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什么叫天线?什么叫增益?什么叫地网?(有示意图)

 

天线是一种能量转换器,它的作用是将发信机输出的高频震荡信号转换为电磁波向空中辐射,另一方面,把从空中接受到的电磁波转变成高频震荡信号传输给收信机。

  天线的家族非常庞大,有很多天线是我们在生活中根本遇不到的,所以不用深究。但是作为业余无线电爱好者,我们还是应该了解一下我们身边常用的天线,在这篇文章中我们主要谈谈 GP 天线。

  GP 天线的

垂直天线辐射模型

有些时候,我们会听到关于天线的增益与方向性,下面的图就展示了当两段振子叠加后所产生的变化。可以看到:当两段振子叠加后,波瓣形状变得扁了一些,辐射的能量更集中于水平方向,这就形成了在水平方向上的增益,提高了天线的“效率”,现在市售的玻璃钢基地天线大多采用这种结构,也有很多朋友根据这个道理自制高增益天线。当然,要使天线产生增益并非只有这一种方法,在这里就不过多讨论了。

  
天线增益

了解了天线的辐射,我们再来看看 GP 天线的情况。

  GP 天线一般由同轴电缆馈电,内导体接振子,外导体接于“接地面”。“接地面”就是我们常说的“地网”。下图是典型的 GP 天线在接地面为无穷大时的辐射情况,电波基本沿水平方向辐射,这是理想的状态。

  
理想辐射状态

然而,在制造天线时,我们不可能把接地面做到无穷大,必须缩小到我们可以承受的范围,但是那样又造成了辐射方向的改变。下图就是当接地面的直径缩短到 4 倍波长时的情形:辐射的最大方向离开了接地面,向上倾斜。

  
辐射仰角

  下图:当接地面进一步缩小时,电波辐射的仰角可达 30 度左右。

  
辐射仰角1

为了使电波按照人们预想的方式进行辐射,人们想出了很多办法,来避免上面提到的情况。下图就是一个例子:将接地面的形状改为锥形,辐射方向得到了控制。

  
锥形天线


  不过这样做仍然比较麻烦,而且成本比较高,于是人们又想出了以下办法:用几根金属导体来代替实体的接地面,形成“地网”。下图中,绿色的倾斜物体就代表地网,最下面的橙色短柱支撑了天线振子。我们可以看到,这与市售的玻璃钢基地天线非常类似。

  
地网辐射模型

下图所示的就是我们最常见到的车载鞭状天线的模型。在用吸盘吸附于车顶后,虽然辐射方向仍有上仰,但是由于车体的金属板充当了“接地面”,辐射方向已经得到了很好的控制。

  
常用车载天线辐射模型


  在使用时,有的朋友用卡边将天线固定在车上,但是这时由于电场分布不均匀,会降低天线的效率。所以我认为:天线最好用吸盘吸附在车顶中央,这样有利于电场的平均分布,从而使得天线发挥出最大的效能。

  GP 天线除了上面说的玻璃钢基地天线和车载鞭状天线外,还有其他不同的形式。

  如:用半径为 1/4 波长的圆盘代替 1/4 波长的垂直振子,下面配合圆锥形接地面组成为盘锥天线(Kandoian),盘锥天线在相当大的频宽内,最大辐射方向总是沿水平方向的。

  又如:1938 年,George H. Brown 与 Jess Epstein & Robert Lewis 用四根 1/4 波长的导体代替实体接地面,形成类似于玻璃钢基地天线的形式。在这种形式的基础上,作为改进,在天线的馈电端并联一段 1/4 波长的短路同轴电缆,它不仅拓宽了阻抗频带,而且在发生雷电冲击波时保护传输线。

  另外,通常用于手持移动通讯设备的可伸缩鞭状天线(俗称拉杆天线)也是 GP 天线的一种,这中天线的好处是振子长度随时可变,可以工作在不同波段内。

  现在,越来越多的朋友加入 HAM 这个行列,领取了电台执照,并准备通过交验通联卡片升为三级。这时候,问题也来了:通联卡片上有“天线”(ANT)一栏,不知道怎么填写。其实关于这个问题我已经和很多朋友在频率上交流过,在这里再说明一下:玻璃钢基地天线、车载鞭状天线、手持移动通讯设备的鞭状天线这些最常见的天线都属于 GP 天线,如果您用的是这类天线,只要在“天线”一栏填上“GP”就可以,如果您用的是“八木-宇田”天线,就填写“YAGI”,如果您想告诉对方您使用的是 14 单元的“八木-宇田”天线,那么“14 ELE YAGI”才是正确的表示方法。
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天线的基本知识之二

1,VSWR(電壓駐波比)与回损的关系

1)天线工作原理及作用是什么?  

