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天線參數(shù)技術(shù)介紹

發(fā)布時(shí)間:2009-12-29

中心議題:
  • 電波傳播三種途徑
  • 天線的各種特性

天線的作用就是把發(fā)射機(jī)末級(jí)回路的高頻電流變換成電磁波并向特定的方向發(fā)射出去。接收天線則是把以自由空間為傳媒的電磁波還原為高頻電流經(jīng)饋線送入接收機(jī)。由此可見,天線的作用就是在高頻電流和電磁波之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。因此,從理論上講,發(fā)射天線可以當(dāng)作接收天線使用,接收天線也可以充當(dāng)發(fā)射天線使用。

目前,用于接收衛(wèi)星電視廣播的天線有:螺旋天線(用于接收L波段電視廣播)、拋物面天線(前饋型。常用于接收C波段、Ku波段衛(wèi)星電視廣播的正饋、偏饋天線)、卡塞格倫天線(后饋)、平板天線等。

天線的主要特征參數(shù)有:1、方向圖、主瓣寬度與副瓣電平;2、增益;3、極化;4、電壓駐波比;5、頻帶寬度;6、噪聲溫度;7、效率等。工程上常用這些參量來(lái)衡量天線的技術(shù)特征。接收衛(wèi)星電視廣播要求接收天線具有高增益、高效率、低噪聲、寬頻帶、天線指向調(diào)整范圍寬等特性。

天線是FMDX的耳朵,微弱的電波從天線經(jīng)過(guò)饋線進(jìn)入接收機(jī),才能讓我們聽到遠(yuǎn)方電臺(tái)的聲音。一個(gè)接收系統(tǒng)的好壞,天線占了一半。我們希望天線能有高的增益,把微弱的信號(hào)變得響亮,我們希望天線能有一定的選擇能力,把傳呼臺(tái)干擾和本地強(qiáng)臺(tái)擋在外面,我們希望天饋系統(tǒng)盡量減小損耗,把每一微伏的信號(hào)都送到接收機(jī)的前端。

對(duì)于大多數(shù)使用便攜式收音機(jī)來(lái)收聽FMDX的人說(shuō),他們的天線也許只是收音機(jī)上的拉桿天線,這樣的天線雖然簡(jiǎn)單方便,但是對(duì)于FMDX來(lái)說(shuō),無(wú)論如何是不夠的,盡管拜電離層的恩賜,這樣的天線系統(tǒng)也不是沒(méi)有可能接收到DX信號(hào)。

我將介紹一些常見而且容易自制的天線,這些天線能夠用我們?nèi)粘I钪腥菀椎玫降牟牧现谱?。我?huì)逐一制作這些天線,將制作的過(guò)程拍成照片,并給出盡可能詳細(xì)的尺寸數(shù)據(jù)。盡管我在制作過(guò)程中會(huì)動(dòng)用天線分析儀甚至是綜合測(cè)試儀等設(shè)備,但是我將告訴讀者不使用這些昂貴儀器的調(diào)試方法。至少,完全按照我的材料、尺寸總不會(huì)錯(cuò)。

電波:

在講天線之前,不能不先提一提電波。我們制作天線的目的是為了捕捉電波,因此,在考慮天線的問(wèn)題之前,絕對(duì)有必要先研究一下電波的問(wèn)題。

電波傳播,主要有三種途徑:

l直接波:這是指從發(fā)射天線到接收天線之間,不經(jīng)過(guò)任何發(fā)射,直接到達(dá),電波就象一束光一樣,所以有人稱它為視線傳播。視線傳播這個(gè)名字也表明了這種傳播方式能夠傳播的距離不遠(yuǎn)。這有兩個(gè)原因,首先是電波從發(fā)射點(diǎn)出發(fā),其能量是以冪級(jí)數(shù)遞減的,而接收機(jī)要能良好地解調(diào)出廣播,需要一定的信號(hào)強(qiáng)度。所以太遠(yuǎn)的地方,信號(hào)太弱,不足以解調(diào)。如果只是這個(gè)原因,那么拼命提高發(fā)射功率或增加接收天線的增益,也許就可以擴(kuò)大收聽的范圍了。

