完全天線手冊(cè)

來(lái)源：edatop 更新時(shí)間：2024-09-16 閱讀：

完全天線手冊(cè)

基本概念:
把高頻電能變?yōu)殡姶艌?chǎng)能量或把電磁場(chǎng)能變?yōu)楦哳l電能的裝置稱為天線。天線有各種各樣的形式，如直線導(dǎo)線、環(huán)形導(dǎo)線等構(gòu)成的線天線和由金屬板或金屬網(wǎng)構(gòu)成的面天線。按用途，天線可分為發(fā)射和接收兩大類。
天線的作用就是把發(fā)射機(jī)末級(jí)回路的高頻電流變換成電磁波并向特定的方向發(fā)射出去。接收天線則是把以自由空間為傳媒的電磁波還原為高頻電流經(jīng)饋線送入接收機(jī)。由此可見(jiàn)，天線的作用就是在高頻電流和電磁波之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。因此，從理論上講，發(fā)射天線可以當(dāng)作接收天線使用，接收天線也可以充當(dāng)發(fā)射天線使用。
目前，用于接收衛(wèi)星電視廣播的天線有：螺旋天線（用于接收L波段電視廣播）、拋物面天線（前饋型。常用于接收C波段、Ku波段衛(wèi)星電視廣播的正饋、偏饋天線）、卡塞格倫天線（后饋）、平板天線等。
天線的主要特征參數(shù)有：1、方向圖、主瓣寬度與副瓣電平；2、增益；3、極化；4、電壓駐波比；5、頻帶寬度；6、噪聲溫度；7、效率等。工程上常用這些參量來(lái)衡量天線的技術(shù)特征。接收衛(wèi)星電視廣播要求接收天線具有高增益、高效率、低噪聲、寬頻帶、天線指向調(diào)整范圍寬等特性。
天線是FM DX的耳朵，微弱的電波從天線經(jīng)過(guò)饋線進(jìn)入接收機(jī)，才能讓我們聽(tīng)到遠(yuǎn)方電臺(tái)的聲音。一個(gè)接收系統(tǒng)的好壞，天線占了一半。我們希望天線能有高的增益，把微弱的信號(hào)變得響亮，我們希望天線能有一定的選擇能力，把傳呼臺(tái)干擾和本地強(qiáng)臺(tái)擋在外面，我們希望天饋系統(tǒng)盡量減小損耗，把每一微伏的信號(hào)都送到接收機(jī)的前端。
對(duì)于大多數(shù)使用便攜式收音機(jī)來(lái)收聽(tīng)FM DX的人說(shuō)，他們的天線也許只是收音機(jī)上的拉桿天線，這樣的天線雖然簡(jiǎn)單方便，但是對(duì)于FM DX來(lái)說(shuō)，無(wú)論如何是不夠的，盡管拜電離層的恩賜，這樣的天線系統(tǒng)也不是沒(méi)有可能接收到DX信號(hào)。
我將介紹一些常見(jiàn)而且容易自制的天線，這些天線能夠用我們?nèi)粘Ｉ钪腥菀椎玫降牟牧现谱?。我?huì)逐一制作這些天線，將制作的過(guò)程拍成照片，并給出盡可能詳細(xì)的尺寸數(shù)據(jù)。盡管我在制作過(guò)程中會(huì)動(dòng)用天線分析儀甚至是綜合測(cè)試儀等設(shè)備，但是我將告訴讀者不使用這些昂貴儀器的調(diào)試方法。至少，完全按照我的材料、尺寸總不會(huì)錯(cuò)。
電波：
在講天線之前，不能不先提一提電波。
我們制作天線的目的是為了捕捉電波，因此，在考慮天線的問(wèn)題之前，絕對(duì)有必要先研究一下電波的問(wèn)題。
FM廣播波段，頻率上是從87.5MHz到108MHz，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是3.4米到2.7米，一般稱做3米波段，是VHF（Very High Frequency）的一段。這個(gè)波段以下，54MHz到87.5MHz是電視廣播波段，以上，108MHz到136MHz是航空通訊波段。VHF波段的電波傳播，主要有三種途徑：
 直接波