答:天线作为无线通信不可缺少的一部分,其基本功能是辐射和接收无线电波。发射时,把高频电流转换为电磁波;接收时,把电滋波转换为高频电流。 

2)天线有多少种类?  

答:天线品种繁多,主要有下列几种分类方式:  按用途可分为基地台天线(base station antenna)和移动台天线(mobile portable antennas)  按工作频段可划分为超长波、长波、中波、短波、超短波和微波;  按其方向可划分为全向和定向天线;  

3)如何选择天线? 

 答:天线作为通信系统的重要组成部分,其性能的好坏直接影响通信系统的指标,用户在选择天线时必须首先注重其性能。具体说有两个方面,第一选择天线类型;第二选择天线的电气性能。选择天线类型的意义是:所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求;选择天线电气性能的要求是:选择天线的频率带宽、增益、额定功率等电气指标是否符合系统设计要求。因此,用户在选择天线时最好向厂家联系咨询。  

4)什么是天线的增益?  

答:增益是天线的主要指标之一,它是方向系数与效率的乘积,是天线辐射或接收电波大小的表现。增益大小的选择取决于系统设计对电波覆盖区域的要求,简单地说,在同等条件下,增益越高,电波传播的距离越远,一般基地台天线采用高增益天线,移动台天线采用低增益天线。  

5)什么是电压驻波比?  

答:天线输入阻抗和馈线的特性阻抗不一致时,产生的反射波和入射波在馈线上叠加形成的磁波,其相邻电压的最大值和最小值之比是电压驻波比,它是检验馈线传输效率的依据,电压驻波比小于1.5,在工作频点的电压驻波比小于1.2,电压驻波比过大,将缩短通信距离,而且反射功率将返回发射机功放部分,容易烧坏功放管,影响通信系统正常工作。  电压驻波比 1.0 1.1 1.2 1.5 2.0 3.0   反射功率% 0 0.2 0.8 4.0 11.1 25.0   传输功率% 100 99.8 99.2 96 88.9 75.0   

6)什么是天线的方向性? 

 答:天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力,这就是天线的方向性。衡量天线方向性通常使用方向图,在水平面上,辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线,有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。全向天线由于其无方向性,所以多用在点对多点通信的中心台。定向天线由于具有最大辐射或接收方向,因此能量集中,增益相对全向天线要高,适合于远距离点对点通信,同时由于具有方向性,抗干扰能力比较强。  

7)如何理解天线的工作频带宽度? 

 答:天线的电参数一般都于工作频率有关,保证电参数指标容许的频率变化范围,即是天线的工作频带宽度。一般全向天线的工作带宽能达到工作频率范围的3-5%,定向天线的工作带宽能达到工作频率的5-10%。 

 (8)如何选取电缆及电缆长度?  

答:移动通信系统常使用特性阻抗为50欧的同轴电缆作为馈线。为了有效地把电波传输到天线接口,应尽量减小馈线的传输损耗。传输损耗取决于电缆的直径和长度,同一频率下电缆直径越大,损耗越小,电缆越长损耗越大,原则上,要求电缆的传输损耗不宜超过3分贝。下表列出常用电缆的衰减值(db/m),用户可根据自已情况,合理选择电缆型号及长度。  频率型号 150MHz 400MHz 900MHz   SYV-50-7 0.121 0.203 0.295   CTC-50-7 0.060 0.100 0.165   CTC-50-9 0.050 0.085 0.135   CTC-50-12 0.040 0.060 0.105   进口10D-FB 0.040 0.070 0.110   

9)如何选择天线安装地点?  

答:由于地形和环境的影响,天线接收到的电磁波是直射波、反射波及散射波的叠加,其结果决定了接收点处的场强幅度和相位,并直接影响天线的应用效果。因此,选择天线架设位置应注意以下几个方面:  1 天线的发射或接收方向应避开障碍物(楼房、铁塔、桥梁等);  2 天线架设地点应尽量远离干扰源(高压线、航线、铁塔、公路等);  3 天线应尽量架设在附近的制高点:  4 如有几付天线同在一个铁塔上工作,应特别注意它们之间的左右和上下的间距,以防相互耦合影响系统性能。  

10)天馈系统应如何安装?  