但是,還有一個(gè)重要的問(wèn)題是,地球是圓的,在地球上任何一點(diǎn)發(fā)出的電波,按直線前進(jìn)的方向,最終將離開地球射向天空。主要是由于第二個(gè)原因,一般地講,地面上一個(gè)發(fā)射臺(tái)發(fā)出的直線波,只能傳播到70km遠(yuǎn)處地面上的接收處。如果雙方的高度增加,那么這個(gè)距離還可以增加,但總是有限的。所以,70km,是本地收聽的極限,實(shí)際上,由于山脈、丘陵、房屋的阻擋、反射,這個(gè)距離還要大打折扣,一般可以估計(jì)的距離是35km。[page]

電離層發(fā)射波:這是指電波通過(guò)電離層的發(fā)射達(dá)到接收方。這里面的反射的電離層是F1和F2層。F1和F2并不是甘心反射所有的無(wú)線電波,它們能反射的最高頻率是有限的,超過(guò)這個(gè)頻率的電波完全得不到反射,而是穿過(guò)電離層射向太空。如果沒(méi)有這個(gè)特性,那么通訊衛(wèi)星就不可能存在了,通訊衛(wèi)星就是在電離層外工作的。這個(gè)最高頻率叫作MUF(MaxUsableFrequency)。MUF與很多因素有關(guān),主要是和太陽(yáng)黑子活躍程度以及季節(jié)有關(guān)。太陽(yáng)黑子活躍,MUF就高,天氣熱,MUF也高。

MUF最高能高到多少呢?一般在太陽(yáng)黑子活躍期的夏天,MUF在20MHz到40MHz之間,很少超過(guò)50MHz。在低的時(shí)候甚至?xí)偷?0MHz以下。但是在太陽(yáng)黑子異?;钴S的時(shí)候,MUF也有可能偶然達(dá)到100MHz。這時(shí)候,就有可能通過(guò)F層發(fā)射收到DXFM了。但是這不是FMDX的主要形式,F(xiàn)MDX主要是通過(guò)另外一個(gè)電離層E層。本來(lái)E層的出現(xiàn)是破壞F層,所以我們不妨記F層為Friend層,E層為Enemy層。但是Es層的出現(xiàn),卻會(huì)形成一個(gè)短期內(nèi)密度極高的反射層。反射層的密度高,意味著能更好地反射電波。所以Es層開通的時(shí)候,DX電臺(tái)的信號(hào)會(huì)異常地強(qiáng)。在6米和10米業(yè)余波段工作的業(yè)余電臺(tái)都知道,Es層開通的時(shí)候,很小的功率,甚至5W,也有可能做DX聯(lián)絡(luò)。

Es的開通,主要是提供了800km以內(nèi)電波的傳播路徑。由于信號(hào)很強(qiáng),其實(shí)很多時(shí)候并不需要很好的設(shè)備就可以接收,需要的是耐心和運(yùn)氣。除了這兩種反射,F(xiàn)MDX還有可能通過(guò)對(duì)流層反射和流星余跡到達(dá)你的接收機(jī)。

l地波和大氣波導(dǎo):本來(lái)來(lái)說(shuō),理論上VHF是不存在地波的。但是無(wú)數(shù)的實(shí)踐表明,VHF也存在著某種程度的地波傳播。所以我們能穩(wěn)定地接收200km左右電臺(tái)的信號(hào)。江蘇和安徽兩省的業(yè)余電臺(tái),每年國(guó)慶的時(shí)候都進(jìn)行全省VHF移動(dòng)通訊實(shí)驗(yàn),也證明了VHF電波可以在200km左右的距離得到傳播。大氣波導(dǎo)是另外一種可能傳播VHF電波的手段,不過(guò)人們研究得還不夠多。