這是指從發(fā)射天線到接收天線之間，不經(jīng)過(guò)任何發(fā)射，直接到達(dá)，電波就象一束光一樣，所以有人稱它為視線傳播。視線傳播這個(gè)名字也表明了這種傳播方式能夠傳播的距離不遠(yuǎn)。這有兩個(gè)原因，首先是電波從發(fā)射點(diǎn)出發(fā)，其能量是以冪級(jí)數(shù)遞減的，而接收機(jī)要能良好地解調(diào)出廣播，需要一定的信號(hào)強(qiáng)度。所以太遠(yuǎn)的地方，信號(hào)太弱，不足以解調(diào)。如果只是這個(gè)原因，那么拼命提高發(fā)射功率或增加接收天線的增益，也許就可以擴(kuò)大收聽(tīng)的范圍了。但是，還有一個(gè)重要的問(wèn)題是，地球是圓的，在地球上任何一點(diǎn)發(fā)出的電波，按直線前進(jìn)的方向，最終將離開(kāi)地球射向天空。主要是由于第二個(gè)原因，一般地講，地面上一個(gè)發(fā)射臺(tái)發(fā)出的直線波，只能傳播到70km遠(yuǎn)處地面上的接收處。如果雙方的高度增加，那么這個(gè)距離還可以增加，但總是有限的。所以，70km，是本地收聽(tīng)的極限，實(shí)際上，由于山脈、丘陵、房屋的阻擋、反射，這個(gè)距離還要大打折扣，一般可以估計(jì)的距離是35km。
 電離層發(fā)射波
這是指電波通過(guò)電離層的發(fā)射達(dá)到接收方。這里面的名堂很多。電離層本身是有多個(gè)層次的，支持短波（1.8MHz到30MHz）反射的電離層是F1和F2層。F1和F2并不是甘心反射所有的無(wú)線電波，它們能反射的最高頻率是有限的，超過(guò)這個(gè)頻率的電波完全得不到反射，而是穿過(guò)電離層射向太空。如果沒(méi)有這個(gè)特性，那么通訊衛(wèi)星就不可能存在了，通訊衛(wèi)星就是在電離層外工作的。這個(gè)最高頻率叫作MUF（Max Usable Frequency）。 MUF與很多因素有關(guān)，主要是和太陽(yáng)黑子活躍程度以及季節(jié)有關(guān)。太陽(yáng)黑子活躍，MUF就高，天氣熱，MUF也高。MUF最高能高到多少呢？一般在太陽(yáng)黑子活躍期的夏天，MUF在20MHz到 40MHz之間，很少超過(guò)50MHz。在低的時(shí)候甚至?xí)偷?0MHz以下。但是在太陽(yáng)黑子異?；钴S的時(shí)候，MUF也有可能偶然達(dá)到100MHz。這時(shí)候，就有可能通過(guò)F層發(fā)射收到DX FM了。但是這不是FM DX的主要形式，F(xiàn)M DX主要是通過(guò)另外一個(gè)電離層E層。本來(lái)E層的出現(xiàn)是破壞F層，所以我們不妨記F層為Friend層，E層為Enemy層。但是Es層的出現(xiàn)，卻會(huì)形成一個(gè)短期內(nèi)密度極高的反射層。反射層的密度高，意味著能更好地反射電波。所以Es層開(kāi)通的時(shí)候，DX電臺(tái)的信號(hào)會(huì)異常地強(qiáng)。在6米和10米業(yè)余波段工作的業(yè)余電臺(tái)都知道， Es層開(kāi)通的時(shí)候，很小的功率，甚至5W，也有可能做DX聯(lián)絡(luò)。Es的開(kāi)通，主要是提供了 800km以內(nèi)電波的傳播路徑。由于信號(hào)很強(qiáng)，其實(shí)很多時(shí)候并不需要很好的設(shè)備就可以接收，需要的是耐心和運(yùn)氣。除了這兩種反射，F(xiàn)M DX還有可能通過(guò)對(duì)流層反射和流星余跡到達(dá)你的接收機(jī)。
 地波和大氣波導(dǎo)
本來(lái)來(lái)說(shuō)，理論上VHF是不存在地波的。但是無(wú)數(shù)的實(shí)踐表明，VHF 也存在著某種程度的地波傳播。所以我們能穩(wěn)定地接收200km左右電臺(tái)的信號(hào)。江蘇和安徽兩省的業(yè)余電臺(tái)，每年國(guó)慶的時(shí)候都進(jìn)行全省VHF移動(dòng)通訊實(shí)驗(yàn)，也證明了VHF電波可以在200km左右的距離得到傳播。大氣波導(dǎo)是另外一種可能傳播VHF電波的手段，不過(guò)人們研究得還不夠多。
