2018-08-20 15:51:57
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天線(xiàn)一直是業(yè)余無(wú)線(xiàn)電活動(dòng)中最熱門(mén)的話(huà)題，也是無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者最常自制的器材之一。天線(xiàn)的好壞直接影響無(wú)線(xiàn)電通訊系統的收發(fā)效果和通訊距離。業(yè)余無(wú)線(xiàn)電臺具有發(fā)射功率小、收發(fā)共用同一天線(xiàn)和天線(xiàn)架設條件簡(jiǎn)陋等特點(diǎn)，更加要求合理地選用適當的天線(xiàn)以達到更好的通訊效果。
天線(xiàn)，是電波的換能器件，用以發(fā)射和接收電波。它的工作有點(diǎn)像音響里的揚聲器和話(huà)筒，它把在電路里流動(dòng)的高頻電流通過(guò)電磁感應轉換成高頻電磁波向外輻射，高頻電流流過(guò)任何導體時(shí)，導體內部的電子隨著(zhù)高頻電流振動(dòng)，在導體外面空間會(huì )感應激發(fā)電磁波。天線(xiàn)也把在空間的電磁波通過(guò)感應轉換成高頻電流，因此，可以說(shuō)天線(xiàn)是收發(fā)互逆的。任何天線(xiàn)在接收時(shí)的所有特性及參數都可以由該天線(xiàn)在發(fā)射狀態(tài)時(shí)的已知特性及參數決定，反之亦然。簡(jiǎn)單地說(shuō)，若一條天線(xiàn)的接收效果好，則該天線(xiàn)的發(fā)射效果也好。
電子和磁子振動(dòng)產(chǎn)生交變電場(chǎng)或磁場(chǎng)，交變的電場(chǎng)或磁場(chǎng)互相轉換，形成電磁波以光速向外輻射。理論上使電子和磁子作高頻振動(dòng)均能產(chǎn)生同樣的電磁波，但由于電路里本身就是流動(dòng)著(zhù)高頻電流，因此我們常用的是電天線(xiàn)——即使電子作高頻振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電磁波。為了使天線(xiàn)的輻射提高，必須使流過(guò)天線(xiàn)導體的高頻電流盡量的強，我們知道當電路處于諧振狀態(tài)時(shí)，電路上的電流最大，因此，若使天線(xiàn)處于諧振狀態(tài)，則天線(xiàn)的輻射最強。由傳輸線(xiàn)理論可知，當導體長(cháng)度為1/4波長(cháng)的整數倍時(shí)，該導體在該波長(cháng)的 頻率上呈諧振特性，導體長(cháng)度為1/4波長(cháng)為串聯(lián)諧振特性，導體長(cháng)度為1/2波長(cháng)為并聯(lián)諧振特性。由于1/2波長(cháng)的振子比1/4波長(cháng)的振子長(cháng)，所以1/2波長(cháng)振子的輻射比1/4波長(cháng)振子強，但振子超過(guò)1/2波長(cháng)雖然輻射繼續加強，但由于超過(guò)1/2波長(cháng)的部分的輻射是反相位而對輻射有抵消的作用，因此總的輻射效果反而被打折扣，所以，通常的天線(xiàn)都采用1/4波長(cháng)或1/2波長(cháng)的振子長(cháng)度單位，這種由兩根長(cháng)度相同的導體構成的天線(xiàn)就叫偶極天線(xiàn)。這是最簡(jiǎn)單、最基本的天線(xiàn)，其他的天線(xiàn)都可以等效成偶極天線(xiàn)的變形和疊加。
