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玻璃钢全向天线
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扇区定向天线
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车载鞭状天线
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4米棒子天线
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MIMO双极化全向天线
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八木定向天线
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    一、有趣的天线发明史
     

    「威尔」发现了导线的妙处

    我们一路回到最早期的无线电时代。在电力未发明以前,所有的机器都以煤油供应,例如以煤油为动力的冰箱就是很好的证明。

     

    早期有位实验家,名叫「威尔」 (Whitfield Whire),他发明的无线电发射机可以发出很大的火花,但讯号却无法发射出去。实际上他发明的发射机是以火花放电原理产生的无线电。但是让他最吶闷的是,试用了无数的方法,就是无法接收到这发射机所发射的讯号。后来是收到了,但讯号很弱。

     

    为了更进一步验证电波是否可以穿过桌面,他把发射机摆在桌子底下,为了取得讯号,接收机被吊在桌子上方的天花板上,令他感到意外的是,吊着接收机的这一条导线,竟然使接收机的效率好了许多,因此,他就把吊着的导线留在那里,从此,他就称他的接收机为「无线电接收机」 (WIRELESS SET),他并且把这一份结果整理成一份报告,发表在美国的 QST 杂志上 (世界上最早的一份业余无线电杂志 )。

     

    「古浪」发现接地的好处

    在这好几年之后,有一位名叫「古浪」 (Garfield Grownd) 的实验家发现到,供电给桌子上的台灯有两条导线,但是接收机的天线只有一条,为什么只有一条天线可以表现得那么好,因此他就针对这个问题继绩探讨下去。

     

    这个问题自然对他困扰不已,但是事情就是如此之巧,在后来他买了一部车子后,他发现车灯也是使用一条导线而已,当然还有另一条线是接车子的外壳。这就使他想到一个问题:若同样把发射机的其中一条导线接到一个共同的接点,是不是会比较好?所以他就用了一条金属管打入地底下,并且拉出一条线接到发射机上头,这竟然使讯号增强了许多,同样地,他也把这重要的发现发表在 QST 杂志上。他在该文中建议,每一座业余无线电台,都需要有「接地」 (GROWND)。

     

    「戴柏」发明双偶极天线

    天线的下一个主要突破是由「戴柏」 (Diogenes Dipole) 发明的。

     

    有一天,当迪普 (戴柏的昵称 ) 走过一个游乐场时,发现当地的狮子会员正在玩跷跷板,他发现这些狮子会员都很快地能保持平衡,想必其中有人运力,使跷跷板在极短的时间内保持平衡。

     

    迪普回到家后,马上拿了一条导线接上机器外壳,另一条导线则接到发射机输出,这就成为一组新的天线。其实,此天线也就是后来大家所熟知的「双偶极」 (DIPOLE) 天线,这是为了记念戴柏,而以他的名字来命名。

     

    「郝柏思」发明天线的虚接地

    在 QST 杂志上读过 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天线专论之后,一位名叫「郝柏思」 (Count Herpoise) 的欧洲贵族,发现他的台灯不只两条线,而是三条线,因为这国家的电力系统采用 330V,这虽很自然,但是他想到,为什么北美地区使用220V 供电,也要有三条线。这也就促成他发明了「虚接地线」,这理论常时很少人知道,甚至有人对这理论不以为然。不过,今日对天线有兴趣者,必定知道,虚性接地是必须的,而这些「虚接地」通常也称做 COUNTERPOISE,用发明者的名字以资纪念。

     

    「崔伯」首创较短的双偶极天线

    也在 QST 上读过 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天线专论的「崔伯」(Von Trap),由于他家空间不够大,无法架设双偶极天线,所以他沿着天线,每隔几英呎左右就绕几个圈,好把过长的部份缠绕起来,并且在缠绕的电感上并联电容,这就是「崔伯双偶极天线」 (TRAP DlPOLE) 的诞生。

     

    「尼马奇」提出天线理论、发明驻波比表

    从美国 QST 杂志发行以来,有关天线的发展史中,最富传奇色彩的是「尼马奇」 (Morries Nimatch),他的朋友们都昵称他为 Mo。他是第一位提出天线理论,探讨有关被馈送到长状天线的功率,有多少不会被辐射出去的物理学家。他为了彻底了解这一理论,想知道功率发射出去约有多少,被反射回来约有多少,因而发明了「驻波比表」 (驻波比 SWR 的现在英文正名为 Standing Wave Ratio。当时是 See What Returns 的缩写,意思是有多少功率被折返。)

     

    为了纪念此为驻波比表发明者,以前曾有人把驻波比表称做 MoNimatch。至今,有关驻波比表的制作,依然以此为基础。

     

    QST 杂志依例报导了极为成功的 Monimatched Whire Grownded Count Herpoise Balanced-Lion-fed Trap Dipole 天线。从上列一路发展下来,像极了印度教的导师精神。

     

    「雷顿」发现天线匹配

    后为「雷顿」 (Raoul Random)发现跷跷板上两端物体互异,但是调整距离也可以达到平衡,天线应该也可以像这样,以人工方式调整,达到平衡 (匹配 )。

     

    「赫兹」建立第一个天线系统

    1865年德国物理学家赫兹Hertz (1857-1894, 37岁)建立了第一个天线系统,当时的装配设备如今可描述为工作在米波波长的完整无线电系统,其中采用了终端加载的偶极子作为发射天线,并采用了谐振方环作为接受系统。                                            

