2018-08-20 15:51:57
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天線一直是業(yè)余無線電活動中最熱門的話題，也是無線電愛好者最常自制的器材之一。天線的好壞直接影響無線電通訊系統(tǒng)的收發(fā)效果和通訊距離。業(yè)余無線電臺具有發(fā)射功率小、收發(fā)共用同一天線和天線架設(shè)條件簡陋等特點，更加要求合理地選用適當(dāng)?shù)奶炀€以達(dá)到更好的通訊效果。
天線，是電波的換能器件，用以發(fā)射和接收電波。它的工作有點像音響里的揚聲器和話筒，它把在電路里流動的高頻電流通過電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻電磁波向外輻射，高頻電流流過任何導(dǎo)體時，導(dǎo)體內(nèi)部的電子隨著高頻電流振動，在導(dǎo)體外面空間會感應(yīng)激發(fā)電磁波。天線也把在空間的電磁波通過感應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻電流，因此，可以說天線是收發(fā)互逆的。任何天線在接收時的所有特性及參數(shù)都可以由該天線在發(fā)射狀態(tài)時的已知特性及參數(shù)決定，反之亦然。簡單地說，若一條天線的接收效果好，則該天線的發(fā)射效果也好。
電子和磁子振動產(chǎn)生交變電場或磁場，交變的電場或磁場互相轉(zhuǎn)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均能產(chǎn)生同樣的電磁波，但由于電路里本身就是流動著高頻電流，因此我們常用的是電天線——即使電子作高頻振動來產(chǎn)生電磁波。為了使天線的輻射提高，必須使流過天線導(dǎo)體的高頻電流盡量的強，我們知道當(dāng)電路處于諧振狀態(tài)時，電路上的電流最大，因此，若使天線處于諧振狀態(tài)，則天線的輻射最強。由傳輸線理論可知，當(dāng)導(dǎo)體長度為1/4波長的整數(shù)倍時，該導(dǎo)體在該波長的 頻率上呈諧振特性，導(dǎo)體長度為1/4波長為串聯(lián)諧振特性，導(dǎo)體長度為1/2波長為并聯(lián)諧振特性。由于1/2波長的振子比1/4波長的振子長，所以1/2波長振子的輻射比1/4波長振子強，但振子超過1/2波長雖然輻射繼續(xù)加強，但由于超過1/2波長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，通常的天線都采用1/4波長或1/2波長的振子長度單位，這種由兩根長度相同的導(dǎo)體構(gòu)成的天線就叫偶極天線。這是最簡單、最基本的天線，其他的天線都可以等效成偶極天線的變形和疊加。
電波在真空中傳播的速度是約每秒30萬公里的光速，但在不同的介質(zhì)中有不同的傳播速度，波長也不同，因而，在不同的介質(zhì)中，天線的振子長度可以縮小，例如在空氣中的縮短系數(shù)是0.98。有的介質(zhì)的縮短系數(shù)很大，可以使天線大大縮小，但通常介質(zhì)的電波損耗比真空和空氣大，天線的效率并不高。同樣的天線，工作頻率越低，波長越長，則天線的振子也越長，天線也顯得越龐大。
電磁波在傳播時其電場或磁場的方向是有固定的規(guī)律的，我們叫電波的極化，是以電場分量的方向命名。電波的電場和地面垂直，稱為垂直極化波;電波的電場與地面平行，稱為水平極化波。電波的極化是由發(fā)射天線決定的，因此天線按其輻射電波的極化分為水平極化和垂直極化天線，根據(jù)天線收發(fā)互逆，接收時天線也必須采用與發(fā)射同種極化的天線才能有最好的接收效果。
天線的重要指標(biāo)
1.輻射效率
輸入到天線系統(tǒng)的功率，在天線系統(tǒng)中會由于熱損耗、介質(zhì)損耗等消耗掉一部分，而不能全部變?yōu)殡姶挪ㄝ椛洹Ｌ炀€的輻射效率就是輻射功率與輸入功率之比，它與天線的損耗電阻、輻射電阻、工作波長等有關(guān)。為了提高天線的輻射效率，就要盡量增大輻射電阻和減小損耗電阻。同時，發(fā)射頻率越低，天線的輻射效率也越低，換句話說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的輸入端，天線就會呈現(xiàn)出一定的電阻和電抗，稱為天線的特性阻抗。天線的特性阻抗與天線的形狀、尺寸、工作波長、信號的饋入點、周圍環(huán)境的影響等多種因素有關(guān)。大多數(shù)情況下，特性阻抗可以通過理論計算或由實驗確定，但用普通的萬用表是不能測量出來的。若天線系統(tǒng)的特性阻抗與傳輸系統(tǒng)的特性阻抗相同，就稱為阻抗匹配，這時天線系統(tǒng)的輻射電阻和損耗電阻正好吸收了傳輸系統(tǒng)饋送的全部功率。而如果天線系統(tǒng)與傳輸系統(tǒng)的特性阻抗有差異，系統(tǒng)就不匹配，造成電波從天線系統(tǒng)反射回傳輸系統(tǒng)，這部分反射的電波信號由于來回反射被損耗掉，沒有被天線系統(tǒng)輻射出去，無形中使實際饋送到天線系統(tǒng)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(yīng)努力使天線的特性阻抗也為50Ω，只有這樣，才能使整個收發(fā)系統(tǒng)的傳輸效率最高。