電波在真空中傳播的速度是約每秒30萬(wàn)公里的光速，但在不同的介質(zhì)中有不同的傳播速度，波長(cháng)也不同，因而，在不同的介質(zhì)中，天線(xiàn)的振子長(cháng)度可以縮小，例如在空氣中的縮短系數是0.98。有的介質(zhì)的縮短系數很大，可以使天線(xiàn)大大縮小，但通常介質(zhì)的電波損耗比真空和空氣大，天線(xiàn)的效率并不高。同樣的天線(xiàn)，工作頻率越低，波長(cháng)越長(cháng)，則天線(xiàn)的振子也越長(cháng)，天線(xiàn)也顯得越龐大。
電磁波在傳播時(shí)其電場(chǎng)或磁場(chǎng)的方向是有固定的規律的，我們叫電波的極化，是以電場(chǎng)分量的方向命名。電波的電場(chǎng)和地面垂直，稱(chēng)為垂直極化波;電波的電場(chǎng)與地面平行，稱(chēng)為水平極化波。電波的極化是由發(fā)射天線(xiàn)決定的，因此天線(xiàn)按其輻射電波的極化分為水平極化和垂直極化天線(xiàn)，根據天線(xiàn)收發(fā)互逆，接收時(shí)天線(xiàn)也必須采用與發(fā)射同種極化的天線(xiàn)才能有最好的接收效果。
天線(xiàn)的重要指標
1.輻射效率
輸入到天線(xiàn)系統的功率，在天線(xiàn)系統中會(huì )由于熱損耗、介質(zhì)損耗等消耗掉一部分，而不能全部變?yōu)殡姶挪ㄝ椛?。天線(xiàn)的輻射效率就是輻射功率與輸入功率之比，它與天線(xiàn)的損耗電阻、輻射電阻、工作波長(cháng)等有關(guān)。為了提高天線(xiàn)的輻射效率，就要盡量增大輻射電阻和減小損耗電阻。同時(shí)，發(fā)射頻率越低，天線(xiàn)的輻射效率也越低，換句話(huà)說(shuō)就是信號的頻率越低，越難以輻射。這也就是為什么高頻電路特別需要注意屏蔽和隔離的原因。
2.特性阻抗
把一定頻率的高頻功率信號饋入到天線(xiàn)的輸入端，天線(xiàn)就會(huì )呈現出一定的電阻和電抗，稱(chēng)為天線(xiàn)的特性阻抗。天線(xiàn)的特性阻抗與天線(xiàn)的形狀、尺寸、工作波長(cháng)、信號的饋入點(diǎn)、周?chē)h(huán)境的影響等多種因素有關(guān)。大多數情況下，特性阻抗可以通過(guò)理論計算或由實(shí)驗確定，但用普通的萬(wàn)用表是不能測量出來(lái)的。若天線(xiàn)系統的特性阻抗與傳輸系統的特性阻抗相同，就稱(chēng)為阻抗匹配，這時(shí)天線(xiàn)系統的輻射電阻和損耗電阻正好吸收了傳輸系統饋送的全部功率。而如果天線(xiàn)系統與傳輸系統的特性阻抗有差異，系統就不匹配，造成電波從天線(xiàn)系統反射回傳輸系統，這部分反射的電波信號由于來(lái)回反射被損耗掉，沒(méi)有被天線(xiàn)系統輻射出去，無(wú)形中使實(shí)際饋送到天線(xiàn)系統的高頻功率信號減少，造成傳輸效率下降。由于一般收發(fā)信機和高頻同軸電纜的特性阻抗均為50Ω，所以，通常應努力使天線(xiàn)的特性阻抗也為50Ω，只有這樣，才能使整個(gè)收發(fā)系統的傳輸效率最高。
3.天線(xiàn)增益
把天線(xiàn)的輻射向某個(gè)方向集中，在這個(gè)方向上天線(xiàn)所產(chǎn)生的場(chǎng)強將會(huì )增大，也就是說(shuō)天線(xiàn)具有增益。通常表示天線(xiàn)的增益采用對數比值dB表示，所用的比較基準不同，得出的天線(xiàn)增益值也有很大的不同，一般是以無(wú)方向天線(xiàn)的輻射場(chǎng)強為基準。理論上可以把天線(xiàn)的全部輻射都集中到遠處的一點(diǎn)上，但實(shí)際上要實(shí)現它需要極其龐大復雜的天線(xiàn)系統，而這時(shí)天線(xiàn)內部的相互影響和產(chǎn)生的損耗會(huì )抵消掉天線(xiàn)產(chǎn)生的增益，天線(xiàn)的增益增加到一定的程度就很難提高，最多只能有幾十分貝(dB)。有一個(gè)比較形象地表現天線(xiàn)輻射情況的是天線(xiàn)輻射方向 圖，天線(xiàn)方向圖可以反映天線(xiàn)分別在水平方向和垂直方向上達到相同場(chǎng)強的距離。