     

    「马可尼」开创商用无线电、越洋通信

    1901年12月,意大利博洛尼亚研究者马可尼在赫兹的系统上添加了调谐电路,为较长波长配备了大的天线和接地系统,并在纽芬兰的圣约翰斯接收到发自英格兰波尔多的2.5km无线电报。开发了商用无线电,开创了越洋通信。

     

    在这些初期的研究上天线获得广泛的关注和应用,其发展大致可划分为三个历史阶段。

     

    二、天线的发展历史

    1、线天线时期(19世纪末至20世纪30年代初)

    1901年马可尼在加拿大纽芬兰收到的横渡大西洋由英国康泛尔半岛发来的“S”字母信开辟了无线电远距离通信的新时代。其当时所用发射天线是从48m高的横挂线斜拉下50根铜导线形成的扇形结构,可认为是第一副实用的单极天线,震荡源是70Hz的火花发生器。随后又利用4座木塔架设导线网构成方形单锥天线,如图所示,发射波长1000m。                                      

     

    随着20世纪初电子管的发明和发展,这一时期开头利用长波进行通信,随后发展到中波通信,并因电离层的发现,1924年前后开始了短波通信和远程广播。这一时期也建立了线天线的基本理论。

     

    2、面天线时期(20世纪30年代初至50年代末)

    二战前夕,微波速调管和磁控管的发明,导致了微波雷达的出现,厘米波得以普及,无线电频谱才得到更为充分的利用。这一时期广泛采用了抛物面天线或其他形式的反射面天线,这些天线都是面天线或称口径天线。此外,还出现了波导缝隙天线、介质棒天线、螺旋天线等。战后微波中继通信、广播和射电天文等应用使面天线和线天线技术进一步得到发展、提高。这时期建立了口径天线和基本理论,如几何光学、口径场法等,发明了天线测试技术,开发了天线阵的综合技术。

     

    3、大发展时期(20世纪50年代至今)

    1957年人造地球卫星上天标志着人类进入了开发宇宙的新时代,也对天线提出了多方面的高要求,如高增益、精密跟踪、快速扫面、宽频带、低旁瓣等。同时,电子计算机、微电子技术和现代材料的进展又为天线理论与技术的发展提供了必要的基础。1957年,美国制成了用于精密跟踪雷达AN/FPS-16的单脉冲天线,达0.1密位。1963年出现了高效率的双模喇叭馈源,1966年发明了波纹喇叭,1968年制成了高功率相控阵雷达AN/FPS-85。1972年制成了第一批实用微带天线,并作为火箭和导弹的共形天线开始了应用。

     

    近年来还出现了分形天线等小型化天线形式,另一重要进展时发展了天线的信号处理能力,理论上的进展是:创立了矩量法(MOM),时域有限差分法(FDTD)和几何绕射理论(GTD)等分析方法,并已形成商用软件。在天线测量技术方面,发展了微波暗室和近场测量技术,研制了紧缩天线测试场和利用射电源的测试技术,并建立了自动化测试系统。

     

    三、未来展望

     

    当今,如今天线已广泛应用于移动通信、广播电视、雷达、导航、卫星气象、遥感等领域。天线技术已具有成熟科学的许多特征,仍然是一个富有活力的技术领域。主要的发展方向是:多功能化(以一代多)、智能化(提供信息处理能力),小型化、集成化及高性能化(宽频带、高增益、低旁瓣、低交叉极化等)。

  • 连接天线和发射(或接收)机输出(或输入)端的导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端,或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端,同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样,就要求传输线必须屏蔽或平衡。当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线,简称长线。
     

    1.传输线的种类

    超短波段的传输线一般有两种:平行线传输线和同轴电缆传输线(微波传输线有波导和微带等)。

    平行线传输线通常由两根平行的导线组成。它是对称式或平衡式的传输线。这种馈线损耗大,不能用于UHF频段。

    同轴电缆传输线的两根导线为芯线和屏蔽铜网,因铜网接地,两根导体对地不对称,因此叫做不对称式或不平衡式传输线。


    2.传输线的特性阻抗
    无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗,用符号Z。表示同轴电缆的特性阻抗

                   Z。=〔138/εr 1/2〕×log(D/d)欧姆。

                   通常Z。=50欧姆/或75欧姆

    在公式中,   D为同轴电缆外导体铜网内径;d为其芯线外径;εr为导体间绝缘介质的相对介电常数。
     

    3.馈线衰减常数

    信号在馈线里传输,除有导体的电阻损耗外,还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此,应合理布局尽量缩短馈线长度。损耗的大小用衰减常数表示。单位用分贝(dB)/米或分贝/百米表示。

    这里顺便再说明一下分贝的概念,当输入功率为P。输出功率为P时,传输损耗可用γ表示,

                       γ(dB)=10×log(P。/P)(分贝)。
     

    4.匹配的概念

    什么叫匹配?我们可简单地认为,馈线终端所接负载阻抗Z等于馈线特性阻抗Z。时,称为馈线终端是匹配连接的。

    在实际工作中,天线的输入阻抗还会受周围物体存在和杂散电容的影响。为了使馈线与天线严格匹配,在架设天线时还需要通过测量,适当地调整天线的结构,或加装匹配装置。


    5.反射损耗

    当馈线和天线匹配时,高频能量全部被负载吸收,馈线上只有入射波,没有反射波。馈线上传输的是行波,馈线上各处的电压幅度相等,馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗.而当天线和馈线不匹配时,也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时,负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收,而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。