既然存在著這些可能，那么如何知道我收到的信號(hào)是以什么方式來(lái)的呢？一般來(lái)說(shuō)，如果收到的信號(hào)來(lái)自70km以內(nèi)的電臺(tái)，基本上可以認(rèn)為是直接波；如果是200km以內(nèi)，而且信號(hào)穩(wěn)定（不一定強(qiáng)），那么大概是地波；如果是800km以內(nèi)，信號(hào)很強(qiáng)，但是極不穩(wěn)定，而且偶爾才出現(xiàn)，多半是Es層傳播；如果距離更遠(yuǎn)，信號(hào)很弱，大概是F層或其他形式的電離層傳播了。
知道這些有什么用呢？用處在于幫助我們選擇對(duì)天線的要求。比如，F(xiàn)層的傳播有一個(gè)特點(diǎn)是越距，大約500km以內(nèi)的電臺(tái)是不可能通過(guò)F層的傳播來(lái)的，這個(gè)距離內(nèi)的電臺(tái)信號(hào)只能以Es層來(lái)。就象在杭州想要接收臺(tái)灣的FM電臺(tái)信號(hào)，只能PNP（Plug and pray），等 Es層，那么天線就要考慮適合Es層的特點(diǎn)。

還有一個(gè)很重要的因素是極化方式，這是很容易被很多愛(ài)好者忽略的問(wèn)題。電波的極化方式有三種：水平極化、垂直極化和圓極化。不管理論上怎么計(jì)算，簡(jiǎn)單的判斷方法，就是看振子的方向，振子是水平放的就是水平極化，垂直的就是垂直極化，圓極化不用在 FM廣播，可以不管。極化方式之所以重要，是因?yàn)橐蟀l(fā)射方與接收方的極化方式必須一致，才能有好的接收效果。我國(guó)廣播的極化方式是水平極化，所以，接收天線也應(yīng)水平架設(shè)。如果極化方式不一致，會(huì)有10dB到20dB的損失?？墒?，經(jīng)過(guò)電離層的反射過(guò)來(lái)的電波，早就被反射得七葷八素、顛三倒四，說(shuō)不定是什么極化方式了。所以，接收DX信號(hào)，其實(shí)垂直極化也不錯(cuò)，附帶的一個(gè)好處，就是可以削弱本地電臺(tái)的影響。
天線的特性全接觸：
 共振
任何天線都諧振在一定的頻率上，我們要接收哪個(gè)頻率的信號(hào)，就希望天線諧振在那個(gè)頻率上。天線諧振是對(duì)天線最基本的要求，要不然，就沒(méi)那么多講究了，隨便扔根線出去不也是天線嘛。
天線的諧振問(wèn)題涉及到的主要數(shù)據(jù)是波長(zhǎng)及其四分之一。計(jì)算波長(zhǎng)的公式很簡(jiǎn)單，300/f。其中f的單位是MHz，而得到的結(jié)果的單位是米。1/4波長(zhǎng)是稱作基本振子，如偶極天線是一對(duì)基本振子，垂直天線是一根基本振子。
不過(guò)天線中的振子的長(zhǎng)度并不正好是1/4波長(zhǎng)，因?yàn)殡姴ㄔ趯?dǎo)線中行進(jìn)的速度與在真空中的不同，一般都要短一些，所以有一個(gè)縮短因子。這個(gè)因子取決于材料。
 帶寬
這也是一個(gè)重要但容易被忽略的問(wèn)題。天線是有一定帶寬的，這意味著雖然諧振頻率是一個(gè)頻率點(diǎn)，但是在這個(gè)頻率點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)，這付天線的性能都是差不多好的。這個(gè)范圍就是帶寬。
我們當(dāng)然希望一付天線的帶寬能覆蓋一定的范圍，最好是我們所收聽(tīng)的整個(gè)FM廣播波段。要不然換個(gè)臺(tái)還要換天線或者調(diào)天線也太麻煩了。
