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《跟着题库认识业余无线电》系列文章第三十篇:天线的本事和它的账本——增益、驻波比与馈线

一副天线说“5dB 增益”,先得问跟谁比;驻波表跳到 4:1,反射功率其实是 36%。这篇从收发互易讲到 dBi 与 dBd 那 2.15dB 的差、73Ω 与 36Ω 两个阻抗、SSB 驻波读数为什么抖,最后拿分析仪接 50Ω 负载、开路、短路,把半波长周期与跳线旋转读个明白。

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群里有人甩出一张天线参数截图,说“这天线有 5 个 dB 的增益”,底下立刻有人接话:“几个 dB?跟谁比的?”那人愣了一下,回:“说明书上就这么写的。”这段对话在业余无线电里几乎每周都在上演,因为它踩中的不是某个冷门知识点,而是整条天馈链路的共同语言:凡是标着“多少 dB”的数字,都藏着一个“跟谁比”;凡是标着“驻波比多少”的读数,都藏着一个“在哪测、用什么测”。这一篇就把天线本身的作用、增益的两个基准、驻波比怎么算、馈线怎么挑、分析仪怎么读,按题库的顺序捋一遍。

一、天线到底在干什么

天线做的事情朴素得很。发射时,它把发射机送到馈线那头的高频电流变成向空间扩散的电磁波;接收时,它把空中的电磁波重新变回馈线里的高频电流。两件事看着方向相反,其实是同一副天线的两种用法。互易定理(reciprocity theorem)决定了它在发射和接收时的方向图、增益、阻抗都是同一套数据。一副“发得好”的天线,收得也不会差。

【MC1-0649】发射天线的作用是: 正确答案:A(把发射机输出的射频信号转化为无线电波)

选项里“利用天线的增益放大发射机的输出功率”这句最需要说清。天线是无源器件,它不能凭空造出功率来。所谓增益,是把本来向四面八方摊开的能量往某个方向集中,那个方向上密度变高,别的方向上就变低。总功率没有增加,只是重新分配了。

【MC1-0650】接收天线的作用是: 正确答案:A(把空间的无线电波转化为接收机中的射频电信号)

这里还可以顺手补一个概念:天线对“近处”和“远处”做的事并不一样。离天线很近的区域叫近场(near field),那里电场与磁场各自为政,能量主要在天线和空间之间来回倒腾,测出来的场强和真正辐射出去的部分关系不大;出了近场进入远场(far field),电磁场才结成稳定的波,能量一路向外走。测天线增益、比较两副天线,必须在远场里做,否则量到的只是耦合,不是辐射。

把这两道题并在一起看,接和发是同一条链路的两个方向。也正因为此,同一副天线可以拿来发、也可以拿来收,收信时它的“增益”同样是那个方向上的集中程度。

紧接着,题面问的是一个更根本的问题:这个“集中程度”到底怎么描述。

【MC2-0651】关于天线的增益,以下说法正确的是: 正确答案:AB(待测天线最大辐射方向上的辐射功率密度与基准天线对应值的比值;与参考天线相比,被测天线在某个方向上使信号增强的程度)

增益的定义绕不开“基准天线”这四个字。A 和 B 其实是一件事的两种说法:A 是严格定义(最大辐射方向上辐射功率密度与基准天线对应值的比值),B 是通俗说法(与参考天线相比,在某个方向上使信号增强的程度)。C 说的是天线效率:辐射出去的功率与输入到天线的射频功率之比,那是另一码事;D 干脆是发热耗散的比例,跟增益不沾边。

而基准天线到底是谁,就决定了单位写成 dBi 还是 dBd。

【MC1-0652】以 dBi 为单位的天线增益是指: 正确答案:A(待测天线最大辐射方向上的辐射功率密度与理想点源天线对应值之比的 dB 值)

以 dBi(dB over isotropic)为单位的增益,基准是理想点源天线:一个假想的、向所有方向均匀辐射的点。它在最大辐射方向上的功率密度,与理想点源在同一距离上的功率密度之比,取 dB 值,就是这个数字。因为点源是各向同性的,dBi 的参考基准不带任何方向偏好。

【MC1-0654】以 dBd 为单位的天线增益是指: 正确答案:A(待测天线最大辐射方向上的辐射功率密度与半波长偶极天线对应值之比的 dB 值)

带 dBd(dB over dipole)后缀的增益,基准换成了半波长偶极天线,也就是半波振子。同一副天线,用 dBd 报出来的数字,比用 dBi 报出来的小 2.15;反过来,0dBd 就等于 2.15dBi。这个 2.15 不是拍脑袋定的,它来自半波振子相对理想点源的那点方向性收益。

那么“半波振子规定为 0dBd”这句话本身又是什么意思?