既然存在著這些可能,那么如何知道我收到的信號(hào)是以什么方式來(lái)的呢?一般來(lái)說(shuō),如果收到的信號(hào)來(lái)自70km以內(nèi)的電臺(tái),基本上可以認(rèn)為是直接波;如果是200km以內(nèi),而且信號(hào)穩(wěn)定(不一定強(qiáng)),那么大概是地波;如果是800km以內(nèi),信號(hào)很強(qiáng),但是極不穩(wěn)定,而且偶爾才出現(xiàn),多半是Es層傳播;如果距離更遠(yuǎn),信號(hào)很弱,大概是F層或其他形式的電離層傳播了。

知道這些有什么用呢?用處在于幫助我們選擇對(duì)天線的要求。比如,F(xiàn)層的傳播有一個(gè)特點(diǎn)是越距,大約500km以內(nèi)的電臺(tái)是不可能通過(guò)F層的傳播來(lái)的,這個(gè)距離內(nèi)的電臺(tái)信號(hào)只能以Es層來(lái)。就象在杭州想要接收臺(tái)灣的FM電臺(tái)信號(hào),只能PNP(Plugandpray),等Es層,那么天線就要考慮適合Es層的特點(diǎn)。

還有一個(gè)很重要的因素是極化方式,這是很容易被很多愛(ài)好者忽略的問(wèn)題。電波的極化方式有三種:水平極化、垂直極化和圓極化。不管理論上怎么計(jì)算,簡(jiǎn)單的判斷方法,就是看振子的方向,振子是水平放的就是水平極化,垂直的就是垂直極化,圓極化不用在FM廣播,可以不管。極化方式之所以重要,是因?yàn)橐蟀l(fā)射方與接收方的極化方式必須一致,才能有好的接收效果。我國(guó)廣播的極化方式是水平極化,所以,接收天線也應(yīng)水平架設(shè)。如果極化方式不一致,會(huì)有10dB到20dB的損失??墒牵?jīng)過(guò)電離層的反射過(guò)來(lái)的電波,早就被反射得七葷八素、顛三倒四,說(shuō)不定是什么極化方式了。所以,接收DX信號(hào),其實(shí)垂直極化也不錯(cuò),附帶的一個(gè)好處,就是可以削弱本地電臺(tái)的影響。
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天線的特性全接觸:

l共振:任何天線都諧振在一定的頻率上,我們要接收哪個(gè)頻率的信號(hào),就希望天線諧振在那個(gè)頻率上。天線諧振是對(duì)天線最基本的要求,要不然,就沒(méi)那么多講究了,隨便扔根線出去不也是天線嘛。天線的諧振問(wèn)題涉及到的主要數(shù)據(jù)是波長(zhǎng)及其四分之一。計(jì)算波長(zhǎng)的公式很簡(jiǎn)單,300/f。其中f的單位是MHz,而得到的結(jié)果的單位是米。1/4波長(zhǎng)是稱作基本振子,如偶極天線是一對(duì)基本振子,垂直天線是一根基本振子。不過(guò)天線中的振子的長(zhǎng)度并不正好是1/4波長(zhǎng),因?yàn)殡姴ㄔ趯?dǎo)線中行進(jìn)的速度與在真空中的不同,一般都要短一些,所以有一個(gè)縮短因子。這個(gè)因子取決于材料。

l帶寬:這也是一個(gè)重要但容易被忽略的問(wèn)題。天線是有一定帶寬的,這意味著雖然諧振頻率是一個(gè)頻率點(diǎn),但是在這個(gè)頻率點(diǎn)附近一定范圍內(nèi),這付天線的性能都是差不多好的。這個(gè)范圍就是帶寬。我們當(dāng)然希望一付天線的帶寬能覆蓋一定的范圍,最好是我們所收聽的整個(gè)FM廣播波段。要不然換個(gè)臺(tái)還要換天線或者調(diào)天線也太麻煩了。天線的帶寬和天線的型式、結(jié)構(gòu)、材料都有關(guān)系。一般來(lái)說(shuō),振子所用管、線越粗,帶寬越寬;天線增益越高,帶寬越窄。