    6.馈线和天线的电压驻波比
    在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。

                        反射波幅度     (Z-Z。)

             反射系数Γ=─────  =───────

                        入射波幅度     (Z+Z。)  

    驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数,也叫电压驻波比(VSWR)

                   驻波波腹电压幅度最大值Vmax   |(1+Γ)|

    驻波系数S=──────────────=───--─

                   驻波波节电压辐度最小值Vmin   |(1-Γ)|     


    7.平衡装置

    电源、负载和传输线,根据它们对地的关系,都可以分成平衡和不平衡两类。若电源两端与地之间的电压大小相等,极性相反,就称为平衡电源,否则称为不平衡电源;与此相似,若负载两端或传输线两导体与地之间阻抗相同,则称为平衡负载或平衡(馈线)传输线,否则为不平衡负载或不平衡(馈线)传输线。

     

     *什么是WiFi?

     

    Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备(如pad、手机)等终端以无线方式互相连接的技术,事实上它是一个高频无线电信号。无线保真是一个无线网络通信技术的品牌,由Wi-Fi联盟所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。有人把使用IEEE 802.11系列协议的局域网就称为无线保真。甚至把无线保真等同于无线网际网路(Wi-Fi是WLAN的重要组成部分)。

     

    技术原理

    无线网络在无线局域网的范畴是指“无线相容性认证”,实质上是一种商业认证,同时也是一种无线联网技术,以前通过网线连接电脑,而无线保真则是通过无线电波来连网;常见的就是一个无线路由器,那么在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用无线保真连接方式进行联网,如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路,则又被称为热点。

     

    无线网络上网可以简单的理解为无线上网,几乎所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持无线保真上网,是当今使用最广的一种无线网络传输技术。实际上就是把有线网络信号转换成无线信号,就如在开头为大家介绍的一样,使用无线路由器供支持其技术的相关电脑,手机,平板等接收。手机如果有无线保真功能的话,在有Wi-Fi无线信号的时候就可以不通过移动联通的网络上网,省掉了流量费。

     

    无线网络无线上网在大城市比较常用,虽然由无线保真技术传输的无线通信质量不是很好,数据安全性能比蓝牙差一些,传输质量也有待改进,但传输速度非常快,可以达到54Mbps,符合个人和社会信息化的需求。无线保真最主要的优势在于不需要布线,可以不受布线条件的限制,因此非常适合移动办公用户的需要,并且由于发射信号功率低于100mw,低于手机发射功率,所以无线保真上网相对也是最安全健康的。

     

    但是无线保真信号也是由有线网提供的,比如家里的ADSL,小区宽带等,只要接一个无线路由器,就可以把有线信号转换成无线保真信号。国外很多发达国家城市里到处覆盖着由政府或大公司提供的无线保真信号供居民使用,我国也有许多地方实施”无线城市“工程使这项技术得到推广。在4G牌照没有发放的试点城市,许多地方使用4G转无线保真让市民试用。

  • 在无线电通信技术实际应用的过程中,天线作为其中重要的组成部分,在整个无线电通信系统运行的过程中有着十分重要的作用。通常情况下,天线功能主要是应用于对信号的传播,在整个无线电通信系统中起到一个电波输出和接收的作用。因此在无线电通信系统安装施工的过程中,对天线的选择和安装是很重要的。

    随着科学技术的不断发展,无线电通信技术已经得到了人们的广泛应用,这不仅有利于人类社会经济的发展,还给人们的生活带来了许多的便利。而我们在对无线电通信技术进行应用的过程中,主要涉及到的内容就是电波的输送和发射这两个方面,然而这两方面的内容都是有无线电通信中的天线来完成的,因此它在其中有着十分重要的意义。下面我们就对无线电通信天线的作用进行简要的介绍。

    一、天线的工作原理

    众所周知,在无线电通信系统运行的过程中,天线主要用于对无线电波的接受和输送,它是无线电通信系统中不可缺少的部件之一。但是,它是怎样来接受和发射无线电波的呢?为此我们就要对天线的工作原理进行详细的分析。


    天线的工作原理主要和磁场的变化有着十分密切的关系,而所谓的磁场变化则是指,有电场引起的,磁场作用于电场所发生的电磁波变化,其中电磁波的波动具有辐射性,可以用来对信息的传递,而天线这是通过对辐射出来的电磁波进行感知,让电磁波在传播的过程中,具有一定的方向性,从而满足电磁波信息接收的相关要求。

    二、天线在无线电通信中的作用

    目前在社会经济发展的过程中,无线电通信通信技术已经得到了人们的广泛应用,这不仅有利于社会经济的发展建设,还给人们的日常生活和社会生产带来了许多的便利。其中天线在无线电通行中的作用主要表现在以下几个方面。

    1、首先天线在无线电通信的过程中,对无线电电磁波信号有着极强的感知能力,它可以对比较微弱的信号起到一个良好的感知效果,从而对电磁波起到一个良好的定向作用,让人们对电磁波中的有用信号进行提取。其次,天线对正常使用的过程中,也可以对无线电波中的信号进行分离,这样就很好的减少了信号干扰,使得无线电通信系统接受信号的能力得到进一步的提升。最后,无线电通信中的天线在实际应用的过程中,也可以和用户之间建立起无线连接的关系,这就使得无线电通信技术的性能得到进一步的提高。

