上一篇聊的是接收链路上的那些管子与芯片,这一篇把话头转到屋外:天线怎么立、立多高、朝哪边、极化怎么摆。这是整个电台里最花钱、最费工,也最容易白费工的一环。
先看一个十千米的场面。两副天线相距十千米,都在 UHF 频段上,一副水平振子,一副垂直振子,双方约好时间呼叫。听得见,但很勉强。随后两台都把振子竖起来,同一时间、同一功率,话音立刻变得干净。改变其实只发生在一件事上:两边电场的振动方向凑到一块儿了。
极化匹配这件事,说起来人人都懂,操作时却总有人栽跟头。天线自己的增益、驻波、架高都调得漂漂亮亮,唯独方向摆错九十度,一个晚上就这么没了。
新手最常见的第一个疑惑其实很朴素:同样二十瓦,为什么别人通得到,我这里只有一片噪声。掰开来看,一半的答案在极化上。
一、极化要对上
极化的定义不绕:电场矢量在空间里朝哪个方向振动,就是哪种极化。振子竖直就叫垂直极化,振子横过来就叫水平极化,电场矢量绕着传播方向转圈,那就是圆极化。
两条天线对指的时候,极化必须一致。收信天线振子垂直于来波电场方向,理论上一个电子都推不动。实际中振子附近总有些散射、地面反射和不干净的东西,能漏进一点信号,但这点漏过来的强度,通常在二十到三十分贝以下。
前后都换掉之后,效果变好也就不奇怪了。原来那点漏过来的信号谁都嫌少,竖起来之后两边的振子平行,收发两端的电场方向彻底对齐,同样的功率换来了实打实的增益。
【MC1-0692】甲、乙业余电台相距 10 千米,分别使用 1/2 波长水平和垂直偶极天线进行 UHF 通联。现双方都改用 1/2 波长垂直偶极天线,则改变前后的通信效果有什么不同? 正确答案:A(通信效果变好)
一台左旋、一台右旋,彼此对指,那就比正交线极化还惨:理论上一分不动。左旋来的波,右旋天线每个瞬间取到的投影分量都在变,一个旋转周期里平均下来是零。
拿两台相距十千米的 UHF 电台说,两边同时把旋向改成右旋,情况立刻翻转。旋向对齐了。来波旋向与天线旋向一致,一个旋转周期里每个瞬间的投影分量都同相叠加,接收效率从谷底弹回顶点。这类题的判据就一条,旋向对不对齐,与距离、功率、频率都没关系。
【MC1-0695】甲、乙业余电台相距 10 千米,分别使用左旋圆极化和右旋圆极化天线彼此对指进行 UHF通联。现双方都改用右旋圆极化天线,则改变前后的通信效果有什么不同? 正确答案:A(通信效果变好)
再来说一种最容易算错的组合,是一头圆极化、一头线极化。线极化收圆极化,恒损 3 dB,对方怎么摆都一样。
道理是拆开看。圆极化波可以拆成两个幅度相等、方向正交的线极化分量,一个线极化天线只能取出其中一个,另外那一半只能看着它过去。这是几何决定的事,不是调出来的。
答案就是 3 分贝。
再往深一层说,圆极化收线极化也是 3 dB,跟对方把线极化天线转成什么姿势没关系。所以如果你架了一副圆极化天线专门去追卫星,顺手联络地面上的垂直极化爱好者,那一半功率等于白扔。想省,就得换回线极化。
这一条在题目里的表现形式是"把乙台的水平偶极换成垂直极化,效果不变"。看着像变了个花样,其实数字一动不动,还是那 3 dB。转也白转。判断这类题只有一句口诀:线极化那头怎么转都无所谓,圆极化那头始终亏一半。
【MC1-0696】甲、乙业余电台相距 10 千米,分别使用左旋圆极化和半波长水平偶极天线彼此对指进行UHF 通联。现乙台改用半波长垂直极化天线,则改变前后的通信效果有什么不同? 正确答案:A(通信效果不变)
把上面几条串起来,结论就落在从交叉线极化换成同旋圆极化上,那是这组题里收益最大的一步。
【MC1-0697】甲、乙业余电台相距 10 千米,分别使用左旋圆极化和半波长水平偶极天线彼此对指进行UHF 通联。现甲台改用右旋圆极化天线,则改变前后的通信效果有什么不同? 正确答案:A(通信效果不变)
【MC1-0698】甲、乙业余电台相距 10 千米,分别使用左旋圆极化和半波长水平偶极天线彼此对指进行UHF 通联。现乙台改用右旋圆极化天线,则改变前后的通信效果有什么不同? 正确答案:A(通信效果变差)
【MC1-0699】甲、乙业余电台相距 10 千米,分别使用左旋圆极化和半波长水平偶极天线彼此对指进行UHF 通联。现乙台改用左旋圆极化天线,则改变前后的通信效果有什么不同? 正确答案:A(通信效果变好)
