天線手冊(Antenna Handbook)

天線手冊(Antenna Handbook)

天線基本概念

天線是FM DX的耳朵，微弱的電波從天線經(jīng)過饋線進(jìn)入接收機(jī)，才能讓我們聽到遠(yuǎn)方電臺的聲音。一個接收系統(tǒng)的好壞，天線占了一半。我們希望天線能有高的增益，把微弱的信號變得響亮，我們希望天線能有一定的選擇能力，把傳呼臺干擾和本地強臺擋在外面，我們希望天饋系統(tǒng)盡量減小損耗，把每一微伏的信號都送到接收機(jī)的前端。
對于大多數(shù)使用便攜式收音機(jī)來收聽FM DX的人說，他們的天線也許只是收音機(jī)上的拉桿天線，這樣的天線雖然簡單方便，但是對于FM DX來說，無論如何是不夠的，盡管拜電離層的恩賜，這樣的天線系統(tǒng)也不是沒有可能接收到DX信號。
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?。我會逐一制作這些天線，將制作的過程拍成照片，并給出盡可能詳細(xì)的尺寸數(shù)據(jù)。盡管我在制作過程中會動用天線分析儀甚至是綜合測試儀等設(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、尺寸總不會錯。

天線電波

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，在考慮天線的問題之前，絕對有必要先研究一下電波的問題。FM廣播波段，頻率上是從87.5MHz到108MHz，對應(yīng)的波長是3.4米到2.7米，一般稱做3米波段，是VHF（Very High Frequency）的一段。這個波段以下，54MHz到87.5MHz是電視廣播波段，以上，108MHz到136MHz是航空通訊波段。VHF波段的電波傳播，主要有三種途徑：

天線直接波

這是指從發(fā)射天線到接收天線之間，不經(jīng)過任何發(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)。這有兩個原因，首先是電波從發(fā)射點出發(fā)，其能量是以冪級數(shù)遞減的，而接收機(jī)要能良好地解調(diào)出廣播，需要一定的信號強度。所以太遠(yuǎn)的地方，信號太弱，不足以解調(diào)。如果只是這個原因，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，還有一個重要的問題是，地球是圓的，在地球上任何一點發(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。主要是由于第二個原因，一般地講，地面上一個發(fā)射臺發(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，實際上，由于山脈、丘陵、房屋的阻擋、反射，這個距離還要大打折扣，一般可以估計的距離是35km。

電離層發(fā)射波

這是指電波通過電離層的發(fā)射達(dá)到接收方。這里面的名堂很多。電離層本身是有多個層次的，支持短波（1.8MHz到30MHz）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線電波，它們能反射的最高頻率是有限的，超過這個頻率的電波完全得不到反射，而是穿過電離層射向太空。如果沒有這個特性，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。這個最高頻率叫作MUF（Max Usable Frequency）。 MUF與很多因素有關(guān)，主要是和太陽黑子活躍程度以及季節(jié)有關(guān)。太陽黑子活躍，MUF就高，天氣熱，MUF也高。MUF最高能高到多少呢？一般在太陽黑子活躍期的夏天，MUF在20MHz到 40MHz之間，很少超過50MHz。在低的時候甚至?xí)偷?0MHz以下。但是在太陽黑子異常活躍的時候，MUF也有可能偶然達(dá)到100MHz。這時候，就有可能通過F層發(fā)射收到DX FM了。但是這不是FM DX的主要形式，F(xiàn)M DX主要是通過另外一個電離層E層。本來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)，卻會形成一個短期內(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層開通的時候，DX電臺的信號會異常地強。在6米和10米業(yè)余波段工作的業(yè)余電臺都知道， Es層開通的時候，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。由于信號很強，其實很多時候并不需要很好的設(shè)備就可以接收，需要的是耐心和運氣。除了這兩種反射，F(xiàn)M DX還有可能通過對流層反射和流星余跡到達(dá)你的接收機(jī)。