    2、天线的导体会在实际的使用过程中发生损耗,这样的损耗会对无线电信号的准确无误的传播发生影响,导致天线的功率没办法完全转换成电磁波。这个时候,天线就可以是一个能量的转换器,它的作用是减少各种原因引起的损耗,然后与馈线匹配,增强辐射的电阻,以此减少信号的损耗,保证信号的转换和传输准确。

    3、天线增益,也就是天线的效率和方向系统的乘积。天线增益是用来衡量天线转换成能量的实际效率,是衡量信号转换和传播的重要参数,天线的层数越多,天线增益就越大。天线增益有助于实现系统增益。所谓的系统增益就是使用天线来大幅度地提高辐射的功率,增大效益。

    4、输入阻抗和辐射阻抗:所谓的输入阻抗,指的是在馈电端所呈现出来的阻抗,这个阻抗的值是馈电电流和馈电电压之间的比值。通常来说,这个比值是一个复数。我们把这个复数的实数看做是输入电阻,虚数部分看做电抗。当天线回路出现匹配或者协调问题的时候,我们就必须了解输出电阻和输入电抗的值,所以输入阻抗是一个重要参数。

    在无线电通信系统中,影响输入阻抗的主要因素是天线的具体构造和天线的工作频率多少,另外天线的工作环境等相关因素也会对输入阻抗有所影响。所以,我们在实际的安装过程中,对天线的尺寸与形状都要有严格的要求,要选择合理构造的天线。另外,选择辐射电阻较大的天线,能够有效地保证天线的输入阻抗与馈线阻抗相匹配起来

    5、天线阵:天线阵是我们在无线电通信系统的实际工作中,发明的一种加强电磁波辐射方向性和电磁波辐射强度的方法,是天线在实际的无线电通信中的重要作用之一。具体的做法是:将工作频率相等的若干个天线,以一定的规律进行排列和组合,这就形成了我们说的天线阵。当电磁波经过的时候,在天线阵的作用下,电磁波就会发生适量叠加。这样就能有效地增强电磁波辐射的方向性和辐射强度,对整个无线电通信有着难以估量的巨大增幅作用。

    三、天线的选择和架设

    如何选择理想的天线关系到天线在无线电通信中发挥的作用,对无线电通信的质量有着较大的影响。
    理想的天线应该有有以下的特质:设计科学、天线增益强、具有比较好的匹配性、具有比较长的使用寿命、安全系数高、方便架设。在选好理想的天线之后,还需要对其进行正确的架设:架设的时候,要远离那些可以吸收和反射电波的导体;不能和电话线、强电线等相关线路平行架设;不同的天线类型要有一定的距离,电台天线、电话天线、电视天线要分开架设,不能距离太近等。

    现代社会是科技高速发展的社会,人们的生活、学习、工作等方方面面都依赖于高科技。无线电通讯技术的发明和进一步发展给人们的生活和工作都带来了巨大的便利。天线是无线电通信技术中的重要部件,它是对电磁波进行感知、能量转换、接收和发射的装置。在使用过程中,天线可以对电磁波信号进行增益、同时在能量转换和传输的过程中还能减少信号损耗,是所有无线电通讯技术中不可或缺的部件。

    随着科技的日益进步,我们相信无线电通讯技术必将朝着更先进的方向发展,同时天线技术也会日益完善,更快、更好、更强地为人们的生活和学习带来帮助。

    总而言之,在当前人类社会发展的过程中,无线电通信技术应用得到了人们的广泛应用,这不仅有利于我国社会主义市场经济的发展建设,还给人们的生活和生产带来了许多的便利。而天线作为无线电通信系统中重要的组成部分,对其作用的详细了解也是很重要的,这就有利于无线电系统的安装施工处理。不过,随着社会经济的不断发展,人们也将许多先进的科学技术应用到其中,这就使得无线电通信技术的应用效果得到进一步的保障,从而促进我国社会主义市场经济的发展。

  • WIFI天线是接在有天线接口的局域网网卡以及无线路由器上的,是用来提升自身无线信号的强弱的!并不是所谓的接收器”。如果你家是因为无线信号覆盖不够好,死角多,可以用它来提升信号的。

    根据传输距离:

    室内: 1-50米2DBi或者5DBi足够;50米-70米,7DBi或9DBi;70-90米,需要9DBi。

    室外:300米以内,2、5、7、9DBi均可;300到500米,7、9DBi;500-900米, 9DBi。

    另外:改变WIFI天线的放置位置,比改变他的增益更能有效的改善信号,特别是对于网卡的信号接收。由于大增益天线的水品极化角度比小增益天线小的多,角度小才能集中更多的电波能量往更远的地方发射,所以在近距离(5米内)大增益天线不一定比小的使用效果好,WIFI天线的增益并不是越大越好,请选择合适WIFI天线并非选择增益最大的天线。
    WIFI天线的工作效果与网卡、路由器及2.4G天线使用环境有关,购买之前需要确定无线路由器、AP、网卡的接口,以便购买与之相配的天线接头。

    电压驻波比(VSWR)是射频技术中最常用的参数,用来衡量部件之间的匹配是否良好。当业余无线电爱好者进行联络时,当然首先会想到测量一下天线系统的驻波比是否接近1:1,如果接近1:1,当然好。常常听到这样的问题:但如果不能达到1,会怎样呢?驻波比小到几,天线才算合格。
    VSWR及标称阻抗