【MC1-0655】半波振子是能够辐射电波的一种实用天线。为了获得最低输入阻抗,人们通常从中点为这种振子馈电。这就构成了具有两个 1/4 波长不同电极性区域的谐振偶极天线,亦称半波长偶极天线。这种天线的增益规定为 0dBd。那么相比理想点源天线,其增益为: 正确答案:A(2.15dBi)

半波振子要辐射得顺,馈电点有讲究。两端电压高、电流小,阻抗能到几千欧,不好匹配;中点电压低、电流大,输入阻抗最低,所以人们通常从中点馈电。这样得到的天线由两个 1/4 波长、极性相反的区域组成,它就是半波振子,增益规定为 0dBd。换算到点源基准,就是 2.15dBi。所以这题的四个选项里,“2.15dBi”是唯一站得住的。

顺便把这个数记住,往后会反复用:半波振子的输入阻抗在中点馈电时约 73Ω,1/4 波长垂直接地天线大约是它的一半,36Ω 上下。两个数字都和 50Ω 差一点,这也是业余设备普遍选 50Ω 系统的一个背景:它是个折中,不是天生就有的最优解。

如果厂家连基准都不写,只写“增益 5dB”,那这数字还能用吗?

【MC1-0656】某商品天线说明书给出的天线增益指标以 dB 为单位。其意义为: 正确答案:A(该指标未指明计算方法和所用基准,缺乏参考价值)

不能。天线的 dB 值必须连基准一起给才有意义:写 dBi 是以理想点源为基准,写 dBd 是以半波振子为基准,两者差 2.15dB。如果只给“dB”,那就得反问一句“什么基准、在哪个方向”。题目给的正确答案也正是这个意思:该指标未指明计算方法和所用基准,缺乏参考价值。

相比之下,方向图倒是不靠说明书也能推断出来。先看一根最朴素的垂直天线。

【MC2-0659】关于振子长度为 1/4 波长的垂直接地天线的最大辐射方向,以下描述正确的是: 正确答案:AB(在水平方向上是全向的;在垂直方向上有指向性,且辐射仰角稍大于 0°)

1/4 波长垂直接地天线的方向图,得分成两个平面来说。水平面上它是全向的,各个方向一样强;垂直面上它有方向性,主瓣贴地,辐射仰角稍大于 0°,能量主要沿地平线附近低角度出去。这正好符合城市与移动场景的需要:不用对准谁,四周都能收到;低仰角则有利于近距离和地波传播。

手持机顶上那根短棍,争议一直不少。

【MC2-0660】关于大多数手持电台随附的“橡胶天线”,以下说法正确的是: 正确答案:AB(就电台的一般持握方式而言,电波的垂直极化分量要强一些;相对于全尺寸天线,“橡胶天线”的发射与接收增益都低一些)

俗称“橡胶天线”的柔性天线,正确说法有两条:就电台的一般持握方式而言,电波的垂直极化分量要强一些;相对于全尺寸天线,它的发射与接收增益都低一些。护套里若是螺旋加感结构,它缩短的是物理长度,但极化方向不会因此变成旋转极化;护套开裂也不会让振子“迅速解体报废”,真正的问题是潮气进去。

把同一台手台拿到车里用,麻烦又是另一回事。

【MC1-0661】在车内使用手持电台和俗称“橡胶天线”的柔性天线进行通信可能遇到什么问题? 正确答案:A(车体的屏蔽作用影响信号强度)

在车内用手台加橡胶天线通信,最直接的问题就是车体的屏蔽作用影响信号强度。金属车壳相当于一个不完整的屏蔽罩,车窗之外的部分会把信号挡掉一大块。至于“大量电波反射回天线、抬升 SWR”,车体附近的反射确实会改变天线阻抗,但那是次要效应,而且手台的橡胶天线本身驻波就不算好。

【MC1-0666】甲天线增益 6.15dBi,乙天线增益 1dBd。若两副天线按同样条件架设并用同样功率来驱动,则在它们最大发射方向的同一远方地点接收时,两天线给出的信号功率关系为: 正确答案:A(甲天线的信号功率为乙天线的两倍)