地波和大氣波導(dǎo)

本來來說，理論上VHF是不存在地波的。但是無數(shù)的實踐表明，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左右電臺的信號。江蘇和安徽兩省的業(yè)余電臺，每年國慶的時候都進(jìn)行全省VHF移動通訊實驗，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是以什么方式來的呢？一般來說，如果收到的信號來自70km以內(nèi)的電臺，基本上可以認(rèn)為是直接波；如果是 200km以內(nèi)，而且信號穩(wěn)定（不一定強），那么大概是地波；如果是800km以內(nèi)，信號很強，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天線的要求。比如，F(xiàn)層的傳播有一個特點是越距，大約500km以內(nèi)的電臺是不可能通過F層的傳播來的，這個距離內(nèi)的電臺信號只能以Es層來。就象在杭州想要接收***的FM電臺信號，只能PNP（Plug and pray），等 Es層，那么天線就要考慮適合Es層的特點。
還有一個很重要的因素是極化方式，這是很容易被很多愛好者忽略的問題。電波的極化方式有三種：水平極化、垂直極化和圓極化。不管理論上怎么計算，簡單的判斷方法，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，是因為要求發(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，會有10dB到20dB的損失?？墒?，經(jīng)過電離層的反射過來的電波，早就被反射得七葷八素、顛三倒四，說不定是什么極化方式了。所以，接收DX信號，其實垂直極化也不錯，附帶的一個好處，就是可以削弱本地電臺的影響。

天線的特性

天線共振

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

天線帶寬

這也是一個重要但容易被忽略的問題。天線是有一定帶寬的，這意味著雖然諧振頻率是一個頻率點，但是在這個頻率點附近一定范圍內(nèi)，這付天線的性能都是差不多好的。這個范圍就是帶寬。
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FM廣播波段。要不然換個臺還要換天線或者調(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。一般來說，振子所用管、線越粗，帶寬越寬；天線增益越高，帶寬越窄。

天線阻抗

天線可以看做是一個諧振回路。一個諧振回路當(dāng)然有其阻抗。我們對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，國外過去還有450歐姆和600歐姆阻抗的 饋線。
基本偶極天線的阻抗是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做阻抗變換。
天線平衡
對稱的天線是平衡的，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，就需要解決平衡不平衡轉(zhuǎn)換的問題。

天線增益

天線是無源器件，但是天線是可以有增益的。這個增益當(dāng)然是相對增益，是相對于基本偶極天線而言的。FM DX所用的天線，當(dāng)然希望增益越高越好。不過別忘了，增益高往往伴隨著帶寬窄。
天線方向性
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，還有一個重要的能力就是能部分地減弱本地電臺信號的影響。
但是定向天線并不是什么情況下都好。當(dāng)沒有目標(biāo)而等待的時候，定向天線就有可能使你錯過天線背面的信號。所以比較合理的方式，是用一個垂直天線和一付定向天線配合使用，用垂直天線等待，聽到信號后，再用定向天線轉(zhuǎn)過去對準(zhǔn)了聽。
天線仰角
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高度角來的電波最強。對于F層傳播，我們希望仰角低，可以傳播地遠(yuǎn)，對于 Es層，電波主要是從高處來，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。一般來說，垂直天線具有低仰角，其他天線的仰角隨架設(shè)高度變化。

天線架設(shè)高度

天線有一個架設(shè)高度。這個高度實際上是兩個高度，一個高度我們考慮它的水平面高度，這個高度對于本地信號有些用，對于DX其實用處不大。第二個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。
天線的高度對不同的天線有不同的影響，一般會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個波長以上，才比較不受地面的影響。
天線駐波比
最后介紹這個最不被中國的愛好者熟悉的特征。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)射天線時發(fā)射出去和反射回來的能量的比來衡量天線性能的。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)，信號在饋線中的損失很大。