3.天線增益
把天線的輻射向某個方向集中，在這個方向上天線所產(chǎn)生的場強將會增大，也就是說天線具有增益。通常表示天線的增益采用對數(shù)比值dB表示，所用的比較基準(zhǔn)不同，得出的天線增益值也有很大的不同，一般是以無方向天線的輻射場強為基準(zhǔn)。理論上可以把天線的全部輻射都集中到遠(yuǎn)處的一點上，但實際上要實現(xiàn)它需要極其龐大復(fù)雜的天線系統(tǒng)，而這時天線內(nèi)部的相互影響和產(chǎn)生的損耗會抵消掉天線產(chǎn)生的增益，天線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)。有一個比較形象地表現(xiàn)天線輻射情況的是天線輻射方向 圖，天線方向圖可以反映天線分別在水平方向和垂直方向上達(dá)到相同場強的距離。
總的來說，一個好的天線系統(tǒng)，首先是天線系統(tǒng)本身的輻射效率要高，損耗要小，其次是要能與傳輸系統(tǒng)匹配，使整個收發(fā)系統(tǒng)的傳輸效率達(dá)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)余無線電常用的天線形式
業(yè)余無線電中較常用的天線形式有水平半波偶極天線(Dipole)、垂直接地天線 (Vertical)、八木天線(Yagi)等。
水平半波天線采用兩條1/4波長的導(dǎo)線作振子，水平于地面架設(shè)起來，在中間饋入高頻信號，天線發(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。水平半波偶極天線有兩種架設(shè)方法，一種是用支架拉起天線振子的兩端的“水平架設(shè)”法，另一種是用支架在中間把饋電端撐起，天線振子以夾角120°往下拉開的“倒V型架設(shè)”法。這種架設(shè)方法的優(yōu)點是只用一根支撐架，而且天線容易與50Ω電纜匹配。
垂直極化天線是天線被架設(shè)在地面上，由于地面具有一定的導(dǎo)電性，會對天線的輻射產(chǎn)生影響，其作用的結(jié)果相當(dāng)于在地面的下面對稱位置安放一個“鏡像”天線一樣。對于垂直接地天線(Vertical)，其輻射角和天線的長度、天線架設(shè)離地面的高度和地面導(dǎo)電率等因素有關(guān)，一般HF的垂直天線都是在非常接近地面的地方架設(shè)，因此可重點考慮輻射角和天線的長度的關(guān)系。通過計算可知，由于“鏡像天線”的作用，垂直天線輻射沿著地面方向輻射最大，輻射角度越貼近水平面，通過電離層反射所能到達(dá)的距離就越遠(yuǎn)。在天線長度為1/2波長時沿著地面方向輻射最大，當(dāng)天線長度繼續(xù)增加時，雖然水平方向輻射角繼續(xù)減少，但同時在垂直方向(天空方向)有副瓣輻射出現(xiàn)。有的垂直天線為了減少副瓣輻射，采取改變天線振子電流分布的方法。單根垂直接地天線在水平方向的輻射是無方向性的，也就是對于四面八方的信號有著相同的收發(fā)效果。垂直接地天線具有結(jié)構(gòu)簡單、架設(shè)容易、占地方小、輻射角低等優(yōu)點，但同時垂直接地天線也有增益低、無方向性和接收噪音大等固有的缺點。通常在工作頻率低，要求全向通訊，架設(shè)條件比較苛刻時使用。
比較著名的方向性天線是八木天線，一般的單頻段的八木天線，經(jīng)典設(shè)計是以1/4波長振子為有源輻射單元(實際振子長度還應(yīng)乘上相應(yīng)的縮短系數(shù))，在距有源輻射單元后面1/4波長的地方放置一根振子稱為反射器，在距有源輻射單元前面1/4波長的地方放置一根振子稱為引向器，通過調(diào)整反射器和引向器振子的長度，使反射器振子感應(yīng)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(yuǎn)區(qū)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(jù)傳輸線理論，只要反射器和引向器的長度分別取得較有源振子長一點和短一點(或加入可調(diào)節(jié)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。在實際應(yīng)用中，為了進(jìn)一步增加引向器方向的電場強度，使天線的方向性更好，常采用加入多個引向器的方法。由于加入了多個無源振子，各振子間互相影響，使設(shè)計和調(diào)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，反射器與有源振子間的距離可取0.l～0.25波長，引向器與有源振子間的距離可取0.l～0.34波長，實際距離根據(jù)實驗而定。當(dāng)然也可以用改變各振子長度的方法，使各振子的相位符合要求。當(dāng)天線的振子數(shù)目增大后，會引起有源振子特性阻抗的減少，因此在V/UHF頻段的天線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，天線振子的體積和重量都會很大，因而多采用阻抗變換的方法實現(xiàn)。