再用两道增益题把单位这笔账算清楚。甲天线 6.15dBi,乙天线 1dBd。先把两者统一到同一个基准:乙的 1dBd 等于 1 + 2.15 = 3.15dBi。再相减,6.15 - 3.15 = 3dB。功率比是 10 的 0.3 次方,也就是 2 倍。所以甲天线给出的信号功率是乙天线的两倍。

垂直天线与水平偶极天线的方向图、极化,正好补上这一节的两块拼图。

【MC2-0689】关于垂直天线,以下说法正确的是: 正确答案:AB(该天线发射垂直极化波,电场与地面垂直;垂直天线是全向天线,其 H 面方向图是全向的)

题面问的这根垂直天线,正确说法是:它发射垂直极化波,电场与地面垂直;同时它是全向天线,水平面(H 面)方向图是全向的。要注意“全向”指的是哪个面。H 面全向不等于 E 面也全向,垂直面上它是有方向性的,别把两个面搞混。

【MC2-0690】关于水平极化偶极天线,以下描述正确的是: 正确答案:AB(通过该天线发射的电磁波,电场平行于地面;该天线水平面上的(E 面)方向图呈“8”字展开)

水平极化偶极天线的正确说法则是:通过它发射的电磁波,电场平行于地面;它在水平面上的方向图(E 面)呈“8”字展开,垂直于振子轴向的两个方向最强,沿振子轴向是零点。之所以强调“水平面上的 E 面”,是因为偶极天线的电场方向与振子平行,振子水平摆,电场就跟着水平。

把这几道题连起来看,方向图与极化其实是同一件事的两面。方向图回答“能量往哪儿去”,极化回答“电场朝哪边摆”,两者都由振子的几何形状和摆放方式决定。天线对不上的时候,先想想这两件事,比盲目加功率有用得多。

二、驻波比:天馈系统的体温计

天线和馈线之间如果不“合拍”,故事就开始了。发射机把能量沿着同轴电缆往下送,到了天线那头,如果负载阻抗和电缆的特性阻抗对不上,一部分能量没被辐射出去,原路折返。去的波和回的波叠在一起,在电缆上形成驻波,电压和电流沿长度起伏,有的位置高、有的位置低。

【MC3-0670】业余无线电爱好者讨论天线系统时常会提及术语 “驻波比(SWR)”。其含义为: 正确答案:ABC(连接到传输线终端的负载阻抗与传输线自身的特性阻抗相匹配的程度;负载与传输线完美匹配时,传输线之中没有驻波,因此驻波比为 1:1;如果负载与传输线不匹配,传向负载的部分能量会沿传输线返回始端)

驻波比(SWR,Standing Wave Ratio)说的就是这件事。题目给的三个正确说法是:它表示连接到传输线终端的负载阻抗与传输线自身特性阻抗相匹配的程度;负载与传输线完美匹配时,传输线中没有驻波,驻波比为 1:1;如果负载与传输线不匹配,传向负载的部分能量会沿传输线返回始端。选项 D 是错的:传输线始端的信源阻抗换多少都不影响驻波比,它由负载和传输线决定。

那一个 3:1 或 4:1 的读数,具体在描述什么?

【MC1-0671】通联时,如果收发信机的 SWR 表显示读数 4:1,则意味着: 正确答案:A(从发射机的输出端口来看,天线系统的整体匹配情况不佳)

顺手说一下这类表是怎么来的。驻波表内部一般是一段定向耦合器(directional coupler),它把电缆里正向走的波和反向走的波分别抽出一小份,检波成直流电压,再按这两个电压的比值换算成驻波比。所以表上那个数字,本质是“反射波比入射波小多少”翻译过来的。

通联时 SWR 表显示 4:1,意思是:从发射机的输出端口来看,天线系统的整体匹配情况不佳。就这么一句话。选项 B 说的“整体阻抗为 200 欧或 12.5 欧”是常见误读。4:1 只对应反射系数的模是 0.6,而发射机测到的阻抗是什么值,还要看馈线的电气长度把负载阻抗旋转到了哪一格,不能张口就说是 200 或 12.5 欧。C 说“辐射效率仅为 25%”更是把失配和效率混为一谈。

还有一个常被问到的问题:那 36% 到底丢在哪儿了?如果天线本身就是谐振的、只是馈线特性阻抗与它不一致,反射回去的能量最终还会被天线辐射出去,只是多跑了几趟、多交了损耗;但要是天线压根不谐振,那部分能量就真的变成热,留在负载和电缆里。两种情况的后果完全不同,所以光看 SWR 数字仍然不够。

