【无线电常识】天线与传播

作者：HLJRA | 来源：www.hljra.org.cn | 点击：752 | 发布日期：2023-04-11

天线一直是业余无线电活动中最热门的话题，也是无线电爱好者最常自制的器材之一。天线的好坏直接影响无线电通讯系统的收发效果和通讯距离。业余无线电台具有发射功率小、收发共用同一天线和天线架设条件简陋等特点，更加要求合理地选用适当的天线以达到更好的通讯效果。

天线，是电波的换能器件，用以发射和接收电波。它的工作有点像音响里的扬声器和话筒，它把在电路里流动的高频电流通过电磁感应转换成高频电磁波向外辐射，高频电流流过任何导体时，导体内部的电子随着高频电流振动，在导体外面空间会感应激发电磁波。天线也把在空间的电磁波通过感应转换成高频电流，因此，可以说天线是收发互逆的。任何天线在接收时的所有特性及参数都可以由该天线在发射状态时的已知特性及参数决定，反之亦然。简单地说，若一条天线的接收效果好，则该天线的发射效果也好。

电子和磁子振动产生交变电场或磁场，交变的电场或磁场互相转换，形成电磁波以光速向外辐射。理论上使电子和磁子作高频振动均能产生同样的电磁波，但由于电路里本身就是流动着高频电流，因此我们常用的是电天线——即使电子作高频振动来产生电磁波。为了使天线的辐射提高，必须使流过天线导体的高频电流尽量的强，我们知道当电路处于谐振状态时，电路上的电流最大，因此，若使天线处于谐振状态，则天线的辐射最强。由传输线理论可知，当导体长度为1/4波长的整数倍时，该导体在该波长的频率上呈谐振特性，导体长度为1/4波长为串联谐振特性，导体长度为1/2波长为并联谐振特性。由于1/2波长的振子比1/4波长的振子长，所以1/2波长振子的辐射比1/4波长振子强，但振子超过1/2波长虽然辐射继续加强，但由于超过1/2波长的部分的辐射是反相位而对辐射有抵消的作用，因此总的辐射效果反而被打折扣，所以，通常的天线都采用1/4波长或1/2波长的振子长度单位，这种由两根长度相同的导体构成的天线就叫偶极天线（见图1）。这是最简单、最基本的天线，其他的天线都可以等效成偶极天线的变形和叠加。

电波在真空中传播的速度是约每秒30万公里的光速，但在不同的介质中有不同的传播速度，波长也不同，因而，在不同的介质中，天线的振子长度可以缩小，例如在空气中的缩短系数是0.98。有的介质的缩短系数很大，可以使天线大大缩小，但通常介质的电波损耗比真空和空气大，天线的效率并不高。同样的天线，工作频率越低，波长越长，则天线的振子也越长，天线也显得越庞大。

电磁波在传播时其电场或磁场的方向是有固定的规律的，我们叫电波的极化，是以电场分量的方向命名。电波的电场和地面垂直，称为垂直极化波；电波的电场与地面平行，称为水平极化波。电波的极化是由发射天线决定的，因此天线按其辐射电波的极化分为水平极化和垂直极化天线，根据天线收发互逆，接收时天线也必须采用与发射同种极化的天线才能有最好的接收效果。

天线的重要指标

1.辐射效率

输入到天线系统的功率，在天线系统中会由于热损耗、介质损耗等消耗掉一部分，而不能全部变为电磁波辐射。天线的辐射效率就是辐射功率与输入功率之比，它与天线的损耗电阻、辐射电阻、工作波长等有关。为了提高天线的辐射效率，就要尽量增大辐射电阻和减小损耗电阻。同时，发射频率越低，天线的辐射效率也越低，换句话说就是信号的频率越低，越难以辐射。这也就是为什么高频电路特别需要注意屏蔽和隔离的原因。