    发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果发射机的阻抗不同,要求天线的阻抗也不同。在电子管时代,一方面电子管本输出阻抗高,另一方面低阻抗的同轴电缆还没有得到推广,流行的是特性阻抗为几百欧的平行馈线,因此发射机的输出阻抗多为几百欧姆。而现代商品固态无线电通信机的天线标称阻抗则多为50欧姆,因此商品VSWR表也是按50欧姆设计标度的。

    影响天线效果的最重要因素:谐振让我们用弦乐器的弦来加以说明。无论是提琴还是古筝,它的每一根弦在特定的长度和张力下,都会有自己的固有频率。当弦以固有频率振动时,两端被固定不能移动,但振动方向的张力最大。中间摆动最大,但振动张力最松弛。这相当于自由谐振的总长度为1/2波长的天线,两端没有电流(电流波谷)而电压幅度最大(电压波腹),中间电流最大(电流波腹)而相邻两点的电压最小(电压波谷)。我们要使这根弦发出最强的声音,一是所要的声音只能是弦的固有频率,二是驱动点的张力与摆幅之比要恰当,即驱动源要和弦上驱动点的阻抗相匹配。具体表现就是拉弦的琴弓或者弹拨的手指要选在弦的适当位置上。

     

    我们在实际中不难发现,拉弓或者拨弦位置错误会影响弦的发声强度,但稍有不当还不至于影响太多,而要发出与琴弦固有频率不同的声响却是十分困难的,此时弦上各点的振动状态十分复杂、混乱,即使振动起来,各点对空气的推动不是齐心合力的,发声效率很低。

     

    天线也是同样,要使天线发射的电磁场最强,一是发射频率必须和天线的固有频率相同,二是驱动点要选在天线的适当位置。如果驱动点不恰当而天线与信号频率谐振,效果会略受影响,但是如果天线与信号频率不谐振,则发射效率会大打折扣。所以,在天线匹配需要做到的两点中,谐振是最关键的因素。在早期的发信机,例如本期介绍的71型报话机中,天线电路只用串联电感、电容的办法取得与工作频率的严格谐振,而进一步的阻抗配合是由线圈之间的固定耦合确定死的,在不同频率下未必真正达到阻抗的严格匹配,但是实际效果证明只要谐振就足以好好工作了。因此在没有条件做到VSWR绝对为1时,业余电台天线最重要的调整是使整个天线电路与工作频率谐振。

    天线的驻波比和天线系统的驻波比

    天线的VSWR需要在天线的馈电端测量。但天线馈电点常常高悬在空中,我们只能在天线电缆的下端测量VSWR,这样测量的是包括电缆的整个天线系统的VSWR。当天线本身的阻抗确实为50欧姆纯电阻、电缆的特性阻抗也确实是50欧姆时,测出的结果是正确的。当天线阻抗不是50欧姆时而电缆为50欧姆时,测出的VSWR值会严重受到天线长度的影响,只有当电缆的电器长度正好为波长的整倍数时、而且电缆损耗可以忽略不计时,电缆下端呈现的阻抗正好和天线的阻抗完全一样。但即便电缆长度是整倍波长,但电缆有损耗,例如电缆较细、电缆的电气长度达到波长的几十倍以上,那么电缆下端测出的VSWR还是会比天线的实际VSWR低。

     

    波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数,它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度(天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标,通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系)。

    天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此,在一定范围内通过对天线垂直度(俯仰角)的调节,可以达到改善小区覆盖质量的目的,这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角(H-Plane Half Power beamwidth):(45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好,但当提高天线倾角时,也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小,在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖,而且相对而言,不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小,天线倾角大,应当采用水平平面的半功率角小的天线,郊区选用水平平面的半功率角大的天线;垂直平面的半功率角(V-Plane Half Power beamwidth):(48°, 33°,15°,8°)定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小,偏离主波束方向时信号衰减越快,在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。

     

  • 八木天线的应用和由来

     

    八木天线是由一个有源振子(一般用折合振子)、一个无源反射器和若干个无源引向器平行排列而成的端射式天线。在二十世纪20年代,由日本东北大学的八木秀次和宇田太郞两人发明了这种天线,被称为“八木宇田天线”,简称“八木天线”。

    解释:由一受激单元,一反射单元和一个或多个引向单元构成的端射阵。注:实际上反射单元可以由一些单元或一反射面组成。

    优点

    八木天线的确好用。它有很好的方向性,较偶极天线有高的增益。用它来测向、远距离通信效果特别好。如果再配上仰角和方位旋转控制装置,更可以随心所欲与包括空间飞行器在内的各个方向上的电台联络,这种感受从直立天线上是得不到的。

    典型的八木天线应该有三对振子,整个结构呈“王”字形。与馈线相连的称有源振子,或主振子,居三对振子之中,“王”字的中间一横。比有源振子稍长一点的称反射器,它在有源振子的一侧,起着削弱从这个方向传来的电波或从本天线发射去的电波的作用;比有源振子略短的称引向器,它位于有源振子的另一侧,它能增强从这一侧方向传来的或向这个方向发射出去的电波。引向器可以有许多个,每根长度都要比其相邻的并靠近有源振子的那根略短一点。引向器越多,方向越尖锐、增益越高,但实际上超过四、五个引向器之后,这种“好处”增加就不太明显了,而体积大、自重增加、对材料强度要求提高、成本加大等问题却渐突出。通常情况下有一副五单元八木(即有三个引向器,一个反射器和一个有源振子)就够用了。