前面聊的都是圆极化。回过头补一句地面通联的极化选择,它跟卫星那套是两码事。
工程上还用一个数字描述圆极化有多纯,叫轴比。理想的圆极化,长短轴相等,轴比为零分贝。真实天线多多少少偏椭圆,轴比零点几分贝到几分贝都算不错的成品。这个数字一般只在规格书里出现,实际通联中你感觉不到它。
极化为什么这么要命,值得再多说一句。地面近距离通联时,两台站的振子都放在垂直于连线的平面内、极化保持一致,是最省心的做法。原因在于地面波传播。地平线附近的反射与绕射对水平极化不友好,对垂直极化反而顺着来。地面台的鞭状天线、车载天线、手持机天线,清一色都是垂直极化,这不是偶然。
在 UHF 频段上这一点尤其明显。地面波传播靠的是贴近地面的那层空间,波长越短,地面吸收的相对影响越大,水平极化的电波在掠射时衰减更快。市面上的中继台天线、对讲机橡胶天线、车载吸盘天线,全部做成垂直极化,原因就在这儿。这是经验。你扛着一副水平八木去约本地联络,等于主动给自己扣掉一截信号。
那水平极化还有什么用?DX 的时候它很值钱。开阔平原或海面上,水平极化阵的增益能比同样条件下的垂直阵高出六到十分贝,代价是方向性变强,得瞄准。
【MC1-0701】假设接收和发射天线均使用半波长偶极天线,则在地面台站间的近距离通联中,接收和发射天线的最佳极化方式应当安排为: 正确答案:A(接收和发射天线均位于垂直于两台站连线的平面内,极化保持一致)
业余卫星爱好者的经典难题就在眼前。卫星下行用右旋圆极化,从北向南飞过,天线始终指向地球的南极。地面站用圆极化天线自动跟踪它,方向该怎么定?
不是"一路右旋到底"这么简单。过顶之前用右旋圆极化,过顶之后要换成左旋圆极化。原因有两层:一层是法拉第旋转:电离层里的自由电子在地磁场中运动,会让穿过它的电波偏振面一路旋转,旋转量本身又在变,旋向甚至可能反转;另一层是几何关系,卫星从地平线爬升到天顶的过程中,地面看到的旋向关系在过顶前后正好翻过来。
所以手持八木加轴向模螺旋、或者带旋向切换开关的圆极化阵,手册里才总要你死盯仰角与旋向。判断错了,白丢二十分贝,听起来就像卫星凭空消失。
手持天线追卫星的时候,这件事有个笨办法。做完一次完整过顶,把旋向开关拨到另一个位置再听一遍,哪个位置噪声小就是哪个。做过两三颗卫星,手感自然就有了。
【MC1-0704】某卫星下行链路采用右旋圆极化天线,从北向南飞行,天线始终指向地球的南极。如果地面上某业余电台采用圆极化天线自动跟踪该卫星,则该台所用天线的最佳极化方式应当为: 正确答案:A(卫星过顶前为右旋圆极化,过顶后为左旋圆极化)
二、增益与方向:换一副天线差多少
手里那把 S 表不是装饰。S1 到 S9 每档差 6 分贝,这个刻度来自收信机中频放大器的增益分配,记下来很有用。因为它能把"换天线"这件事换算成一个你耳朵听得出来的数字。
有一道题问,两个人原本用半波长垂直偶极天线互报 S4,功率不动,都换成 8.15 dBi 的八木,信号会变成多少。先找基准值:半波偶极天线的增益是 2.15 dBi。8.15 减 2.15,正好 6 分贝。单边看,八木相对偶极就是加 6 分贝,含意是把主瓣方向的功率密度提高四倍。
题目里两个人都换了。发信端加 6 分贝,收信端再加 6 分贝,往返这条链路上合起来是 12 分贝。12 除以 6 等于 2,S 表往上跳两格,S4 变成 S6。
很容易掉进的坑是只算一边。只算 6 分贝,答案就落在 S5 上。凡是看到"双方都改了"这种字眼的题,先在心里把两端的增益都数一遍,再动笔。
极化、驻波、阻抗失配这三样东西排在一起的时候更要小心:最坏情况能把信号砍掉几十个分贝,而一副好天线能拿回来的,也就十来分贝。天线值得投资,但它救不了摆错方向的振子。
那个 6 分贝到底值多少,可以换算成功率来说。主瓣方向上功率密度提高四倍,等效于把发射功率加大四倍。二十瓦变八十瓦,机器要花多少钱、馈线和电源要跟着升级多少,做过的人都清楚。一副八木的价钱,往往比走功率这条路的代价低得多。这也是低功率爱好者的信条:钱花在天线上,比花在功放上划算。
【MC1-0708】两位业余爱好者使用半波长垂直偶极天线相互通联,双方所收信号的强度均为 S4。现双方发射功率不变,都改用增益为 8.15dBi 的八木天线(最大辐射方向和极化均不变)再次联络,则双方信号的强度变为:【提示:收信机信号强度指示 S1 至 S9 每档增加 6dB】 正确答案:A(S6)