答:首先将天线、馈线和配套零部件按产品说明的要求组装好,然后在天线的支撑位置,用卡具固定于塔杆的天线支架上,并使天线与塔杆的平行间距大于使用波长,减少塔杆对天线性能的影响。在天线端口处,将馈电线用连接器(或称电缆头)与天线接好,弯一个直径约五十倍于馈电线直径的圆环固定于天线支架上,避免连接器部位直接受力而断线或损坏。  (11)天馈系统如何防水?  答:天线与馈电线主要是靠连接器连接,采用自粘性橡胶密封带,将其拉伸后,以半搭形式缠绕在接连器上,可起到良好的密封防水作用。另外,在馈电线进入室内处弯一个返水弯,可避免雨水沿馈电线进入室内设备。  (12)如何检测天馈系统?  答:天馈系统架设好后,应由专业技术人员使用专用检测仪器进行检测。通常可在发射机和天馈系统之间串接通过式功率计,检验设备发射机功率和反射功率的大小来判断系统工作是否正常。

2,OIP3,IIP3,IM3,P1db的关系

PinInput power

PoutOutput power

IM33rd order intermodulation product

IIP3Input 3rd order intercept point

OIP3Output 3rd order intercept point

各指标之间的数学关系如下。

Pout (dBm) = Pin (dBm) + G (dB)                   1

OIP3 (dBm) = IIP3 (dBm) + G (dB)                2

OIP3 (dBm) = Pout (dBm) +A/2 (dBc)              3

IIP3 (dBm) = Pin (dBm) +A/2 (dBc)                4

IM3 (dBm) = 3Pin (dBm) – 2IIP3 (dBm) + G (dB)

= 3Pout (dBm) – 2IIP3 (dBm) –2G (dB)

= 3Pout (dBm) – 2OIP3 (dBm)          5

3,噪声与接收灵敏度的关系                                      认为:手机的辐射灵敏度和天线是有关的,是有手机传导灵敏度\\天线性能\\手机辐射躁声共同决定的.首先,如果传导灵敏度不好,那辐射灵敏度肯定不好,这没有什么可争辩的.其次,如果天线效率和方向不好,照样辐射灵敏度会低.最后,如果传导灵敏度\\天线效率和方向图都不错,但是PCB在工作频段的噪声辐射太高,辐射灵敏度也会变差(这个时候往往天线的效率越高,辐射灵敏度越差,因为接受到的噪声会很高). 哪位大虾觉得有问题,我们探讨探讨...

4,终端负载为0,25,50,无穷大时的现象

终端我载是一种单口元件。常用的终端负载有两类,一类是匹配负载,一类是可变短路器。这些终端装置广泛地用于实验室,以测量微波元件的阻抗和散射参量。匹配负载是用来全部吸收入射波功率,保证传输系统的终端不产生反射的终端装置,它相当于终接特性阻抗的线。可变短路器是一种可调整的电抗性负载,是用来把入射波功率全部反射的终端装置。反射波的相位随短路器位置的变化而变化,因而,改变短路器的位置,相当于改变终端负载的电抗。

波导型匹配负载是嵌入波导中的有耗材料做成的一块渐变的尖劈或片,如图6-2-1所示。渐变片可以是1片也可以用多片。因为材料是有耗的,所以入射波功率被它吸收了。同时由于波是逐渐地进入有耗材料做成的尖劈中而避免了反射,因此,这种终端负载可以认为是一段有损耗的渐变传输线。实践表明,劈尖做得愈长,匹配性能愈好。一般劈长取为2~3波导波长。吸收体的形状和长度一般是由实验确定的。我们曾用国产材料(WXF-5型)做过实验,制成的终端匹配负载的性能优良,驻波系数可达到1.01以下。