【MC2-0672】小强用长度不短于 1/4 波长的 50 欧馈线连接收发信机和天线。发信时,他发现 SWR 表的指示为 3:1。该值意味着: 正确答案:AB(馈线中任意位置上的最大峰值电压与最小峰值电压之比为 3:1;馈线中任意位置上的最大峰值电流与最小峰值电流之比为 3:1)

小强用不短于 1/4 波长的 50Ω 馈线接电台和天线,发信时 SWR 是 3:1。这个值意味着:馈线中任意位置上的最大峰值电压与最小峰值电压之比是 3:1,最大峰值电流与最小峰值电流之比也是 3:1。这就是驻波比的定义本体。选项 C、D 里“驻波使电流或电压高于常值,从而降低某种损耗”的说法方向反了。驻波抬高的是导体上的峰值电压和电流,它带来的是额外损耗,不是减少损耗。

估一下反射的能量:SWR 4:1 时,反射系数的模是 (4-1)/(4+1) = 0.6,反射功率占比是 0.6 的平方,也就是 36%。发射机送出去 100 瓦,约 36 瓦掉头往回走。3:1 时这个数是 25%。这两个百分比值得记住,它解释了为什么大驻波不能长期硬扛。

发射机自己也知道这件事。

【MC1-0673】多数发射机都在 SWR 超过一定值时降低输出功率。这是为了: 正确答案:A(保护发射机中的功率半导体器件)

实际用起来,这条保护机制的样子是:功率表指针在按下 PTT 的瞬间冲上去,随后自己往下掉一截,屏幕上跳出 PROT 或类似的字样。新手常以为是机器坏了,其实它正在保命。要弄清是保护还是别的问题,切到小功率试一下、把天线侧的接头重做一遍,通常就有答案。

多数发射机在 SWR 超过一定值时自动降低输出功率,目的是保护发射机中的功率半导体器件。末级功放管是最贵也最脆的一环,反射回来的能量会在它身上变成热,反复几次就报废。所以厂商设一条保护线:驻波一超,先降功率保命,有的机器干脆停发并报警。至于“防止烧断保险丝”“防止传输线上的驻波超过限值”“防止电波带有过大的驻波”,都不是这套保护逻辑的目的。

那为什么装机的时候,还是人人都希望驻波尽量贴近 1:1?

【MC1-0674】用同轴电缆连接天线时,为什么驻波比趋于 1:1 为好? 正确答案:A(降低电缆的损耗,使射频能量更有效地传输)

用同轴电缆连接天线时希望驻波比趋于 1:1,原因很实在:降低电缆的损耗,使射频能量更有效地传输。反射波在电缆上来回跑,每一趟都要交过路费。电缆自身的损耗会在正向和反向各吃一遍。SWR 2:1 时理论上的失配损耗不过 0.5dB 上下,看着不吓人,可一旦电缆本身的损耗很大(比如 400MHz 上 30 米细电缆),来回几趟的叠加就不可忽略了。

不过实际动手时,读数经常不听话。

电缆损耗和驻波比还得分开看。损耗是“进去了多少、出来多少”的问题,驻波比是“匹配不匹配”的问题,两者独立,却会互相放大:损耗越大,越不容易看出天线的真实匹配状态。还有一点常被忽略,你在发射机端口量到的驻波比,是整条链路旋转之后的结果,它偏低并不代表天线本身好,可能只是电缆太长,把不匹配的那一段转到了看不见的位置。

【MC1-0675】以下哪种情况可能导致业余发信机显示的驻波比不稳定? 正确答案:A(发信机、馈线或天线某处接触不良)

哪种情况可能导致业余发信机显示的驻波比不稳定?答案是发信机、馈线或天线某处接触不良。接头没拧紧、屏蔽层编织网断了几股、天线上的螺丝氧化,这些接触电阻会随振动、温度、功率变化,读数自然跟着跳。我经手过的几例“驻波乱跳”,一半以上最终都指向接头。相位调制、过调制、馈线温度过高都不是驻波不稳定的原因。过调制影响的是发射频谱,跟驻波没关系。

另有一类抖动,是 SSB 特有的。

【MC1-0676】SSB 通联时,即使天馈系统没有故障,有时候 SWR 显示也不稳定。这是因为: 正确答案:A(SSB 话音的幅度变化本质上影响测量的稳定性。改用 CW 方式进行测量效果更好)