    每个引向器和反射器都是用一根金属棒做成。无论有多少“单元”,所有的振子,都是按一定的间距平行固定在一根“大梁”上。大梁也用金属材料做成。这些振子的中点要与大梁绝缘吗?不要。原来,电波“行走”在这些约为半个波长长度的振子上时,振子的中点正好位于感应信号电压的零点,零点接“地”,一点也没问题。而且还有一个好处,在空间感应到的静电正好可以通过这些接触点、天线的金属立杆再导通到建筑物的避雷地网去。

     

    八木天线的原理

     

    英文:Yagi-Uda antenna;Yagi antenna   解释:由一受激单元,一反射单元和一个或多个引向单元构成的端射阵。注:实际上反射单元可以由一些单元或一反射面组成。上个世纪二十年代,日本东北大学的八木秀次和宇田太郞两人发明了这种天线,被称为“八木宇田天线”,简称“八木天线”。


      优点:  八木天线的确好用。它有很好的方向性,较偶极天线有高的增益。用它来测向、远距离通信效果特别好。如果再配上仰角和方位旋转控制装置,更可以随心所欲与包括空间飞行器在内的各个方向上的电台联络,这种感受从直立天线上是得不到的。


      组成结构:  典型的八木天线应该有三对振子,整个结构呈“王”字形。与馈线相连的称有源振子,或主振子,居三对振子之中,“王”字的中间一横。比有源振子稍长一点的称反射器,它在有源振子的一侧,起着削弱从这个方向传来的电波或从本天线发射去的电波的作用;比有源振子略短的称引向器,它位于有源振子的另一侧,它能增强从这一侧方向传来的或向这个方向发射出去的电波。引向器可以有许多个,每根长度都要比其相邻的并靠近有源振子的那根略短一点。引向器越多,方向越尖锐、增益越高,但实际上超过四、五个引向器之后,这种“好处”增加就不太明显了,而体积大、自重增加、对材料强度要求提高、成本加大等问题却渐突出。通常情况下有一副五单元八木(即有三个引向器,一个反射器和一个有源振子)就够用了。  

     

        每个引向器和反射器都是用一根金属棒做成。无论有多少“单元”,所有的振子,都是按一定的间距平行固定在一根“大梁”上。大梁也用金属材料做成。这些振子的中点要与大梁绝缘吗?不要。原来,电波“行走”在这些约为半个波长长度的振子上时,振子的中点正好位于感应信号电压的零点,零点接“地”,一点也没问题。而且还有一个好处,在空间感应到的静电正好可以通过这些接触点、天线的金属立杆再导通到建筑物的避雷地网去。
      工作原理
      八木天线的工作原理是这样的(以三单元天线接收为例):引向器略短于二分之一波长,主振子等于二分之一波长,反射器略长于二分之一波长,两振子间距四分之一波长。此时,引向器对感应信号呈“容性”,电流超前电压90°;引向器感应的电磁波会向主振子辐射,辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后于从空中直接到达主振子的信号90°,恰好抵消了前面引起的“超前”,两者相位相同,于是信号迭加,得到加强。反射器略长于二分之一波长,呈感性,电流滞后90°,再加上辐射到主振子过程中又滞后90°,与从反射器方向直接加到主振子上的信号正好相差了180°,起到了抵消作用。一个方向加强,一个方向削弱,便有了强方向性。发射状态作用过程亦然。

      天线原理
      有源振子是关键的一个单元。有两种常见形态:折合振子与直振子。直振子其实就是二分之一波长偶极振子,折合振子是其变形。有源振子与馈线相接的地方必需与主梁保持良好的绝缘,而折合振子中点仍与大梁相通。

       仿制一副天线,但总还需要进行适当的调整。调什么?为什么要调?这就需要我们去了解所做天线的原理。   

     

        天线的一个重要特征,那就是“输入阻抗”。在谐振状态,天线如同一只电阻接在馈线端。常用馈线阻抗为50Ω,如果天线输入阻抗也是50Ω,那就达到了“匹配”,电台输出的信号就能全部从天线上发射出去;如果不“匹配”,一部分功率就会反射回电台的功放电路。  

     

      二分之一波长偶极天线的输入阻抗约为67Ω,二分之一波长折合振子的输入阻抗则高于前者4倍。当加了引向器、反射器后,阻抗关系就变得复杂起来了。总的来说八木比仅有基本振子的阻抗要低很多,且八木各单元间距大则阻抗高,反之阻抗变低,同时天线效率降低。有资料介绍,引向器与主振子间距0.15波长时阻抗最低,0.2-0.25时阻抗高,效率提高。这时阻抗的变化范围约在5-20Ω间。   经典的折合振子八木天线的特性阻抗约为300Ω,(振子间距约四分之一波长)如常见的电视接收天线。折合振子折合的间距狭窄时、或二分之一波长的“长边”直径大于那两个约四分之一波长的“短边”的直径时,