2．特性阻抗

把一定频率的高频功率信号馈入到天线的输入端，天线就会呈现出一定的电阻和电抗，称为天线的特性阻抗。天线的特性阻抗与天线的形状、尺寸、工作波长、信号的馈入点、周围环境的影响等多种因素有关。大多数情况下，特性阻抗可以通过理论计算或由实验确定，但用普通的万用表是不能测量出来的。若天线系统的特性阻抗与传输系统的特性阻抗相同，就称为阻抗匹配，这时天线系统的辐射电阻和损耗电阻正好吸收了传输系统馈送的全部功率。而如果天线系统与传输系统的特性阻抗有差异，系统就不匹配，造成电波从天线系统反射回传输系统，这部分反射的电波信号由于来回反射被损耗掉，没有被天线系统辐射出去，无形中使实际馈送到天线系统的高频功率信号减少，造成传输效率下降，如图2所示。由于一般收发信机和高频同轴电缆的特性阻抗均为50Ω，所以，通常应努力使天线的特性阻抗也为50Ω，只有这样，才能使整个收发系统的传输效率最高。

3．天线增益

把天线的辐射向某个方向集中，在这个方向上天线所产生的场强将会增大，也就是说天线具有增益。通常表示天线的增益采用对数比值dB表示，所用的比较基准不同，得出的天线增益值也有很大的不同，一般是以无方向天线的辐射场强为基准。理论上可以把天线的全部辐射都集中到远处的一点上，但实际上要实现它需要极其庞大复杂的天线系统，而这时天线内部的相互影响和产生的损耗会抵消掉天线产生的增益，天线的增益增加到一定的程度就很难提高，最多只能有几十分贝（dB）。有一个比较形象地表现天线辐射情况的是天线辐射方向图（见图3），天线方向图可以反映天线分别在水平方向和垂直方向上达到相同场强的距离。

总的来说，一个好的天线系统，首先是天线系统本身的辐射效率要高，损耗要小，其次是要能与传输系统匹配，使整个收发系统的传输效率达到最高，再次就是能尽量地使所辐射的能量集中到所需要的地方，抑制不必要的辐射。

业余无线电常用的天线形式

业余无线电中较常用的天线形式有水平半波偶极天线（Dipole）、垂直接地天线（Vertical）、八木天线（Yagi）等。
水平半波天线采用两条1/4波长的导线作振子，水平于地面架设起来，在中间馈入高频信号，天线发射和接收的是水平极化波，其辐射是水平8字型方向图形（见图4）。水平半波偶极天线有两种架设方法，一种是用支架拉起天线振子的两端的“水平架设”法，另一种是用支架在中间把馈电端撑起，天线振子以夹角120°往下拉开的“倒V型架设”法。这种架设方法的优点是只用一根支撑架，而且天线容易与50Ω电缆匹配。

垂直极化天线是天线被架设在地面上，由于地面具有一定的导电性，会对天线的辐射产生影响，其作用的结果相当于在地面的下面对称位置安放一个“镜像”天线一样。对于垂直接地天线（Vertical），其辐射角和天线的长度、天线架设离地面的高度和地面导电率等因素有关，一般HF的垂直天线都是在非常接近地面的地方架设，因此可重点考虑辐射角和天线的长度的关系。通过计算可知，由于“镜像天线”的作用（见图5），垂直天线辐射沿着地面方向辐射最大，辐射角度越贴近水平面，通过电离层反射所能到达的距离就越远。在天线长度为1/2波长时沿着地面方向辐射最大，当天线长度继续增加时，虽然水平方向辐射角继续减少，但同时在垂直方向（天空方向）有副瓣辐射出现。有的垂直天线为了减少副瓣辐射，采取改变天线振子电流分布的方法。单根垂直接地天线在水平方向的辐射是无方向性的，也就是对于四面八方的信号有着相同的收发效果。垂直接地天线具有结构简单、架设容易、占地方小、辐射角低等优点，但同时垂直接地天线也有增益低、无方向性和接收噪音大等固有的缺点。通常在工作频率低，要求全向通讯，架设条件比较苛刻时使用。