SSB 通联时,即使天馈系统没有任何故障,SWR 显示有时也不稳。原因是 SSB 话音的幅度变化本质上影响测量的稳定性,改用 CW 方式测量效果更好。话音是有包络的,说话间隙几乎没有功率,一个音节冲到峰值,功率表针就跟着上下跳;驻波表的检波电路跟不上这种速度,读数就晃。所以调天线的时候,行内的做法是切到 CW、按下电键、读一个稳定的值。用 SSB 吹口哨测驻波也不是不行,但那是在用嘴给仪表打节拍,重复性差。

顺便说清楚“表装在哪儿”这回事。电台内置的驻波表,测的是发信机输出端口向外看的那一段,接头、馈线、天调、天线全算在里面;而在天调之后插一块通过式(cross-needle)驻波功率表,看到的只是“天调往外”的那一段。同一个天馈系统,两块表读数不一样,不是哪块坏了,是参考面不同。想调天线本身,看天调之后那块;想确认电台有没有被失配折腾,看内置那块。参考面这件事后面讲分析仪时还会再提一次,它是所有射频测量的共同前提。

写到这里可以把驻波比这件事收成一句话:它是个体检指标,不是诊断结论。数字偏高,说明匹配有问题;数字好看,也不代表辐射效率高——一副 50Ω 的假负载接在天线端,驻波比完美得无可挑剔,可它一点电波都不发。指标要连着它的参照物一起读,这句话在这一篇里出现了不止一次,后面还会出现。

三、馈线怎么挑、怎么护

天线定了,接下来是把它和电台连起来的那段东西:传输线(transmission line)。常见的几种都在题库里。

【MC1-0679】传输线具有多种类型,但是为什么架设业余电台通常选用同轴电缆? 正确答案:A(因为它易于使用,与架设环境之中其他物体间的互耦也很低)

传输线用来连接电台与天线,架设业余电台通常选同轴电缆,原因是它易于使用,与架设环境中其他物体间的互耦也很低。注意这句里的“互耦”:同轴电缆的电磁场被关在屏蔽层里面,贴着金属管、墙面、树干活过去,对它的影响很小;平行馈线就不一样,它是开放的,周围的东西一碰就把特性阻抗拉跑。至于“损耗比其他任何馈线都低”“更便宜”,都不成立。损耗最低的是波导,而波导又重又贵,在 HF 上根本用不了。

既然选了同轴电缆,选购时盯哪几个参数?

【MC2-0680】在为业余电台选购用作天线馈线的同轴电缆时应关注什么电气参数? 正确答案:AB(特性阻抗;指定频率下每百米的传输损耗)

为业余电台选同轴电缆时,该关注的电气参数是特性阻抗和指定频率下每百米的传输损耗。前者决定系统匹不匹配,后者决定你这几十米要交多少“过路费”。芯线截面积与最大额定电流、介质耐压与允许温升那几项,是电力电缆的思路,业余射频馈线上不这么看。

损耗这件事,会造成两个方向的后果。

这个代价可以算出来。以 144MHz 为例,常见的 RG-58 每百米损耗在 20dB 上下,30 米就是 6dB 左右;发射 50 瓦出去,到天线那头只剩 12.5 瓦上下,四分之三都在路上变成了热。同样的长度换成 RG-213,损耗大致能压到三分之一以内。天线架得越高、馈线越长,这笔账越不能不算。还有一层差别常被忽略:发射侧损失 3dB 只是功率减半,接收侧损失 3dB 是信噪比直接掉 3dB,在弱信号上往往就是从“勉强听清”滑到“完全听不清”。同一根电缆,收和发的感受并不对等。

【MC2-0681】我们都知道要为业余电台选配损耗较低的馈线。但是,馈线的损耗会导致什么问题? 正确答案:AB(发信功率降低;收信信噪比下降)

馈线的损耗会导致:发信功率降低,以及收信信噪比下降。发射时损耗直接把功率吃掉一截;接收时,天线收下来的微弱信号和电缆自身的热噪声一起被送到接收机,前级噪声系数再好也救不回来,链路预算里那几分贝是净亏。至于“驻波比的测量值永远高于 1:1”和“信号失真”,都不是损耗造成的。一条完好的 50Ω 电缆末端接 50Ω 负载,损耗再大,驻波比也还是 1:1,因为驻波比只看匹配程度,不看损耗。

电缆真正的杀手不是用坏,是进水。

【MC2-0682】受潮是同轴电缆失效损坏的主要原因。湿气渗透会导致: 正确答案:AB(介质损耗变大;屏蔽层或芯线氧化、锈蚀,甚至断路)