總的來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的天線(xiàn)系統，首先是天線(xiàn)系統本身的輻射效率要高，損耗要小，其次是要能與傳輸系統匹配，使整個(gè)收發(fā)系統的傳輸效率達到最高，再次就是能盡量地使所輻射的能量集中到所需要的地方，抑制不必要的輻射。
業(yè)余無(wú)線(xiàn)電常用的天線(xiàn)形式
業(yè)余無(wú)線(xiàn)電中較常用的天線(xiàn)形式有水平半波偶極天線(xiàn)(Dipole)、垂直接地天線(xiàn) (Vertical)、八木天線(xiàn)(Yagi)等。
水平半波天線(xiàn)采用兩條1/4波長(cháng)的導線(xiàn)作振子，水平于地面架設起來(lái)，在中間饋入高頻信號，天線(xiàn)發(fā)射和接收的是水平極化波，其輻射是水平8字型方向圖形。水平半波偶極天線(xiàn)有兩種架設方法，一種是用支架拉起天線(xiàn)振子的兩端的“水平架設”法，另一種是用支架在中間把饋電端撐起，天線(xiàn)振子以?shī)A角120°往下拉開(kāi)的“倒V型架設”法。這種架設方法的優(yōu)點(diǎn)是只用一根支撐架，而且天線(xiàn)容易與50Ω電纜匹配。
垂直極化天線(xiàn)是天線(xiàn)被架設在地面上，由于地面具有一定的導電性，會(huì )對天線(xiàn)的輻射產(chǎn)生影響，其作用的結果相當于在地面的下面對稱(chēng)位置安放一個(gè)“鏡像”天線(xiàn)一樣。對于垂直接地天線(xiàn)(Vertical)，其輻射角和天線(xiàn)的長(cháng)度、天線(xiàn)架設離地面的高度和地面導電率等因素有關(guān)，一般HF的垂直天線(xiàn)都是在非常接近地面的地方架設，因此可重點(diǎn)考慮輻射角和天線(xiàn)的長(cháng)度的關(guān)系。通過(guò)計算可知，由于“鏡像天線(xiàn)”的作用，垂直天線(xiàn)輻射沿著(zhù)地面方向輻射最大，輻射角度越貼近水平面，通過(guò)電離層反射所能到達的距離就越遠。在天線(xiàn)長(cháng)度為1/2波長(cháng)時(shí)沿著(zhù)地面方向輻射最大，當天線(xiàn)長(cháng)度繼續增加時(shí)，雖然水平方向輻射角繼續減少，但同時(shí)在垂直方向(天空方向)有副瓣輻射出現。有的垂直天線(xiàn)為了減少副瓣輻射，采取改變天線(xiàn)振子電流分布的方法。單根垂直接地天線(xiàn)在水平方向的輻射是無(wú)方向性的，也就是對于四面八方的信號有著(zhù)相同的收發(fā)效果。垂直接地天線(xiàn)具有結構簡(jiǎn)單、架設容易、占地方小、輻射角低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)垂直接地天線(xiàn)也有增益低、無(wú)方向性和接收噪音大等固有的缺點(diǎn)。通常在工作頻率低，要求全向通訊，架設條件比較苛刻時(shí)使用。