比较著名的方向性天线是八木天线，一般的单频段的八木天线（见图6），经典设计是以1/4波长振子为有源辐射单元（实际振子长度还应乘上相应的缩短系数），在距有源辐射单元后面1/4波长的地方放置一根振子称为反射器，在距有源辐射单元前面1/4波长的地方放置一根振子称为引向器，通过调整反射器和引向器振子的长度，使反射器振子感应的电流比有源辐射振子的电流相位超前π/2，引向器振子的电流比有源辐射振子的电流相位落后π/2。这样从远区得到的电波情况是：在反射器方向，因反射器和有源振子辐射的电波相位差为180°而相互抵消，因而没有信号。在引向器方向，则相位相同而得到加强（理想情况下是加倍）。根据传输线理论，只要反射器和引向器的长度分别取得较有源振子长一点和短一点（或加入可调节的电抗器），则它们的阻抗分别呈电感性和电容性，便能获得所需的相位关系。在实际应用中，为了进一步增加引向器方向的电场强度，使天线的方向性更好，常采用加入多个引向器的方法。由于加入了多个无源振子，各振子间互相影响，使设计和调整的难度加大。因各振子间互相影响，要使各振子的相位保持如前面的差π/2，则反射器和引向器与有源振子间的距离就不一定等于1/4波长，反射器与有源振子间的距离可取0.l～0.25波长，引向器与有源振子间的距离可取0.l～0.34波长，实际距离根据实验而定。当然也可以用改变各振子长度的方法，使各振子的相位符合要求。当天线的振子数目增大后，会引起有源振子特性阻抗的减少，因此在V/UHF频段的天线里是用折合振子作有源振子的方法提高阻抗，但在HF中这样做，天线振子的体积和重量都会很大，因而多采用阻抗变换的方法实现。

从前面的分析可知，只要使反射器和有源振子辐射的电波相位差为180°，就能使天线有方向性，因此，就有一种把反射器也做成有源的并使反射器和辐射器的相位差180°的天线，它是由呼号是HB9CV的HAM在1965年发明的，所以叫HB9CV天线（见图6），这种天线反射器和辐射器的距离仅1/8波长，前辐射振子长约为0.47波长，后辐射振子为约0.48波长。这样两单元的增益就相当于五单元的八木天线，而且这种天线的显著特点是体积小，前后比大，增益高。为了更进一步提高这种天线的增益，在前辐射器前仿照八木天线再加上若干的引向振子，但同样就使天线的设计和计算显得非常复杂，以前多由实验取得数据，近年来计算机仿真技术的发展，出现了天线的仿真设计软件，极大地方便自己设计和制作各种天线。

在业余无线电通信中，业余频段被分割成整数倍的若干频段，为业余制作多频段的天线创造了有利的条件。多波段天线的原理是基于天线在不同的操作频率中，有不同的谐振长度，操作频率高时天线振子的谐振长度短，而在操作频率低时天线振子的谐振长度长。当操作频率低时共用频率高的那部分振子，在操作频率高时切断加长部分的振子，使之只有短的振子工作，这样，同一条天线就可工作在两个操作频率。因此把对应不同操作频率的不同长度的振子用开关接起来，使在不同的操作频率时对应长度的振子接入工作，就可以使一条天线工作在多个频段。实际使用上，我们大多采用所谓的“陷波器”来代替开关自动地根据不同的操作频率调整振子长度。“陷波器” 实质是一个谐振于操作频率的并联谐振电路，在天线工作于操作频率时，并联谐振电路呈现高阻抗，可以看作开路，振子断开，当天线输入频率低于“陷波器”谐振频率时，“陷波器” 相当于在两振子串联的电感线圈，相反，相当于串联电容，而这两种状态都起到缩短实际天线振子长度的作用（见图7）。实际应用时，当天线被设计成太多的工作频段时，天线被分成很多段，同时也要接入很多的“陷波器”，使得天线的各部分产生相互的影响，使调整非常困难，同时也易受架设环境的影响，使天线的实际效果不佳。

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