受潮是同轴电缆失效损坏的主要原因。湿气渗透之后,介质损耗变大;屏蔽层或芯线也会氧化、锈蚀,甚至断路。水进到绝缘层里,介质的介电常数和损耗角都变差,单位长度的衰减上升;同时铜在潮气里会慢慢变绿、发脆,编织屏蔽网先断股、后断开,表现为时通时断的怪毛病。选项里“速度因子逐渐大于 1”是胡说的。速度因子是物理常数,永远小于 1,水只会让它变大一点,不会超过 1。

所以室外用缆,对护套的要求里有一条硬指标。

【MC1-0683】将同轴电缆装于室外时,为什么要求电缆外皮(护套)能够耐受紫外线? 正确答案:A(如果电缆护套被紫外线破坏,电缆就会受潮损坏)

把同轴电缆装在室外,要求外皮能耐受紫外线,理由很直接:护套被紫外线破坏之后,电缆就会受潮损坏。紫外线和氧气联手会让塑料老化、发脆、开裂,一旦出现细小裂纹,雨水顺着编织网往里渗,接下来就是上面那道题说的那套连锁反应。接头处做防水(防水胶带加自融胶带)是最便宜也最有效的投资,比换一根更贵的电缆划算得多。

挑电缆时还会碰到两个词。一个是速度因子(velocity factor),也就是电磁波在电缆里跑的速度与真空光速之比,实心聚乙烯的电缆通常在 0.66 上下,这意味着按物理长度算的波长要打六六折,算谐振长度时不能漏。另一个是屏蔽形式,编织网加铝箔的双层屏蔽比单层编织更严实,代价是更硬、更难弯、接头更不好做。

频率这一维,也要单独拎出来说。

【MC1-0685】如果通过同轴电缆的信号频率升高,则同轴电缆的 正确答案:A(传输损耗增加)

如果通过同轴电缆的信号频率升高,那么电缆的传输损耗增加。原因在趋肤效应(skin effect):频率越高,电流越往导体表面挤,有效导电截面变小,单位长度的电阻上升;介质损耗也随频率线性增长。所以同一根 RG-58,在 7MHz 上几乎感觉不到,到了 430MHz 每百米就是几十分贝的差距。但要注意,特性阻抗不随频率变,它由几何尺寸和介质决定;驻波比也不会因为频率升高就“自动变大”,那取决于天线在那个频率上的匹配。

拿数字感受一下差距:一根质量普通的 RG-58,在 7MHz 上每百米损耗约 2dB 出头,30 米下来连 1dB 都不到,几乎可以忽略;换到 430MHz,同一根电缆每百米能吃掉 20dB 以上,30 米就是六七个 dB。同样是那根线,同样是那段长度,频率一换,账本上的数字翻了一个数量级。

电缆的寿命还有一半取决于怎么装。同轴电缆有最小弯曲半径,RG-58 这类细缆折成直角,内部介质会被压扁,那一小段的特性阻抗就不再是 50Ω,驻波和损耗同时变差;穿墙进户要加套管,别让它直接在砖沿上磨;架空敷设每隔一两米加一个固定点,让受力落在固定件上而不是接头上;接头处留一段滴水弯,雨水顺线走的时候不会倒灌进去。这些做法都不贵,却能把一条室外电缆的实际寿命从两三年拉到十年往上。

400MHz 以上,接头这件事的权重会突然上升。

【MC1-0687】对于 400MHz 或更高频率的信号,应当优先选用的同轴电缆连接器是: 正确答案:A(N 型连接器)

对于 400MHz 或更高频率的信号,应当优先选用 N 型连接器。N 型是螺纹锁紧、内部结构连续、阻抗控制稳定的设计,在米波以上的频段插入损耗和反射都小,而且接口处天生比 M 型更耐候。M 型(俗称 UHF 接头,其实是 1930 年代为短波设计的)在 400MHz 上就已经力不从心了,再往上更是明显。

顺带把 M 型接头本身说清楚。

【MC1-0688】关于 M 型同轴电缆连接器,以下说法正确的是: 正确答案:A(这种连接器广泛应用于 HF 和 VHF 通信系统)

关于 M 型同轴电缆连接器,正确的是:这种连接器广泛应用于 HF 和 VHF 通信系统。它便宜、小巧、互换性好,几十年里几乎成了短波和两米设备的默认接口,这一条是事实。但“先进的螺纹式锁紧、防水防盗”和“卡式锁紧、便于快拔快插”都不是它的特点。M 型靠的是插接加螺纹套,防水能力几乎为零;“制造成本很高、通常用于微波通信系统”更是说反了,它正是以廉价著称的。