换下来的那副偶极天线别急着扔。VHF 手持机在开阔的平原、戈壁里走动,信号强度会周期性地起落。站在原地一动不动,有时也照样跳。
这事跟地面电导率、分布电容、气流都沾不上边。真正的原因是多径:直射波、地面反射波、远处建筑或车顶反射回来的波,好几条路径同时抵达天线,相位和幅度各不相同,凑在一起就相互干涉,同相的相长,反相的相消。
它的波长只有几十厘米。设备挪动几十厘米,某条反射路径就变化将近一个波长,合成信号随之从峰值滑向谷底。这就是那个周期性的来历。它跟移动速度无关,跟你走了几步有关。
【MC1-0709】即便是在辽阔的平原或广袤的戈壁,我们所收本地 VHF/UHF 信号的强度也会伴随设备的移动而发生周期性的变化。主要原因是: 正确答案:A(来自直射和地面反射等多个路径的无线电波相互干涉,相消或相长(多径效应))
碰上信号报告很差的时候,第一件该做的事不是加功率,而是走几步试试。挪开半米、一米,脱离那个多径驻波场的谷底,信号可能一下子好上十几分贝。这个动作零成本,还立竿见影。
懒得出门也行,把频率改变几十千赫。多径形成的驻波场与频率有关,换频率等于换了一套相位关系。相位差正比于频率和路径差,几十千赫就足以把原来的相消点错开。挪一下就行。要是在大功率下还咬着牙死守一个频点,那就真是跟自己较劲了。
多径在话音上留下的印记也不一样。调频信号落进多径谷底时,解调出来不是单纯的杂音,而是一层沙沙的失真,声音像被撕开了一样。听到这种质感,先别去调话筒增益或者怀疑对方的天线,把身子侧过来、往旁边走两步,多半就清了。
【MC1-0710】在 VHF/UHF 频段通联时的一个现象,如果远方电台给出的信号报告很差,则仅需移动几步或将工作频率改变数十千赫就可能显著改善通信效果。这是因为: 正确答案:A(多径传播。经不同路径达到天线的电波存在相位和幅度差异,相互干涉,相消或相长)
三、振子多长、架多高
振子长度这段,是全篇最容易算错的部分。错一个系数,天线就在错误的频率上谐振,怎么调驻波都下不来。
先把缩短系数(velocity factor、端效应修正)记住。电磁波沿振子传播的速度并不是真空光速,端点效应与信号相移都拖后腿,所以实际长度要短于按公式算出来的值。业余界沿用的经验值是 0.95。
这个数字的来历很朴素。自由空间里按光速算出来的半波长,装到真实的金属振子上,末端会有电荷堆积、电流到不了零,电气长度就"变长"了一点。想在物理长度上把它抵消掉,就得砍掉百分之五。
线径粗一点、绝缘皮厚一点、架得低一点,缩短系数都会跟着变。0.95 是拿来起步的,不是拿来供着的。所以修整振子的正确顺序永远是:先按公式算出来,多留几厘米余量,上驻波表或天线分析仪,一点一点剪。
顺手把一个基准记住:300 除以频率(兆赫),得到的是空中波长,单位是米。这个数字是所有天线计算的地基。150 兆赫对应 2 米,435 兆赫对应约 0.69 米,7 兆赫对应约 42.9 米。剩下的公式,都是在这个基础上乘以某个系数。
【MC1-0720】天线振子的端点效应、信号的相移等因素影响电磁波沿振子传播的速度。修整天线时,我们应考虑振子的实际长度会因此略短于计算值。这就是所谓的“缩短系数”。其经验值为: 正确答案:A(0.95)
半波振子每边的长度怎么算?做法是 300 除以频率得到波长(单位米),半波长再除以 2,再乘 0.95。
两米波段的极端例子更直观。145 兆赫对应波长约 2.07 米,半波振子每边约 0.68 米;到 435 兆赫,每边只剩 0.33 米左右。这个量级下,修整靠的是毫米级的耐心,而不是剪钳一挥。
7.1 兆赫上就是 71.3 除以 7.1,约 10.04 米,全振子差不多 20 米。这就是为什么 40 米波段的偶极天线在城里很难展开,也是为什么缩短天线会成为一门手艺。
厂制偶极天线标的多半是全尺寸还是缩短型,买之前问清楚。缩短型的长度可能只有全尺寸的六七成,用在窄频段上还行,跨频段就显得局促。
【MC1-0721】制作工作频率为 f(单位:兆赫)的半波长偶极天线。每边振子的长度(单位:米)约为: 正确答案:A(71.3/f)
同轴电缆里的情况又不一样。题目要一根 1/4 波长的电缆做相控阵馈电,长度大致是 48.8 除以 f。注意这个系数不是 71.3 的一半。
