2018-08-20 15:51:57
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天線一直是業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的收發效果和通訊距離。業余無線電臺具有發射功率小、收發共用同一天線和天線架設條件簡陋等特點，更加要求合理地選用適當的天線以達到更好的通訊效果。
天線，是電波的換能器件，用以發射和接收電波。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轉換成高頻電磁波向外輻射，高頻電流流過任何導體時，導體內部的電子隨著高頻電流振動，在導體外面空間會感應激發電磁波。天線也把在空間的電磁波通過感應轉換成高頻電流，因此，可以說天線是收發互逆的。任何天線在接收時的所有特性及參數都可以由該天線在發射狀態時的已知特性及參數決定，反之亦然。簡單地說，若一條天線的接收效果好，則該天線的發射效果也好。
電子和磁子振動產生交變電場或磁場，交變的電場或磁場互相轉換，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均能產生同樣的電磁波，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生電磁波。為了使天線的輻射提高，必須使流過天線導體的高頻電流盡量的強，我們知道當電路處于諧振狀態時，電路上的電流最大，因此，若使天線處于諧振狀態，則天線的輻射最強。由傳輸線理論可知，當導體長度為1/4波長的整數倍時，該導體在該波長的 頻率上呈諧振特性，導體長度為1/4波長為串聯諧振特性，導體長度為1/2波長為并聯諧振特性。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體構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，但在不同的介質中有不同的傳播速度，波長也不同，因而，在不同的介質中，天線的振子長度可以縮小，例如在空氣中的縮短系數是0.98。有的介質的縮短系數很大，可以使天線大大縮小，但通常介質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，根據天線收發互逆，接收時天線也必須采用與發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
1.輻射效率
輸入到天線系統的功率，在天線系統中會由于熱損耗、介質損耗等消耗掉一部分，而不能全部變為電磁波輻射。天線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。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、周圍環境的影響等多種因素有關。大多數情況下，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。若天線系統的特性阻抗與傳輸系統的特性阻抗相同，就稱為阻抗匹配，這時天線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，造成電波從天線系統反射回傳輸系統，這部分反射的電波信號由于來回反射被損耗掉，沒有被天線系統輻射出去，無形中使實際饋送到天線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，通常應努力使天線的特性阻抗也為50Ω，只有這樣，才能使整個收發系統的傳輸效率最高。
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比值dB表示，所用的比較基準不同，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。理論上可以把天線的全部輻射都集中到遠處的一點上，但實際上要實現它需要極其龐大復雜的天線系統，而這時天線內部的相互影響和產生的損耗會抵消掉天線產生的增益，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到相同場強的距離。
總的來說，一個好的天線系統，首先是天線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，使整個收發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。
業余無線電常用的天線形式
業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波長的導線作振子，水平于地面架設起來，在中間饋入高頻信號，天線發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方法，一種是用支架拉起天線振子的兩端的“水平架設”法，另一種是用支架在中間把饋電端撐起，天線振子以夾角120°往下拉開的“倒V型架設”法。這種架設方法的優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在地面上，由于地面具有一定的導電性，會對天線的輻射產生影響，其作用的結果相當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、天線架設離地面的高度和地面導電率等因素有關，一般HF的垂直天線都是在非常接近地面的地方架設，因此可重點考慮輻射角和天線的長度的關系。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的距離就越遠。在天線長度為1/2波長時沿著地面方向輻射最大，當天線長度繼續增加時，雖然水平方向輻射角繼續減少，但同時在垂直方向(天空方向)有副瓣輻射出現。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效果。垂直接地天線具有結構簡單、架設容易、占地方小、輻射角低等優點，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，經典設計是以1/4波長振子為有源輻射單元(實際振子長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，通過調整反射器和引向器振子的長度，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系。在實際應用中，為了進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，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，實際距離根據實驗而定。當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。當天線的振子數目增大后，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。
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計和計算顯得非常復雜，以前多由實驗取得數據，近年來計算機仿真技術的發展，出現了天線的仿真設計軟件，極大地方便自己設計和制作各種天線。
在業余無線電通信中，業余頻段被分割成整數倍的若干頻段，為業余制作多頻段的天線創造了有利的條件。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。因此把對應不同操作頻率的不同長度的振子用開關接起來，使在不同的操作頻率時對應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”來代替開關自動地根據不同的操作頻率調整振子長度。“陷波器”實質是一個諧振于操作頻率的并聯諧振電路，在天線工作于操作頻率時，并聯諧振電路呈現高阻抗，可以看作開路，振子斷開，當天線輸入頻率低于“陷波器”諧振頻率時，“陷波器”相當于在兩振子串聯的電感線圈，相反，相當于串聯電容，而這兩種狀態都起到縮短實際天線振子長度的作用。實際應用時，當天線被設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生相互的影響，使調整非常困難，同時也易受架設環境的影響，使天線的實際效果不佳。
業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
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：環形發射天線(MAGNETIC LOOP)，用于狹窄環境，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：對數周期天線(LP)，用于寬頻帶場合
24：任意長度的導線(LONG WIRE)，用于環境有限或臨時架設的場合，一般需配天線調諧器(ATU)加以匹配。