    其输入阻抗较高。
      传输
      我们的通信机输出都是按50Ω设计的,配50Ω电缆作馈线。八木天线怎样才能与馈线达到阻抗匹配?显然不能不考虑这个问题。于是就有了各种各样的匹配方法。短波波段八木常用的“发夹式”匹配,是在馈电处并接一段U型导体,它起着一个电感器的作用,和天线本身的电容形成并联谐振从而提高了天线阻抗;还有经典的“伽玛”匹配、著名的HB9CV天线等等。最简单的做法是把靠近天线馈电处的馈线绕成一个约六、七圈直径约15厘米的线圈挂在那里,我想这与发夹匹配的原理应该是一样的吧。   还有一个问题要注意:八木天线是“平衡输出”,它的两个馈电点对“地”呈现相同的特性,但通常的收发信机天线端口却是“不平衡”的,芯线是热端,外导体接地。虽然我们也可以视而不见地将馈线芯线随意接在天线两个馈电点之一上,另一点接馈线的外导体层,但是,这将破坏天线原有的方向特性,而且在馈线上也会产生不必要的发射。一副好的八木,应该有“平衡-不平衡”转换。

      注意事项
      有朋友问,架设八木时天线的振子是和大地平行好还是垂直与大地好?回答是,收、发信双方保持相同“姿势”为好。振子水平时,发射的电波其电场与大地平行,称“水平极化波”,振子与地垂直时发射的电波属“垂直极化波”。收发双方应该保持相同的极化方式。在U/V波段,人们大量使用着直立天线,八木天线当然也就应少数服从多数,让振子垂直于大地。短波波段八木天线多为水平架设,而且,这样的庞然大物恐怕想垂直架也无法实现!  

     

        有朋友问,振子的直径对天线性能有什么影响?回答是直径影响振子长度,直径大则长度略短。直径大,天线Q值低些,工作频率带宽就大一些。还有朋友问,折合振子是“平躺”在大梁上,其几个边都与其它振子在一个平面上好?还是折合振子的面垂直与大梁,只有其长边和其它振子保持在一个平面上好呢?经典的折合振子八木天线是前者。根据前面所说的工作原理,如果把折合振子平躺在引向器和反射器之间,折合振子就有两个边“插足”,其中的相位关系就更复杂了许多?不过话又得说回来。业余无线电的许多成果,特别是各种各样的天线,是经过实际试验得来的,“成功”或“不成功”也常是以自己的满意程度、“与过去相比”来确定的。本刊再次介绍的几款天线,有的就是50Ω馈线直接连到折合振子上,折合振子平平稳稳地躺在众“器”兄弟当中。究竟怎样才是最好的?还是自己动手试一试吧。接上一个驻波表,试着调整一下各振子的长度、各单元之间的距离,还有怎么匹配等等,很可能还会有新的发现。

  • 电压驻波比(VSWR)是射频技术中最常用的参数,用来衡量部件之间的匹配是否良好。当业余无线电爱好者进行联络时,当然首先会想到测量一下天线系统的驻波比是否接近1:1,如果接近1:1,当然好。常常听到这样的问题:但如果不能达到1,会怎样呢?驻波比小到几,天线才算合格?为什么大小81这类老式的军用电台上没有驻波表?

     

    VSWR及标称阻抗:

    发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果发射机的阻抗不同,要求天线的阻抗也不同。在电子管时代,一方面电子管本输出阻抗高,另一方面低阻抗的同轴电缆还没有得到推广,流行的是特性阻抗为几百欧的平行馈线,因此发射机的输出阻抗多为几百欧姆。而现代商品固态无线电通信机的天线标称阻抗则多为50欧姆,因此商品VSWR表也是按50欧姆设计标度的。

    如果你拥有一台输出阻抗为600欧姆的老电台,那就大可不必费心血用50欧姆的VSWR计来修理你的天线,因为那样反而帮倒忙。只要设法调到你的天线电流最大就可以了。

     

    VSWR不是1时,比较VSWR的值没有意义:

    正因为VSWR除了1以外的数值不值得那么精确地认定(除非有特殊需要),所以多数VSWR表并没有象电压表、电阻表那样认真标定,甚至很少有VSWR给出它的误差等级数据。由于表内射频耦合元件的相频特性和二极管非线性的影响,多数VSWR表在不同频率、不同功率下的误差并不均匀。

    VSWR都=1不等于都是好天线:影响天线效果的最重要因素:谐振。让我们用弦乐器的弦来加以说明。无论是提琴还是古筝,它的每一根弦在特定的长度和张力下,都会有自己的固有频率。当弦以固有频率振动时,两端被固定不能移动,但振动方向的张力最大。中间摆动最大,但振动张力最松弛。这相当于自由谐振的总长度为1/2波长的天线,两端没有电流(电流波谷)而电压幅度最大(电压波腹),中间电流最大(电流波腹)而相邻两点的电压最小(电压波谷)。

    我们要使这根弦发出最强的声音,一是所要的声音只能是弦的固有频率,二是驱动点的张力与摆幅之比要恰当,即驱动源要和弦上驱动点的阻抗相匹配。具体表现就是拉弦的琴弓或者弹拨的手指要选在弦的适当位置上。我们在实际中不难发现,拉弓或者拨弦位置错误会影响弦的发声强度,但稍有不当还不至于影响太多,而要发出与琴弦固有频率不同的声响却是十分困难的,此时弦上各点的振动状态十分复杂、混乱,即使振动起来,各点对空气的推动不是齐心合力的,发声效率很低。

    天线也是同样,要使天线发射的电磁场最强,一是发射频率必须和天线的固有频率相同,二是驱动点要选在天线的适当位置。如果驱动点不恰当而天线与信号频率谐振,效果会略受影响,但是如果天线与信号频率不谐振,则发射效率会大打折扣。