关键在于电缆里填充的聚乙烯把电磁波速度压慢了,缩短率通常在 0.66 上下。拿 75 除以 f 得到真空中的 1/4 波长,再乘 0.66:75 乘 0.66 大约是 49.5,题目给的是 48.8,差在缩短率的具体取值上。这一步别偷懒。7 兆赫下就是 48.8 除以 7 约 6.97 米。做相控阵、做匹配段的时候,这几厘米不能凑合,必须查你手上那根电缆的标称缩短率,套公式估出来的值只能当草稿。
再补一个叫法。缩短率在同轴电缆里通常叫速度因子,常见值在 0.66 到 0.87 之间,泡沫介质的高一些,实心聚乙烯的低一些。做相位线、做匹配线段,手边没有资料就先用 0.66 估,量准了再定尺。
【MC1-0723】制作工作频率为 f(单位:兆赫兹)的某相控天线阵列需要长度为 1/4 波长的同轴电缆,大致长度(单位:米)应当为: 正确答案:A(48.8/f)
知道长度,还得知道什么才算"谐振"。偶极天线谐振的充分必要条件是两臂总电气长度为 1/2 工作波长的整数倍。
半波偶极子是最常见的一档,馈电点阻抗在 73 欧上下。推进到 1.5 倍波长,辐射图会分裂成多个波瓣,增益高一些但方向变得难缠。再往上走,波瓣更多更细,实战里很少这么用。
顺带说一个容易混的点:整数倍是必要条件,不是"越多越好"。倍数越高,馈电点阻抗的变化越剧烈,匹配越挑馈线,电流分布也越难维持。
电气长度要跟卷尺量出来的物理长度分开。电气长度是电流电压沿振子走一趟所对应的相位,受线径、绝缘、周围物体影响。同一副天线,架在空旷屋顶和挤在两根暖气管之间,谐振点能差出好几十千赫。调试的时候别搬着尺子争论,看仪表。
【MC1-0725】偶极天线谐振于所需工作频率的充分和必要条件是: 正确答案:A(两臂总电气长度为 1/2 工作波长的整数倍)
巴伦(BALUN)这个名字本身没什么玄机,它是 BALanced 和 UNbalanced 两个英文词的头几个字母拼出来的。也有题目把它包装成"发明者姓名"或"某大牌厂商",全是障眼法。
它的活儿也简单:在平衡电路和不平衡电路之间传递射频能量,同时阻断两者之间的任何寄生耦合。偶极天线两臂对地是对称的,同轴电缆的屏蔽层却天然接地、天然不平衡。两边不一样。直接把同轴电缆接到偶极天线的馈电点上,屏蔽层外皮就有了电流,天线方向图被扭歪、机壳带电、电视机的扬声器里冒出你的话音,这一串麻烦的源头都在这儿。
所以别把巴伦当成万能匹配器。它不负责将就任意阻抗,也不负责展宽频带。阻抗变换只是顺带,市售的四比一巴伦、一比一巴伦,选哪一个要看你的天线阻抗本是多少。天线是 50 欧就买一比一,天线是 200 欧才轮到四比一。
手边没有巴伦也不是完全没办法。把馈线在馈电点附近绕成若干圈,直径十几厘米,就是一个简单的扼流巴伦,效果不如成品规整,但压制共模电流够用。这一招在短波段很常见,成本几乎为零。
【MC1-0728】在天线和馈线之间常会接入一个俗称“巴伦(BALUN)”的部件。“巴伦”的由来是: 正确答案:A(平衡与不平衡两个英文字头的组合)
【MC1-0729】在天线和馈线之间常会接入一个俗称“巴伦(BALUN)”的部件。它的主要功能是: 正确答案:A(在平衡电路和不平衡电路之间传递射频能量,阻断两者之间的任何寄生耦合)
南北走向的水平偶极天线,中点馈电,50 欧电缆接 50 欧收发信机,通信对象在东西方向。这个时候最该权衡的不是驻波表上的数字,而是振子两臂的长度。
两臂各 1/4 波长,也就是整副天线成为半波振子,通信效果是最好的。半波振子的辐射图在垂直于振子的方向最强。天线沿南北架,主瓣就朝东西张开,正好对准你的通信对象。而振子的轴向是零点,对方要是在正南北方向,你功率再大也是白费。
换成两臂各 1/2 波长(全振子一个波长),辐射图会分裂成四个瓣,还带旁瓣,对准度反而变差。所以驻波比接近 1:1 并不等于通信效果好,选择 D 那句话本身没说透:阻抗匹配了,能量倒是全送出去了,送错了方向同样没用。
这道题也顺手解释了一个现象:两副参数几乎一样的天线,一副横架、一副竖架,通联效果能差出十几分贝。差别不在增益、不在驻波,全在辐射图的方向上。挑天线的时候,除了看增益和带宽,先想清楚你的对象在哪个方向。