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天线的特性

共振©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  FJ>U
任何天线都谐振在一定的频率上,我们要接收哪个频率的信号,就希望天线谐振在那个频率上。天线谐振是对天线最基本的要求,要不然,就没那么多讲究了,随便扔根线出去不也是天线嘛。 7i0O,{a
©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  F8Yvi;yLu
天线的谐振问题涉及到的主要数据是波长及其四分之一。计算波长的公式很简单,300/f。其中f的单位是MHz,而得到的结果的单位是米。1/4波长是称作基本振子,如偶极天线是一对基本振子,垂直天线是一根基本振子。 \?-nk|fy[0
©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  X SS|6ho
不过天线中的振子的长度并不正好是1/4波长,因为电波在导线中行进的速度与在真空中的不同,一般都要短一些,所以有一个缩短因子。这个因子取决于材料。 o 'n q?
©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  Kv,H
带宽©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  t>c)UES{e"
这也是一个重要但容易被忽略的问题。天线是有一定带宽的,这意味着虽然谐振频率是一个频率点,但是在这个频率点附近一定范围内,这付天线的性能都是差不多好的。这个范围就是带宽。 LJ/'
©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  .UV+4mP>
我们当然希望一付天线的带宽能覆盖一定的范围,最好是我们所收听的整个FM广播波段。要不然换个台还要换天线或者调天线也太麻烦了。 9B`R&\Wvr
©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  kVI/jd!
天线的带宽和天线的型式、结构、材料都有关系。一般来说,振子所用管、线越粗,带宽越宽;天线增益越高,带宽越窄。 <Y1}8mnw:8z
©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  \%*_&W@\
阻抗©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  wTrH,s
天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻抗的要求就是匹配:和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天线相连的是馈线,馈线的阻抗是确定的,所以我们希望天线的阻抗和馈线一样。一般生产的馈线,主要是300欧姆、75欧姆和50欧姆三种阻抗,国外过去还有450欧姆和600欧姆阻抗的馈线。 $-""K9
©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  U+XK!X~XZ
基本偶极天线的阻抗是75欧姆左右,V型偶极天线是50欧姆左右,基本垂直天线阻抗 50欧姆。其他天线一般阻抗都不是50或75欧姆,那么在把它们与馈线连接之前,需要有一定的手段来做阻抗变换。 ^qAH
©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  H@Pm*x)_t~)A
平衡©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  Ct&oI}
对称的天线是平衡的,如偶极天线、八木天线,而同轴电缆是不平衡的,把这两者连接起来,就需要解决平衡不平衡转换的问题。 CP9`pJ
增益©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  (J(9eq3z
天线是无源器件,但是天线是可以有增益的。这个增益当然是相对增益,是相对于基本偶极天线而言的。FM DX所用的天线,当然希望增益越高越好。不过别忘了,增益高往往伴随着带宽窄。 QkPT6&5D`0G
©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  }>u=!HG+
方向性s=29Bw
不是所有的天线都有方向性的。便携式收音机上的拉杆天线就没有方向性。偶极天线有弱的方向性,八木等定向天线可以得到较好的方向性。好的方向性意外着能够集中收集所需方向的电波,还有一个重要的能力就是能部分地减弱本地电台信号的影响。 e=Ta
但是定向天线并不是什么情况下都好。当没有目标而等待的时候,定向天线就有可能使你错过天线背面的信号。所以比较合理的方式,是用一个垂直天线和一付定向天线配合使用,用垂直天线等待,听到信号后,再用定向天线转过去对准了听。 "mR6)9oU
©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  x*&{hQIfG
仰角©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  W;a
天线的仰角是指电波的仰角,而并不是天线振子本身机械上的仰角。仰角反映了天线接收哪个高度角来的电波最强。对于F层传播,我们希望仰角低,可以传播地远,对于 Es层,电波主要是从高处来,我们希望仰角高。 u)!,4
仰角的高低取决于天线型式和架设高度。一般来说,垂直天线具有低仰角,其他天线的仰角随架设高度变化。 VJu!.nu[m
©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  !;Jw}M[COemK
架设高度P$ru9'hT#
天线有一个架设高度。这个高度实际上是两个高度,一个高度我们考虑它的水平面高度,这个高度对于本地信号有些用,对于DX其实用处不大。第二个常常被忽略的高度是地面高度,是指天线到电气地面的高度。比如架设在钢筋水泥房顶的天线,虽然房子高有20米,但是天线距房顶只有1米,那么这付天线的高度只是1米。 fy]AxO2
天线的高度对不同的天线有不同的影响,一般会影响天线的阻抗和仰角。通常我们认为天线的地面高度应在0.4个波长以上,才比较不受地面的影响。 hSzVOX6d
©『 中国业余无线电 』 -- 『 中国业余无线电 』  O@G@
驻波比f0^;U/Ym
最后介绍这个最不被中国的爱好者熟悉的特征。 h;/3
驻波比反映了天馈系统的匹配情况。它是以天线作为发射天线时发射出去和反射回来的能量的比来衡量天线性能的。驻波比是由天馈系统的阻抗决定的。天线的阻抗与馈线的阻抗与接收机的阻抗一致,驻波比就小。驻波比高的天馈系统,信号在馈线中的损失很大.

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