用 M 型接头也有办法把可靠性拉起来。选带聚四氟乙烯绝缘的品种、把芯线焊透而不是靠拧紧压接、室外那一端缠上自融胶带再包一层防水胶带,这三下做完,它在 HF 和 VHF 上的表现完全够用。真正要避免的是图省事:接头随手一插、雨后不查,几周之后氧化层就长出来了。

四、拿分析仪读懂一段电缆

前面说的是“该是什么”,这一段说“怎么测出来”。手上那台天线阻抗分析仪(antenna analyzer),本质是一个扫频信号源加一路反射测量,它告诉你的是“从它的接口往外看,是什么阻抗”。这句话里的“从它的接口往外看”是关键,后面还会回来。

先认清被测对象。

【MC3-0761】传输线通常用来连接电台与天线。比较常见的传输线有: 正确答案:ABC(同轴电缆;平行馈线;波导)

电台与天线之间那段东西,比较常见的类型有三种:同轴电缆、平行馈线、波导。这三种各有各的地盘。同轴电缆是业余台的主力;平行馈线损耗低、能承受大驻波,适合天调加多波段振子那一类用法;波导只在高频微波段才有意义,到了 UHF 以上,同轴电缆的损耗反而不如空心的波导。选项里的“波纹软管”是排水管,不是传输线。

同轴电缆的特性阻抗又是被什么决定的?

【MC2-0762】关于同轴电缆特性阻抗,以下说法正确的是: 正确答案:AB(外导体的内径与内导体的外径之比越大,特性阻抗越高;绝缘介质的介电常数越小,特性阻抗越高)

关于同轴电缆特性阻抗,两种说法正确:外导体的内径与内导体的外径之比越大,特性阻抗越高;绝缘介质的介电常数越小,特性阻抗越高。这两条来自一个很好用的估算式:Z₀ ≈ 138 / √εr × lg(D/d)。式子里 D 是外导体内径,d 是内导体外径,εr 是介质的相对介电常数。想把阻抗做高,要么把内外径之比拉大,要么换一种介电常数更小的绝缘材料。业余常用的 50Ω,就是拿某个 D/d 配上聚乙烯凑出来的。至于“外屏蔽层越致密,特性阻抗越高”和“电缆外径越粗,特性阻抗越高”,都是错的。50Ω 和 75Ω 的电缆可以一样粗。

现在到了这一段最要紧的三连问:同一根电缆,末端接不同的东西,分析仪会读出什么。

【MC1-0763】一根特性阻抗为 50 欧的同轴电缆的末端接有一个 50 欧姆负载电阻。如果用天线阻抗分析仪测量该电缆始端在不同频率下的阻抗,则读数为: 正确答案:A(读数为电缆的特性阻抗 50 欧。该值与电缆的长度和工作频率均无关)

在往下看之前,先把一个动作做完。把分析仪接上跳线,末端什么都不接、再短接一下,看看读数的量级对不对。这一步只要一分钟,能挡掉后面一半的困惑:接头虚焊、跳线内部断芯,都会在这两个极端状态上先露馅。

一根特性阻抗 50Ω 的同轴电缆,末端接一个 50Ω 负载电阻。用天线分析仪在电缆始端扫频,读数就是 50Ω,与电缆长度和工作频率都无关。这是传输线理论里最漂亮的一条结论:当负载等于特性阻抗时,线上没有反射波,任何位置的输入阻抗都等于特性阻抗。它同时也是一个极其实用的判据。如果你把 50Ω 假负载接在电缆末端,扫频却读出忽高忽低的阻抗,那问题就在电缆或接头,跟天线无关。

这个方法在台站上有实际价值。天线架在楼顶、爬上爬下费劲,那就把假负载接在楼下电缆的末端,在 shack 里扫一遍。曲线平直,说明整条馈线加接头没问题,再上屋顶专心对付天线;曲线一塌糊涂,那就不用上去了,先把电缆修好。

现场还有个小提醒。分析仪的电池和稳压也很要紧,电压一低,振荡器就飘,扫出来的曲线会整体偏移,看着像是天线的谐振点一早上变了。同一副天线,早晨量一次、下午量一次,读数不完全重合是正常的:温度会让电缆的长度和介电常数变一点,地面湿度也会改变天线的等效环境。别把这些漂移当成故障,判断趋势要看相对变化。