【MC1-0731】南北走向的水平极化偶极天线,中点馈电,通过特性阻抗为 50 欧的电缆连接到输入/输出阻抗为 50 欧的收发信机,通信对象在东西方向。选择天线长度的原则是: 正确答案:A(当振子两臂各为四分之一波长时,通信效果是最好的)
架设短波天线的时候,高度不是一个"越高越好"的问题。大致原则是:远距离通信选较高的高度,近距离通信选较低的高度。
物理上说得通。偶极天线离地越高,地面镜像与直射波叠加后的最大辐射仰角就越低;架到半波长以上,仰角才压得下去。低仰角意味着电波几乎是贴着地平线出去的,靠电离层一跳就能落到几千千米外。反过来,抬高到一定高度还想要高仰角,就很难做到了。
这也是很多城市爱好者抱怨"本地通联反而差"的原因之一。天线架到二十米高的楼顶,打近处两百千米反而吃力,因为主要能量都送到了低仰角。高了反而够不着。真想兼顾,宁可在屋顶留一副低架的偶极或垂直天线专门跑近场。
架高这件事还有一个常被忽略的副作用:本地噪声。天线抬得高,离家里的开关电源、路由器、劣质 LED 灯远一些,接收底噪往往跟着下降。所以架高对收信几乎总是好事,只是发射仰角上要做取舍。收和发这两笔账,得分开算。
【MC1-0734】架设短波天线时,应大致按照如下原则规划天线的架设高度: 正确答案:A(远距离通信选择较高的高度,近距离通信选择较低的高度)
特定对象的 DX 通信,最佳发射仰角怎么定?用的是一套简单几何:根据所使用电离层的大致高度、通信对象的大致距离、电波在传播中经历电离层反射的次数,画三角形就能算。
电离层 F 层在白天大约 250 到 350 千米高,一次反射能覆盖的地面距离大约 3000 到 4000 千米。要在 3000 千米外落脚,仰角大约十几度;8000 千米要走两三跳,每跳的仰角更低。这些数字不必算得多精确,能判断"我该把天线架多高、该瞄准哪个仰角"就够了。题目里那些查太阳黑子数、查大地电导率、查 10.7 厘米射电通量的选项,看着更专业,实际都掺了不需要的变量。
算完仰角,再回头检查自己的天线能不能把能量打到那个角度。想舒服地打十几度仰角,偶极天线得架到一个波长以上,垂直天线则天然占便宜。算出理想仰角却打不出去,等于白算。
【MC1-0735】在针对特定对象的 DX 通信中,计算天线最佳发射仰角的基本方法是: 正确答案:A(根据所使用电离层的大致高度、通信对象的大致距离、电波在传播中经历电离层反射的次数,用简单几何方法计算)
大地电导率对 HF 远距离通信有什么用?答案不是"无关",也不是"要取中间值",而是:大地电导率越高,大地的镜像作用越理想,天线的效果越好。
海水的电导率远高于干燥沙土和岩石。所以海边架台的故事总在流传,一副普普通通的垂直天线架到防波堤上,效果能超过内陆精心架设的好天线。这不是玄学,是海岸效应:镜像是近似完美的,落地损耗又低,两个优势叠在一起。
HF 远距离通信虽然靠天波反射,但电波在离开天线爬向电离层的那一小段、以及落到地面反射回来的那一瞬,都要跟地面打交道。多跳传播的每一跳落点都在地面上,反射点的地面状况直接参与决定了这场接力的效率。
所以选台址的时候,能靠水就靠水,能靠湿地就别选干山坡。沙漠里的 DX 台常常要靠更大的功率和更好的天线去补这一截,起步就比别人吃力。
除了电导率,还有个直观指标是接地损耗。同样是鞭状垂直天线,装在海边礁石上、装在湿草地上、装在水泥天台上,效率能差出一半以上。搬家选台址的时候,这一条比楼层高低更值得考虑。
【MC1-0736】收发信天线周边大地电导率对 HF 远距离通信的影响大致为: 正确答案:A(大地电导率越高,大地的镜像作用越理想,天线的效果越好)
把水平偶极天线从架得比较高的位置降到距地面 1/10 波长,馈电点阻抗会下降。这个变化的方向要记牢,别跟"架高之后输入阻抗升高"记反。
有损地面就在近处,地面里被感生出来的镜像电流与天线本体电流反相耦合,天线的辐射电阻被拉低,地电流还额外带走能量。1/10 波长这个高度上,馈电点阻抗常掉到十几二十几欧,接到 50 欧的电缆上失配明显。这是个大变化。另一方面,这么低的架设高度会把最大辐射仰角抬得很高,几百千米内也许还能用,但远距离 DX 就别指望了。
实操上的判断是:天线架不上去的时候,与其硬把偶极降到很低,不如考虑垂直天线或加感方案。低架偶极的短板不只是阻抗,还有仰角。