    所以,在天线匹配需要做到的两点中,谐振是最关键的因素。

    在早期的发信机,例如介绍的71型报话机中,天线电路只用串联电感、电容的办法取得与工作频率的严格谐振,而进一步的阻抗配合是由线圈之间的固定耦合确定死的,在不同频率下未必真正达到阻抗的严格匹配,但是实际效果证明只要谐振就足以好好工作了。

    因此在没有条件做到VSWR绝对为1时,业余电台天线最重要的调整是使整个天线电路与工作频率谐振。

     

    天线的驻波比和天线系统的驻波比:

    天线的VSWR需要在天线的馈电端测量。但天线馈电点常常高悬在空中,我们只能在天线电缆的下端测量VSWR,这样测量的是包括电缆的整个天线系统的VSWR。当天线本身的阻抗确实为50欧姆纯电阻、电缆的特性阻抗也确实是50欧姆时,测出的结果是正确的。

    当天线阻抗不是50欧姆时而电缆为50欧姆时,测出的VSWR值会严重受到天线长度的影响,只有当电缆的电器长度正好为波长的整倍数时、而且电缆损耗可以忽略不计时,电缆下端呈现的阻抗正好和天线的阻抗完全一样。但即便电缆长度是整倍波长,但电缆有损耗,例如电缆较细、电缆的电气长度达到波长的几十倍以上,那么电缆下端测出的VSWR还是会比天线的实际VSWR低。

    所以,测量VSWR时,尤其在UHF以上频段,不要忽略电缆的影响。

     

    不对称天线:

    我们知道偶极天线每臂电气长度应为1/4波长。那么如果两臂长度不同,它的谐振波长如何计算?是否会出现两个谐振点?

    如果想清了上述琴弦的例子,答案就清楚了。系统总长度不足3/4波长的偶极天线(或者以地球、地网为镜象的单臂天线)只有一个谐振频率,取决于两臂的总长度。两臂对称,相当于在阻抗最低点加以驱动,得到的是最低的阻抗。两臂长度不等,相当于把弓子偏近琴马拉弦,费的力不同,驱动点的阻抗比较高一些,但是谐振频率仍旧是一个,由两臂的总长度决定。如果偏到极端,一臂加长到1/2波长而另一臂缩短到0,驱动点阻抗增大到几乎无穷大,则成为端馈天线,称为无线电发展早期用在汽艇上的齐柏林天线和现代的1/2波长R7000垂直天线,当然这时必须增加必要的匹配电路才能连接到50欧姆的低阻抗发射机上。

    偶极天线两臂不对称,或者两臂周围导电物体的影响不对称,会使谐振时的阻抗变高。但只要总电气长度保持1/2波长,不对称不是十分严重,那么虽然特性阻抗会变高,一定程度上影响VSWR,但是实际发射效果还不至于有十分明显的恶化。

     

    QRPer不必苛求VSWR:

    当VSWR过高时,主要是天线系统不谐振时,因而阻抗存在很大电抗分量时,发射机末级器件可能需要承受较大的瞬间过电压。早期技术不很成熟时,高VSWR容易造成射频末级功率器件的损坏。因此,将VSWR控制在较低的数值,例如3以内,是必要的。

    现在有些设备具有比较完备的高VSWR保护,当在线测量到的VSWR过高时,会自动降低驱动功率,所以烧末级的危险比20年以前降低了很多。但是仍然不要大意。

    不过对于QRP玩家讲来,末级功率有时小到几乎没有烧末级的可能性。移动运用时要将便携的临时天线调到VSWR=1却因为环境的变幻而要绞尽脑汁。这时不必太丧气。1988-1989年笔者为BY1PK试验4W的CW/QRP,使用长度不足1.5米的三楼窗帘铁丝和长度为1.5米左右的塑料线做馈线,用串并电容的办法调到天线电流最大,测得VSWR为无穷大,却也联到了JA、VK、U9、OH等电台。后来做了一个小天调,把VSWR调到1,但对比试验中远方友台报告说,VSWR的极大变化并没有给信号带来什么改进,好像信号还变弱了些,可能本来就微弱的信号被天调的损耗又吃掉了一些吧。

     

    天线系统和输出阻抗为50欧的发信机的匹配条件是天线系统阻抗为50欧纯电阻。要满足这个条件,需要做到两点:第一,天线电路与工作频率谐振(否则天线阻抗就不是纯电阻);第二,选择适当的馈电点。 一些国外杂志文章在介绍天线时经常给出VSWR的曲线。有时会因此产生一种错觉,只要VSWR=1,总会是好天线。其实,VSWR=1只能说明发射机的能量可以有效地传输到天线系统。但是这些能量是否能有效地辐射到空间,那是另一个问题。一副按理论长度作制作的偶极天线,和一副长度只有1/20的缩短型天线,只要采取适当措施,它们都可能做到VSWR=1,但发射效果肯定大相径庭,不能同日而语。做为极端例子,一个50欧姆的电阻,它的VSWR十分理想地等于1,但是它的发射效率是0。 而如果VSWR不等于1,譬如说等于4,那么可能性会有很多:天线感性失谐,天线容性失谐,天线谐振但是馈电点不对,等等。在阻抗园图上,每一个VSWR 数值都是一个园,拥有无穷多个点。也就是说,VSWR数值相同时,天线系统的状态有很多种可能性,因此两根天线之间仅用VSWR数值来做简单的互相比较没有太严格的意义。 天线VSWR=1说明天线系统和发信机满足匹配条件,发信机的能量可以最有效地输送到天线上,匹配的情况只有这一种。

     

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