l阻抗:天線可以看做是一個(gè)諧振回路。一個(gè)諧振回路當(dāng)然有其阻抗。我們對(duì)阻抗的要求就是匹配:和天線相連的電路必須有與天線一樣的阻抗。和天線相連的是饋線,饋線的阻抗是確定的,所以我們希望天線的阻抗和饋線一樣。一般生產(chǎn)的饋線,主要是300歐姆、75歐姆和50歐姆三種阻抗,國(guó)外過(guò)去還有450歐姆和600歐姆阻抗的饋線?;九紭O天線的阻抗是75歐姆左右,V型偶極天線是50歐姆左右,基本垂直天線阻抗50歐姆。其他天線一般阻抗都不是50或75歐姆,那么在把它們與饋線連接之前,需要有一定的手段來(lái)做阻抗變換。

l平衡:對(duì)稱的天線是平衡的,如偶極天線、八木天線,而同軸電纜是不平衡的,把這兩者連接起來(lái),就需要解決平衡不平衡轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。

l增益:天線是無(wú)源器件,但是天線是可以有增益的。這個(gè)增益當(dāng)然是相對(duì)增益,是相對(duì)于基本偶極天線而言的。FMDX所用的天線,當(dāng)然希望增益越高越好。不過(guò)別忘了,增益高往往伴隨著帶寬窄。

l方向性:不是所有的天線都有方向性的。便攜式收音機(jī)上的拉桿天線就沒(méi)有方向性。偶極天線有弱的方向性,八木等定向天線可以得到較好的方向性。好的方向性意外著能夠集中收集所需方向的電波,還有一個(gè)重要的能力就是能部分地減弱本地電臺(tái)信號(hào)的影響。但是定向天線并不是什么情況下都好。當(dāng)沒(méi)有目標(biāo)而等待的時(shí)候,定向天線就有可能使你錯(cuò)過(guò)天線背面的信號(hào)。所以比較合理的方式,是用一個(gè)垂直天線和一付定向天線配合使用,用垂直天線等待,聽到信號(hào)后,再用定向天線轉(zhuǎn)過(guò)去對(duì)準(zhǔn)了聽。

仰角:天線的仰角是指電波的仰角,而并不是天線振子本身機(jī)械上的仰角。仰角反映了天線接收哪個(gè)高度角來(lái)的電波最強(qiáng)。對(duì)于F層傳播,我們希望仰角低,可以傳播地遠(yuǎn),對(duì)于Es層,電波主要是從高處來(lái),我們希望仰角高。仰角的高低取決于天線型式和架設(shè)高度。一般來(lái)說(shuō),垂直天線具有低仰角,其他天線的仰角隨架設(shè)高度變化。

l架設(shè)高度:天線有一個(gè)架設(shè)高度。這個(gè)高度實(shí)際上是兩個(gè)高度,一個(gè)高度我們考慮它的水平面高度,這個(gè)高度對(duì)于本地信號(hào)有些用,對(duì)于DX其實(shí)用處不大。第二個(gè)常常被忽略的高度是地面高度,是指天線到電氣地面的高度。比如架設(shè)在鋼筋水泥房頂?shù)奶炀€,雖然房子高有20米,但是天線距房頂只有1米,那么這付天線的高度只是1米。天線的高度對(duì)不同的天線有不同的影響,一般會(huì)影響天線的阻抗和仰角。通常我們認(rèn)為天線的地面高度應(yīng)在0.4個(gè)波長(zhǎng)以上,才比較不受地面的影響。

l駐波比:最后介紹這個(gè)最不被中國(guó)的愛(ài)好者熟悉的特征。駐波比反映了天饋系統(tǒng)的匹配情況。它是以天線作為發(fā)射天線時(shí)發(fā)射出去和反射回來(lái)的能量的比來(lái)衡量天線性能的。駐波比是由天饋系統(tǒng)的阻抗決定的。天線的阻抗與饋線的阻抗與接收機(jī)的阻抗一致,駐波比就小。駐波比高的天饋系統(tǒng),信號(hào)在饋線中的損失很大。
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