降得太低还会带来另一个麻烦:天线与地面之间的电容变得很大,整个系统的驻波会随天气变化。刚下过雨和连晒三天,谐振点能挪出几十千赫。看着驻波表上的数字来回变,别急着怀疑机器。
【MC1-0737】如果将水平偶极天线的架高降低到距地面 1/10 波长处,其馈电点阻抗有什么变化? 正确答案:A(下降)
空间不够,振子展不到自然谐振所需的长度,办法是在振子某处串入电感线圈,或者干脆把整根振子做成线圈,靠调整电感量把谐振点拉回来,这就是加感天线。
加感之后,原来呈现容性的短振子会被拉回谐振,但代价跑不掉。线圈上的损耗、电流分布的改变,都会让辐射效率比全尺寸天线低一截。电感越集中、加感点越靠近馈电端,损耗往往越大。
注意题目那句话的分寸:它没说谐振频率和馈电点阻抗做不出来。通过反复迭代,线圈电感量与串入位置是可以调出等效的谐振和阻抗的。调得出来。但"能调到谐振"和"辐射效率高"是两码事,选择题里把这两个概念捆在一起的表述,多半就是错项。成品加感天线从来不会因为设计精良就超过全尺寸,能打平就算本事。
加感的位置也有讲究。线圈靠近馈电端,用到的电感量小,但电流大的地方损耗更集中;线圈靠近振子末端,电流小、损耗相对小,可需要的电感量大、机械上也难处理。成品天线多取折中位置。对空间受限的台站来说,能用全尺寸就别用加感,能少加一点就别多加。
【MC1-0739】自己架设 HF 偶极天线时,如果因空间限制而无法将振子展开到在工作频率下自然谐振所需的长度,则可将电感线圈串入振子某处或干脆将整个振子都做成线圈以制成某种“加感天线”并通过调整电感量来获取所需谐振频率。关于这种天线,以下描述正确的是: 正确答案:A(通过迭代修整线圈的电感量及其串入振子的位置,我们肯定可以获得与某个全尺寸天线等效的谐振频率和馈电点阻抗。但是,这种加感天线的辐射效率比全尺寸天线低)
四、实用天线与天调
八木天线(Yagi-Uda)是在普通半波振子(主振子)的基础上,通过添加引向器和反射器做成的定向天线。它属于那种"用几根铝管换来十几分贝"的划算买卖。
八木的零件其实就三类:一根馈电的主振子,若干根比它长的反射器,若干根比它短的引向器。谁长谁短不能凭感觉,得拿主振子当尺子。比主振子长的是反射器,比主振子短的是引向器,而最大辐射方向永远指向引向器那一头。
所以光看外形就能判断方向。站在那里数铝管,短的一段指向哪里,天线就往哪里打。这一点在现场很实用。装好的八木如果通信效果不对,先别怀疑馈线,回头看看是不是把反射器那头当成前方了。
【MC1-0744】什么是八木天线? 正确答案:A(一种通过反射器和引向器来增强方向性的半波长偶极天线)
【MC1-0745】八木天线是在普通偶极天线(主振子)的基础上通过添加引向器和反射器而制成的一种定向天线。目视确定全尺寸八木天线发射方向的方法是: 正确答案:A(比主振子短者为引向器,比主振子长者为反射器,引向器朝向最大辐射方向)
一把八木的另一半价值,是用前后比量出来的:主瓣辐射功率与反向辐射功率之比,通常用分贝表示。一副好的三单元八木,前后比能到二十分贝以上。
它为什么值钱?因为它直接对应抗干扰能力。本地有个中继台在你的正后方,前后比高的天线能把它压掉二十分贝左右,前方那个微弱信号这才浮出水面。方向性天线真正的价值,一半在增益,一半就在这个"听不见背后"的能力上。
有些爱好者只盯增益数字买天线,结果到了电磁环境复杂的城里,发现效果还不如一副偶极。这就是忽略了前后比与旁瓣。
它和增益并不完全是一回事。有的天线靠牺牲前后比换来更高的前向增益,参数表上数字好看,实际用起来背面漏进来的干扰很多。挑天线的时候把两个数字都看一眼,光看增益容易吃亏。
【MC1-0746】八木天线的“前后比”是如何定义的? 正确答案:A(主瓣辐射功率与反向辐射功率之比)
行波天线是另一个路子,代表型号是 T2FD 和贝伐列奇(Beverage)。它们共用一个特征:天线终端接有无感电阻。
这个电阻的作用容易被想歪。它不等于假负载,不会把大部分能量平白烧掉。行波天线的电长度做到数个波长时,能量是边行进边往空间辐射的,越走越少;剩下的那一小部分进入终端电阻变成热,作用是掐死反射。就为堵住反射。终端只要没有反射,线上就不出现驻波,天线就能在极宽的频率范围内稳定工作。不需要天调、不需要重新剪长度,这是它拿效率换来的东西。换个角度看,选项里"无论天线多长,输入功率的一半都会耗散在电阻上"是错得最典型的一条。电长度越长,辐射掉的比例越高,终端的占比越低。所以行波天线确实是牺牲了一些效率,但牺牲多少,取决于你把它做多长。