比較著(zhù)名的方向性天線(xiàn)是八木天線(xiàn)，一般的單頻段的八木天線(xiàn)，經(jīng)典設計是以1/4波長(cháng)振子為有源輻射單元(實(shí)際振子長(cháng)度還應乘上相應的縮短系數)，在距有源輻射單元后面1/4波長(cháng)的地方放置一根振子稱(chēng)為反射器，在距有源輻射單元前面1/4波長(cháng)的地方放置一根振子稱(chēng)為引向器，通過(guò)調整反射器和引向器振子的長(cháng)度，使反射器振子感應的電流比有源輻射振子的電流相位超前π/2，引向器振子的電流比有源輻射振子的電流相位落后π/2。這樣從遠區得到的電波 情況是：在反射器方向，因反射器和有源振子輻射的電波相位差為180°而相互抵消，因而沒(méi)有信號。在引向器方向，則相位相同而得到加強(理想情況下是加倍)。根據傳輸線(xiàn)理論，只要反射器和引向器的長(cháng)度分別取得較有源振子長(cháng)一點(diǎn)和短一點(diǎn)(或加入可調節的電抗器)，則它們的阻抗分別呈電感性和電容性，便能獲得所需的相位關(guān)系。在實(shí)際應用中，為了進(jìn)一步增加引向器方向的電場(chǎng)強度，使天線(xiàn)的方向性更好，常采用加入多個(gè)引向器的方法。由于加入了多個(gè)無(wú)源振子，各振子間互相影響，使設計和調整的難度加大。因各振子間互相影響，要使各振子的相位保持如前面的差π/2，則反射器和引向器與有源振子間的距離就不一定等于1/4波長(cháng)，反射器與有源振子間的距離可取0.l～0.25波長(cháng)，引向器與有源振子間的距離可取0.l～0.34波長(cháng)，實(shí)際距離根據實(shí)驗而定。當然也可以用改變各振子長(cháng)度的方法，使各振子的相位符合要求。當天線(xiàn)的振子數目增大后，會(huì )引起有源振子特性阻抗的減少，因此在V/UHF頻段的天線(xiàn)里是用折合振子作有源振子的方法提高阻抗，但在HF中這樣做，天線(xiàn)振子的體積和重量都會(huì )很大，因而多采用阻抗變換的方法實(shí)現。
從前面的分析可知，只要使反射器和有源振子輻射的電波相位差為180°，就能使天線(xiàn)有方向性，因此，就有一種把反射器也做成有源的并使反射器和輻射器的相位差180°的天線(xiàn)，它是由呼號是HB9CV的HAM在1965年發(fā)明的，所以叫HB9CV天線(xiàn)，這種天線(xiàn)反射器和輻射器的距離僅1/8波長(cháng)，前輻射振子長(cháng)約為0.47波長(cháng)，后輻射振子為約0.48波長(cháng)。這樣兩單元的增益就相當于五單元的八木天線(xiàn)，而且這種天線(xiàn)的顯著(zhù)特點(diǎn)是體積小，前后比大，增益高。為了更進(jìn)一步提高這種天線(xiàn)的增益，在前輻射器前仿照八木天線(xiàn)再加上若干的引向振子，但同樣就使天線(xiàn)的設計和計算顯得非常復雜，以前多由實(shí)驗取得數據，近年來(lái)計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，出現了天線(xiàn)的仿真設計軟件，極大地方便自己設計和制作各種天線(xiàn)。
在業(yè)余無(wú)線(xiàn)電通信中，業(yè)余頻段被分割成整數倍的若干頻段，為業(yè)余制作多頻段的天線(xiàn)創(chuàng )造了有利的條件。多波段天線(xiàn)的原理是基于天線(xiàn)在不同的操作頻率中，有不同的諧振長(cháng)度，操作頻率高時(shí)天線(xiàn)振子的諧振長(cháng)度短，而在操作頻率低時(shí)天線(xiàn)振子的諧振長(cháng)度長(cháng)。