天線的帶寬和天線的型式、結(jié)構(gòu)、材料都有關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，振子所用管、線越粗，帶寬越寬；天線增益越高，帶寬越窄。
 阻抗
天線可以看做是一個(gè)諧振回路。一個(gè)諧振回路當(dāng)然有其阻抗。我們對(duì)阻抗的要求就是匹配：和天線相連的電路必須有與天線一樣的阻抗。和天線相連的是饋線，饋線的阻抗是確定的，所以我們希望天線的阻抗和饋線一樣。一般生產(chǎn)的饋線，主要是300歐姆、75歐姆和50歐姆三種阻抗，國(guó)外過(guò)去還有450歐姆和600歐姆阻抗的饋線。
基本偶極天線的阻抗是75歐姆左右，V型偶極天線是50歐姆左右，基本垂直天線阻抗 50歐姆。其他天線一般阻抗都不是50或75歐姆，那么在把它們與饋線連接之前，需要有一定的手段來(lái)做阻抗變換。
平衡
對(duì)稱的天線是平衡的，如偶極天線、八木天線，而同軸電纜是不平衡的，把這兩者連接起來(lái)，就需要解決平衡不平衡轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。
 增益
天線是無(wú)源器件，但是天線是可以有增益的。這個(gè)增益當(dāng)然是相對(duì)增益，是相對(duì)于基本偶極天線而言的。FM DX所用的天線，當(dāng)然希望增益越高越好。不過(guò)別忘了，增益高往往伴隨著帶寬窄。
方向性
不是所有的天線都有方向性的。便攜式收音機(jī)上的拉桿天線就沒(méi)有方向性。偶極天線有弱的方向性，八木等定向天線可以得到較好的方向性。好的方向性意外著能夠集中收集所需方向的電波，還有一個(gè)重要的能力就是能部分地減弱本地電臺(tái)信號(hào)的影響。
但是定向天線并不是什么情況下都好。當(dāng)沒(méi)有目標(biāo)而等待的時(shí)候，定向天線就有可能使你錯(cuò)過(guò)天線背面的信號(hào)。所以比較合理的方式，是用一個(gè)垂直天線和一付定向天線配合使用，用垂直天線等待，聽(tīng)到信號(hào)后，再用定向天線轉(zhuǎn)過(guò)去對(duì)準(zhǔn)了聽(tīng)。
 仰角
天線的仰角是指電波的仰角，而并不是天線振子本身機(jī)械上的仰角。仰角反映了天線接收哪個(gè)高度角來(lái)的電波最強(qiáng)。對(duì)于F層傳播，我們希望仰角低，可以傳播地遠(yuǎn)，對(duì)于 Es層，電波主要是從高處來(lái)，我們希望仰角高。
仰角的高低取決于天線型式和架設(shè)高度。一般來(lái)說(shuō)，垂直天線具有低仰角，其他天線的仰角隨架設(shè)高度變化。
 架設(shè)高度
天線有一個(gè)架設(shè)高度。這個(gè)高度實(shí)際上是兩個(gè)高度，一個(gè)高度我們考慮它的水平面高度，這個(gè)高度對(duì)于本地信號(hào)有些用，對(duì)于DX其實(shí)用處不大。第二個(gè)常常被忽略的高度是地面高度，是指天線到電氣地面的高度。比如架設(shè)在鋼筋水泥房頂?shù)奶炀€，雖然房子高有20米，但是天線距房頂只有1米，那么這付天線的高度只是1米。
天線的高度對(duì)不同的天線有不同的影響，一般會(huì)影響天線的阻抗和仰角。通常我們認(rèn)為天線的地面高度應(yīng)在0.4個(gè)波長(zhǎng)以上，才比較不受地面的影響。
 駐波比
最后介紹這個(gè)最不被中國(guó)的愛(ài)好者熟悉的特征。
駐波比反映了天饋系統(tǒng)的匹配情況。它是以天線作為發(fā)射天線時(shí)發(fā)射出去和反射回來(lái)的能量的比來(lái)衡量天線性能的。駐波比是由天饋系統(tǒng)的阻抗決定的。天線的阻抗與饋線的阻抗與接收機(jī)的阻抗一致，駐波比就小。駐波比高的天饋系統(tǒng)，信號(hào)在饋線中的損失很大。