【MC1-0748】业余无线电通信中常用的行波天线,如 T2FD 和贝伐列奇(Beverage),其天线终端都接有无感电阻。关于该电阻的作用,正确说法是: 正确答案:A(天线的电长度达到数个波长时,大部分能量都是边行进边辐射到空间,只有一小部分进入终端电阻耗散掉,以避免因反射而引起驻波)
有些天线看上去怪,极化却不难判断,抓住"哪一段导体承担主要辐射"就行。
举个例子:20 米长的导线中点接一个线圈,导线水平提升到稍高于 20 米的悬挂位置,线圈另一端再接一条 20 米、垂向地面的导线。馈线芯线接那根垂直导线,屏蔽层接地网。整个东西看似一个"T",垂直才是它的主心骨。
垂直导线里的电流方向与地面垂直,它贡献了绝大部分辐射,所以极化是垂直的。水平那段确实也在辐射一点,但它更接近一顶"帽子"——顶帽电容的加载作用,专门用来改善垂直部分的电流分布,不是主力。
判断这类奇形怪状天线的极化,办法就一个:找哪一段导体最接近四分之一波长的奇数倍、哪一段里电流最大。谁在干活,就看谁。
【MC1-0749】小明在一条 20 米长的导线中点连接一个线圈,并将导线水平提升至稍高于 20 米的悬挂位置。线圈的另一端接有另一条长度为 20 米并垂向地面的导线。他将馈线的芯线与垂直导线相连,将馈线的屏蔽层连至地网。这种看似“T”形的天线,极化方式如何? 正确答案:A(垂直)
T2FD 也能玩出同样的花样。把半边振子直立悬挂起来,折合振子的馈电端通过匹配变压器接电缆芯线,带吸收电阻的另一端接上地网与电缆屏蔽层,整副天线就站起来了。
导线全在竖直方向上,电流自然垂直流动,所以极化是垂直。这么改的好处是低仰角变好,在低频段上占地也小得多。占地真省。代价是原来的水平全向特性没了,变成在水平面上有方向性的东西,架设方向得重新规划。
把它竖直挂还有个额外好处:省地。水平 T2FD 在 80 米波段要拉开几十米,城里根本铺不开;竖起来之后占地只剩一根杆子和几条拉线。代价是朝天的那个高仰角波瓣被压掉了,本地通联会吃点亏。
【MC1-0750】为了降低辐射仰角,小明试着将 T2FD 天线的半边振子直立悬挂起来。他将折合振子的馈电端通过匹配变压器连至电缆的芯线,将带有吸收电阻的另一端与地网和电缆的屏蔽层相连。这种天线的极化方式为: 正确答案:A(垂直)
环形天线是空间受限时值得考虑的一条路。它靠磁场分量来工作:环面竖直放置时,发射出去的电磁波里,磁场分量垂直于环所在的平面,电场分量则平行于环面。振动方向这么一定,极化照旧按老规矩去匹配。
关于环形天线,题库里还有几条要认清:串入可变电容的目的是抵消感抗、把环调到谐振,而不是"拓宽工作带宽";自然谐振的长环,导线总长接近一个波长,对应的半径远小于 1/4 波长。这个数别记反。小环天线的效率确实低,但说它"只适合低频近距离"是把话说死了。
【MC1-0751】关于环形天线,以下说法正确的是: 正确答案:A(该天线发射的电磁波,磁场分量垂直于环所在的平面)
磁场耦合可调谐环形天线另有几条值得记住。通过调整激励单元与谐振单元的尺寸,可以获得接近 1:1 的输入驻波比;谐振单元里那只可变电容要选耐压高的,这样才敢往上加功率。耐压就是功率上限。谐振单元的尺寸越大,发射效率越高,但可调谐的最高频率也越低。这三条都对。
这个天线真正的长处是低噪声和方向图的零点。它在电噪声为主的城市环境里表现往往超出预期:转一转就收得到,再转一点干扰就没了。但它的效率从来不是强项。指望八平方米的小环超过全尺寸偶极,那是想多了。
用小环还有一个操作细节:调谐电容的变化极其敏感,手指碰上去、旁边有人走过,谐振点都会跑。实际用的时候,先把电台调到工作频率,发一个小功率载波,一边慢慢转电容一边看噪声峰值或者驻波最低点。找到之后尽量别碰,切换频段再重新找一遍。
【MC3-0752】如果架设天线的空间受限,则磁场耦合可调谐环形天线或许是一种选择。关于这种天线,以下说法正确的是: 正确答案:ABC(通过调整激励单元与谐振单元的尺寸,我们可以获得接近 1:1 的输入 SWR;谐振单元中的可变电容器应选用耐压较高的,这便于承载更大一些的输入功率;谐振单元的尺寸越大,天线的发射效率越高。但是,可调谐的最高频率也越低)