把末端那个电阻拔掉,情况完全不同。

【MC1-0764】一根特性阻抗为 50 欧的同轴电缆的末端开路。如果用天线阻抗分析仪测量该电缆始端在不同频率下的阻抗,则读数为: 正确答案:A(读数取决于电缆的电长度:1/4 波长偶数倍时接近无穷大;1/4 波长奇数倍时接近零)

末端开路时,读数取决于电缆的电长度:1/4 波长偶数倍时接近无穷大,1/4 波长奇数倍时接近零。开路意味着末端电流为零、电压最大,反射波与入射波在这一点同相相加;沿电缆往回走 1/4 波长,这个关系正好翻个个儿。

末端短路则是镜像的一对。

【MC1-0765】一根特性阻抗为 50 欧的同轴电缆的末端短路。如果用天线阻抗分析仪测量该电缆始端在不同频率下的阻抗,则读数为: 正确答案:A(读数取决于电缆的电长度:1/4 波长奇数倍时接近无穷大;1/4 波长偶数倍时接近零)

接成短路时,读数取决于电缆的电长度:1/4 波长奇数倍时接近无穷大,1/4 波长偶数倍时接近零。短路点电压为零、电流最大,与开路正好反相,所以极值点的位置也正好错开 1/4 波长。这两道题千万不要背答案,记住一句话就够了:开路与短路的读数每 1/4 波长互换一次角色。

这也带来一个很实用的技巧。如果你手上有一段长度不明的电缆,把末端短路,用分析仪扫频找那些“阻抗接近零”的频率点,相邻两点之间的间隔就是半个波长,乘上速度因子就得到电气长度。测电缆长度、判断速度因子,都用这一招。

要提醒的是,这个方法频率越高越准、越低越糊。短波上半个波长就是十几米,扫频范围里可能只落得下一两个极值点,误差很大;到了 UHF,半个波长只有几十厘米,一段几米的电缆上就能数出十几个周期,长度算得相当准。

还剩一个让很多人困惑的现象。

【MC1-0766】在用天线阻抗分析仪测量某天线失配情况下的阻抗表现时,我们会发现仪表的读数随天线和仪表间电缆跳线的长度而变。为保证测量的准确性,可以采取如下措施: 正确答案:A(使用电气长度正好等于测量波长的连接电缆)

用天线分析仪测某天线的失配阻抗时,会发现读数随天线与仪表之间那根跳线的长度而变。要保证测量准确,做法是:使用电气长度正好等于测量波长的连接电缆。原因是分析仪的校准参考面在它自己的接头处,跳线把天线的阻抗沿着传输线旋转了一个角度,跳线越长、频率越高,转得越多。让跳线的电气长度正好是测量波长的一整倍,旋转就是完整的一圈,读数回到天线端口的真值。

当然,现在多数分析仪带校准功能,可以把参考面搬到跳线末端,那就不必非用特定长度的跳线。但“先校准、再测量”这个顺序不能省,换跳线必重校,这是新手最容易漏掉的一步。

至于换镀金接头、用纯银音响线材、把仪表搬进屏蔽室,这些跟测量不准没关系。阻抗旋转是传输线的固有性质,不是接触电阻或外界干扰造成的,钱花在这些地方不会让读数变准。

结语

天线这一块的知识,几乎全都长在“跟谁比、在哪测”这两个问题上。增益要问基准是点源还是半波振子,差着 2.15dB;驻波比要问是在发射机端口看的还是在天线端看的,中间隔着一段馈线的旋转;电缆读数要问参考面在哪,跳线长度一变,数字就跟着变。把这三个“问”养成习惯,很多看起来互相矛盾的资料就能对上号了。

下一篇接着往上走,讲怎么把天线真正架起来:极化方式为什么最好与对方一致、缩短型天线(加感、加容)究竟牺牲了什么、巴伦(balun)在平衡与不平衡之间做什么转换、天调(ATU)又是怎么把一副“不通”的天线变得能用的。这些正好是第 31 篇的题。

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《跟着题库认识业余无线电》系列文章第三十二篇:信号能跑多远——路径损耗、S 表与传播脾气
《跟着题库认识业余无线电》系列文章第三十二篇:信号能跑多远——路径损耗、S 表与传播脾气

电波靠位移电流一环扣一环往外走,能走多远是一道能手算的账:路径损耗每翻一倍距离或频率就多 6 分贝,S 表每格 6 分贝,同一份信号报告能逐格推算。同一功率下水平偶极还是垂直偶极、要不要用 NVIS 打近距,答案各不相同;太阳通量、地磁指数与降雨决定当天哪个频段有脾气。