當操作頻率低時(shí)共用頻率高的那部分振子，在操作頻率高時(shí)切斷加長(cháng)部分的振子，使之只有短的振子工作，這樣，同一條天線(xiàn)就可工作在兩個(gè)操作頻率。因此把對應不同操作頻率的不同長(cháng)度的振子用開(kāi)關(guān)接起來(lái)，使在不同的操作頻率時(shí)對應長(cháng)度的振子接入工作，就可以使一條天線(xiàn)工作在多個(gè)頻段。實(shí)際使用上，我們大多采用所謂的“陷波器”來(lái)代替開(kāi)關(guān)自動(dòng)地根據不同的操作頻率調整振子長(cháng)度?！跋莶ㄆ鳌睂?shí)質(zhì)是一個(gè)諧振于操作頻率的并聯(lián)諧振電路，在天線(xiàn)工作于操作頻率時(shí)，并聯(lián)諧振電路呈現高阻抗，可以看作開(kāi)路，振子斷開(kāi)，當天線(xiàn)輸入頻率低于“陷波器”諧振頻率時(shí)，“陷波器”相當于在兩振子串聯(lián)的電感線(xiàn)圈，相反，相當于串聯(lián)電容，而這兩種狀態(tài)都起到縮短實(shí)際天線(xiàn)振子長(cháng)度的作用。實(shí)際應用時(shí)，當天線(xiàn)被設計成太多的工作頻段時(shí)，天線(xiàn)被分成很多段，同時(shí)也要接入很多的“陷波器”，使得天線(xiàn)的各部分產(chǎn)生相互的影響，使調整非常困難，同時(shí)也易受架設環(huán)境的影響，使天線(xiàn)的實(shí)際效果不佳。
業(yè)余無(wú)線(xiàn)電通信的常用天線(xiàn)形式
1：偶極天線(xiàn)(DP)
2：帶有加感線(xiàn)圈的偶極天線(xiàn)(COIL LOADED DP)
3：帶有陷波回路的多頻段偶極天線(xiàn)(TRAPED DP)
4：倒 V 形偶極天線(xiàn)(INVERTED V)，用于省略一根支撐桿
5：并聯(lián)式多頻段偶極天線(xiàn)(MULTI BAND DP)
6：折合偶極天線(xiàn)(FOLDED DP)，用于330歐饋線(xiàn)系統
7：帶有引向振子及反射振子的偶極天線(xiàn)(八木天線(xiàn)，YAGI)
8：方形天線(xiàn)(QUAD)
9：帶有引向振子及反射振子的偶極天線(xiàn)(QUAD YAGI)
10：帶有吸收電阻的寬帶折合形波天線(xiàn)(T2FD)
11：垂直接地天線(xiàn)(VERTICAL)
12：帶有加感線(xiàn)圈的垂直接地天線(xiàn)(COIL LOADED VER TICAL)
13：帶有人工地網(wǎng)的垂直接地型天線(xiàn)(GP)
14：J形天線(xiàn)(J TYPE)
15：H形天線(xiàn)(HANTENNA)
16：雙角錐形天線(xiàn)，用于 V/UHF 寬頻帶場(chǎng)合
17：盤(pán)錐天線(xiàn)(DISCON)，用于 V/UHF 寬頻帶場(chǎng)合
18：垂直相控天線(xiàn)(VERTICAL COLINER)，用于 V/UHF 高增益全向場(chǎng)合
19：環(huán)形發(fā)射天線(xiàn)(MAGNETIC LOOP)，用于狹窄環(huán)境，但效率不易做得較高
20：正交八木天線(xiàn)(CROSS YAGI)，用于空間通信
21：螺旋圓極化天線(xiàn)(HELICAL)，用于空間通信
22：法向模螺旋天線(xiàn)(HELICAL)，用于手持機小體積場(chǎng)合
23：對數周期天線(xiàn)(LP)，用于寬頻帶場(chǎng)合
24：任意長(cháng)度的導線(xiàn)(LONG WIRE)，用于環(huán)境有限或臨時(shí)架設的場(chǎng)合，一般需配天線(xiàn)調諧器(ATU)加以匹配。