天线调谐器(ATU,Antenna Tuning Unit)能做的事,题库讲得比很多人想象中克制:它可以补偿失配天线系统的参数,使发射机输出规定的射频功率。
这句话的重点在"使发射机输出规定的射频功率"。天调让发射机看到一个接近 50 欧的负载,于是这台机器不必因为保护电路而自动降低输出。它并没有让天线的辐射效率提高,也没有把馈线上的驻波和损耗消掉。一点都没消。反射回来的能量仍然在系统里转圈,末了以热的形式在馈线、天调网络或天线上耗散掉。
所以"加了天调,原来那副不谐振的破天线就神了"这种想象是错的。天调能让电台安心工作,不能让本来辐射不出去的能量跑出去。
手动天调和自动天调,本质都是电感电容搭出来的匹配网络。它们的调节范围有边界,天线在这个频段上的阻抗离 50 欧太远,天调就找不到解,驻波怎么调都下不来。它也有办不到的事。碰到这种情况,说明天线的物理尺寸跟工作频段差得太多,该改天线,不是该换天调。
【MC1-0755】关于天线调谐器(俗称“天调”)可以改善通联效果的说法,以下描述正确的是: 正确答案:A(天调可以补偿失配天线系统的参数,使发射机输出规定的射频功率)
天调的连接顺序,直接决定驻波表读到的是哪个位置的驻波。
理论上的最佳顺序是:天线,然后天调,然后通过式驻波功率计,再到馈线,另一端才是收发信机。也就是把驻波表放在天调与电台之间,让它读电台实际看到的驻波比。台面上看到的接近 1:1,说明天调确实在干活。
要是把驻波表放在天线与天调之间,读到的就是未加补偿的天线驻波比,那个数字通常很难看。很多人一看到就慌,去拆天线、换馈线、重新剪振子,其实只是接入位置搞错了。表的读数只有在位置上说清楚时才有意义。
【MC1-0756】某天线通过 50 欧馈线与 50 欧输出阻抗的收发信机相连。现计划在天线电路中串入天线调谐器和通过式驻波功率计来补偿并监测天线的失配情况。理论上的最佳连接顺序为: 正确答案:A(天线-天线调谐器-驻波功率计-馈线-收发信机)
这一题是把视线从 HF 拉到 2200 米波段。脚注 5.67A 说,135.7 至 137.8 千赫频段内的业余业务台站,最大有效辐射功率不得超过 1 瓦(e.i.r.p.)。
e.i.r.p. 是等效全向辐射功率,它把天线增益算进去了,所以这条规定限的不是发射机标称功率,也不是扣掉馈线损耗后馈入天线的功率,而是"实际馈送到天线的功率除以天线的绝对增益比值 Gi"之后的那个数。天线增益高,允许馈入的功率就相应小一些;用一副增益低于偶极的短天线,馈入功率反而可以更大一点。
这段频率在业余业务里只是可怜的一小块,还附带功率限制。它的魅力在于 2200 米波长实在惊人:天线尺寸夸张,效率低到让每一瓦都显得珍贵。每一瓦都算数。真去玩的人不多,但正因为这条路难走,能通上的人才格外骄傲。
顺便记一笔 2200 米波段的脾气:这个频率上电离层基本不帮忙,靠的是地面波。地面波的衰减跟大地电导率关系极紧密,海上路径能跑很远,干燥内陆就吃力得多。所以这一段的玩法天然亲近海边和江边。
【MC1-0758】《中华人民共和国无线电频率划分规定》脚注 5.67A 说“使用 135.7-137.8kHz 频段内频率的业余业务台站,其最大有效辐射功率不得超过 1 瓦(e.i.r.p.)”。其意思为,该频段的业余电台: 正确答案:A(实际馈送到发射天线的功率不得超过 1 瓦除以天线的绝对增益比值 Gi 后得到的功率值)
结语
天线这摊事,说到底就是在物理定律和自家屋顶之间找妥协。极化摆得准,等于白拿十几分贝;振子算对长度、巴伦装对位置,等于把已经买回来的东西用干净;架设高度和仰角的取舍,决定了你的能量是朝远处飞还是朝天上打。天调是保险,不是救命药。 这几个动作做完,同一套设备的通联距离能差出一倍以上。
下一篇换个问法:功率定了、天线定了,信号还能跑多远。
要把路径损耗、自由空间公式、电离层的日常脾气,还有各波段的性格一条条摊开。
为什么 20 米白天热闹、40 米夜里舒服,为什么有些频段一开就是一片扫过去,答案都在那些数字里。第三十二篇「信号能跑多远:路径损耗、传播预测与波段脾气」,题目里全是这些数字。