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，它是由呼號是HB9CV的HAM在1965年發(fā)明的，所以叫HB9CV天線，這種天線反射器和輻射器的距離僅1/8波長，前輻射振子長約為0.47波長，后輻射振子為約0.48波長。這樣兩單元的增益就相當(dāng)于五單元的八木天線，而且這種天線的顯著特點是體積小，前后比大，增益高。為了更進(jìn)一步提高這種天線的增益，在前輻射器前仿照八木天線再加上若干的引向振子，但同樣就使天線的設(shè)計和計算顯得非常復(fù)雜，以前多由實驗取得數(shù)據(jù)，近年來計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了天線的仿真設(shè)計軟件，極大地方便自己設(shè)計和制作各種天線。
在業(yè)余無線電通信中，業(yè)余頻段被分割成整數(shù)倍的若干頻段，為業(yè)余制作多頻段的天線創(chuàng)造了有利的條件。多波段天線的原理是基于天線在不同的操作頻率中，有不同的諧振長度，操作頻率高時天線振子的諧振長度短，而在操作頻率低時天線振子的諧振長度長。當(dāng)操作頻率低時共用頻率高的那部分振子，在操作頻率高時切斷加長部分的振子，使之只有短的振子工作，這樣，同一條天線就可工作在兩個操作頻率。因此把對應(yīng)不同操作頻率的不同長度的振子用開關(guān)接起來，使在不同的操作頻率時對應(yīng)長度的振子接入工作，就可以使一條天線工作在多個頻段。實際使用上，我們大多采用所謂的“陷波器”來代替開關(guān)自動地根據(jù)不同的操作頻率調(diào)整振子長度。“陷波器”實質(zhì)是一個諧振于操作頻率的并聯(lián)諧振電路，在天線工作于操作頻率時，并聯(lián)諧振電路呈現(xiàn)高阻抗，可以看作開路，振子斷開，當(dāng)天線輸入頻率低于“陷波器”諧振頻率時，“陷波器”相當(dāng)于在兩振子串聯(lián)的電感線圈，相反，相當(dāng)于串聯(lián)電容，而這兩種狀態(tài)都起到縮短實際天線振子長度的作用。實際應(yīng)用時，當(dāng)天線被設(shè)計成太多的工作頻段時，天線被分成很多段，同時也要接入很多的“陷波器”，使得天線的各部分產(chǎn)生相互的影響，使調(diào)整非常困難，同時也易受架設(shè)環(huán)境的影響，使天線的實際效果不佳。
業(yè)余無線電通信的常用天線形式
1：偶極天線(DP)
2：帶有加感線圈的偶極天線(COIL LOADED DP)
3：帶有陷波回路的多頻段偶極天線(TRAPED DP)
4：倒 V 形偶極天線(INVERTED V)，用于省略一根支撐桿
5：并聯(lián)式多頻段偶極天線(MULTI BAND DP)
6：折合偶極天線(FOLDED DP)，用于330歐饋線系統(tǒng)
7：帶有引向振子及反射振子的偶極天線(八木天線，YAGI)
8：方形天線(QUAD)
9：帶有引向振子及反射振子的偶極天線(QUAD YAGI)
10：帶有吸收電阻的寬帶折合形波天線(T2FD)
11：垂直接地天線(VERTICAL)
12：帶有加感線圈的垂直接地天線(COIL LOADED VER TICAL)
13：帶有人工地網(wǎng)的垂直接地型天線(GP)
14：J形天線(J TYPE)
15：H形天線(HANTENNA)
16：雙角錐形天線，用于 V/UHF 寬頻帶場合
17：盤錐天線(DISCON)，用于 V/UHF 寬頻帶場合
18：垂直相控天線(VERTICAL COLINER)，用于 V/UHF 高增益全向場合
19：環(huán)形發(fā)射天線(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(CROSS YAGI)，用于空間通信
21：螺旋圓極化天線(HELICAL)，用于空間通信
22：法向模螺旋天線(HELICAL)，用于手持機小體積場合
23：對數(shù)周期天線(LP)，用于寬頻帶場合
24：任意長度的導(dǎo)線(LONG WIRE)，用于環(huán)境有限或臨時架設(shè)的場合，一般需配天線調(diào)諧器(ATU)加以匹配。