gè)方向天線(xiàn)組陣,各單元天線(xiàn)的功率和相位不同,可以根據控制系統進(jìn)行分配。再來(lái)看看我們生活應用最廣的天線(xiàn)陣:

  1、電視信號接收天線(xiàn)陣:

  我們要接收不同方向電視發(fā)射站的信號,往往需要多個(gè)不同方向的八木天線(xiàn)接收,通過(guò)合路器連接到電視機,往往還包括VHF、UHF不同頻率的天線(xiàn)進(jìn)行合路,最典型的案例就是在深圳了,周遍各方向有數十個(gè)電視發(fā)射站信號,包括深圳、香港、珠三角等地。

  在我們工作室,要接收時(shí)下最流行的地面數字高請電視,我使用三個(gè)八木天線(xiàn)進(jìn)行合路,一個(gè)7單元水平極化八木天線(xiàn)接收深圳臺節目(正東方向,706MHZ);用了一個(gè)5單元垂直極化八木天線(xiàn)接收央視高清節目(正東方向,786MHZ,真不明白電視臺采用垂直極化發(fā)射的目的,估計不想太多人看到,影響有線(xiàn)電視的生意);用了一個(gè)3單元4陣列的水平極化八木陣(同方向中央串行饋電組陣)用于接收香港高清信號(東南方向,586、602、650MHZ)。三個(gè)天線(xiàn)合路到一個(gè)數字接收機,苦難重重,兩個(gè)或三個(gè)天線(xiàn)可能同時(shí)接收到同一發(fā)射站信號,出現信號抵消想象,采用了物理隔離辦法(阻擋非接收方向)、濾波隔離(只允許某一頻率通過(guò)),終于把能收到的22個(gè)地面無(wú)線(xiàn)高清節目通過(guò)一根饋線(xiàn)全部拿下。這個(gè)小試驗,是一個(gè)大的“總線(xiàn)饋電”天線(xiàn)陣中還包括了一個(gè)“串行饋電”子天線(xiàn)陣,可以看出采用“總線(xiàn)饋電組陣”的難度比較大,影響因數比較復雜。

  2、蜂窩移動(dòng)電話(huà)天線(xiàn)陣:

  蜂窩移動(dòng)是貝爾實(shí)驗最偉大的發(fā)明,改變了整個(gè)世界的生活方式,蜂窩移動(dòng)電話(huà)系統的核心之一就是數字控制天線(xiàn)陣,整個(gè)蜂窩系統其實(shí)就是一個(gè)龐大的數以萬(wàn)計的蜂窩天線(xiàn)陣,這是一項非常成熟的應用技術(shù),在這里,我們只簡(jiǎn)單解剖一下單個(gè)基站天線(xiàn)陣的情況。

  現在的蜂窩移動(dòng)基站一般由多個(gè)天線(xiàn)組成,每個(gè)天線(xiàn)有一定的發(fā)射角,有低容量的120度3天線(xiàn)陣基站,也有高容量的60度6天線(xiàn)陣基站,甚至更多的,等等。360度多天線(xiàn)系統,主要功能有二,一是解決數據通信用戶(hù)容量問(wèn)題,二是解決了天線(xiàn)增益與信噪比問(wèn)題,我們來(lái)看看用戶(hù)位置與基站天線(xiàn)的選擇,系統是通過(guò)計算機軟件控制,根據用戶(hù)到基站各天線(xiàn)之間的信號強度,電子合路切換,選擇所需的天線(xiàn)。

  蜂窩移動(dòng)的天線(xiàn)陣技術(shù)雖然很成熟,但要在我們業(yè)余無(wú)線(xiàn)電里應用,難度還是非常大,假如我們想做一套4個(gè)或六個(gè)方向的360度覆蓋的八木陣,通過(guò)計算機,根據來(lái)源信號強度來(lái)控制所需的收發(fā)天線(xiàn),需要投入資金不是一般個(gè)人能承受的。

  問(wèn)題1:用兩個(gè)4單元八木組成天線(xiàn)陣,指向一個(gè)方向。

  技術(shù)上完全可行,減去功分合路器等中間環(huán)節的損耗,會(huì )增加大約3dbi的增益,同時(shí)發(fā)射角變小,波瓣變尖。相對來(lái)說(shuō)能通到的更遠的電臺,除此之外,也會(huì )帶來(lái)很多的副作用:一是帶寬減小,二是SWR增大,三是阻抗匹配難度增加,四是需要更精準的轉向器。

  算了一下這筆帳,還不如做一個(gè)6單元八木天線(xiàn)來(lái)的直接,效果和這個(gè)陣列相當,但輕松多了。

  以下這些情況使用這種方式,成本很合算:一是八木天線(xiàn)到達一定的單元極限,電性能和物理性能都不允許增加單元了,二是高波段的八木,如6米波、2米波等,陣列難度和成本都很低;三是高帶寬的對數周期天線(xiàn),14-30MHZ對數周期天線(xiàn)要增加3dbi增益,需要增加約2.5倍的材料,而且主梁會(huì )過(guò)長(cháng),物理性能無(wú)法保障,所以做成陣列的成本更低。

  問(wèn)題2:用兩個(gè)4單元八木沖著(zhù)不同的方向,但是使用一個(gè)轉向機。

  這個(gè)問(wèn)題有點(diǎn)復雜了,在回答這個(gè)問(wèn)題之前,我在上面舉了兩個(gè)例子,電視接收天線(xiàn)陣和蜂窩移動(dòng)天線(xiàn)陣,要實(shí)現不同方向的天線(xiàn)陣合路功分控制,會(huì )帶來(lái)很多的副面影響,只有蜂窩移動(dòng)通過(guò)數字控制技術(shù)真正解決了這個(gè)問(wèn)題,我們業(yè)余無(wú)線(xiàn)電不建議采用這方式,除非你有海量的資金或龐大技術(shù)力量,研發(fā)出強大的信號分配控制系統。

  不過(guò),假如我有兩個(gè)你那樣的八木,嘗試一下也不壞。

  問(wèn)題3:想在比賽中通過(guò)調整天線(xiàn)系統來(lái)加強20米波段的成績(jì)。

  這個(gè)問(wèn)題變得簡(jiǎn)單了,作為比賽電臺,最有效的辦法是配置一個(gè)10至40米電動(dòng)可升降鐵塔,根據通聯(lián)目的地需求,調整鐵塔高度,改變天線(xiàn)增益和仰角,鐵塔就是一個(gè)天線(xiàn)增益調整器,非常湊效。