频率范围天线适用的最高及最小频率

张衍波

频率范围天线适用的最高及最小频率。

增益
增益是用来表示天线集中辐射的程度。天线在某一方向的增益定义为：在相同的输入功率下，天线在某一方向某一位置产生的电场强度的平方（E2）与无耗理想点源天线在同一方向同一位置产生的电场强度的平方（E02）的比值，通常以G表示。
    G=E2/E02（同一输入功率）
  同样，增益也可以这样来确定：在某一方向向某一位置产生相同电场强度的条件下，无耗理想点源天线的输入功率（Pino）与天线的输入功率（Pin）的比值，即称为该天线在该点方向的增益。
    G=Pino/Pin（同一电场强度）
  通常是以天线在最大辐射方向的增益作为这一天线的增益。增益通常用分贝表示。即：G=101gPino/Pin天线增益的计算：G=η4πS/λ2=η（π/λ）2D2式中，S-天线口径面积（平方米）；λ-工作波长（米）；D-抛物面口径（即面口直径）（米）；η-天线效率。

方向图如果反天线在各方向辐射击的强度用从原点出发的矢量长短来表示，则连接全部矢量端点所形成的包络就是天线的方向图。它显示出天线的在不同方向辐射的相对大小，这种方向图称为立体方向图。矢径的方向代表辐射的方向，矢径的长短代表辐射击的强度。方向图包含有许多波瓣，其中包含最大辐射方向的波瓣称为主瓣。其它依次称为第一副瓣，第二副瓣等。
主瓣宽度 定义为在方向图上增益相对于最高增益下降3分贝的宽度，单位为度（弧度）。
副瓣电平 副瓣的最大值相对主瓣最大值的比，称为副瓣电平，一般用分贝来表示，其定义为：

101g（副瓣最大值功率/主瓣最大值功率）

如：副瓣最大值与主瓣最大值相应功率之比为0.01,则副瓣电平为-20dB。
天线噪声温度进入天线的噪声主要来银河系的宇宙噪声和来自大地、大气的热噪声。不同口径的天线、不同频段、不同仰角和不同环境，天线的噪声都不相同。在C波段，宇宙噪声很小，主要是大地和大气的热噪声。在Ku波段，这些噪声也随着频率而增加。 同一仰角时，天线尺寸越大波束越窄，因此天线的噪声温度TA（K）越小，不 过随着仰角加大，这种差别变小。而同一天线尺寸时，天线仰角Φ越大，天线的噪声温度TA（K）越低，反之Φ越小，TA越高。这是因为仰角Φ越小，信号穿过大气层厚度越大，从而气象噪声、大气噪声越强。
电压驻波比回波损耗效率（η）输入到天线的射频功率，由于天线系统中的热损耗、介质损耗、感应损耗（悬挂天线的设备及大地的感应损耗）而消耗一部分，因此不能全部变为电磁波辐射出去。天线效率表示天线是否有效的转换能量，是天线重要参数之一，发射天线的效率η是指真正射出去的功率Pr 与输入到天线的总功率Pin（辐射功率Pr与天线损耗功率Ps的和）之比，即：
        η=Pr/Pin= Pr/（Pr+Ps）
上式还可以用天线输入端的辐射电阻Rro和损耗电阻Rs表示。即：
η=I×Rro/（I×Rro+ I×RS）= Rro/（Rro+ RS）
可见，要提高天线辐射效率，应设法提高辐射电阻，尽可能降低损耗电阻。从上面算式中很明显的看出，天线效率总是小于1。
功率容量 天线发射所能承受的最大射频功率，单位：瓦 W
极化方式 电磁波的极化形式可分为线极化波和圆极化波，线极化波又可分为水平极化和垂直极化波，圆极化波根据电场旋转方向不同又可分为左旋和右旋圆极化波。
输入特性阻抗 天线输入端的特性阻抗，单位：欧姆，Ω
轴向交叉极化隔离 不同极化的接收隔离，单位：分贝，dB
输入接头防雷措施
电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio)
回波损耗（Return Loss）电压驻波比用来表述端口的匹配性能的。同一性能还可用回波损耗来表述。这两个指标定义如下，
电压驻波比：
    VSWR=(1+|r|)/(1-|r|)   r ：为发射系数 =ZL-Z0/ZL+Z0  ZL为输入阻抗，Z0为理想阻抗
回波损耗：
    RL=10log(入射功率/反射功率）

电压驻波比（VSWR）是射频技术中最常用的参数，用来衡量部件之间的匹配是否良好。当业余无线电爱好者进行联络时，当然首先会想到测量一下天线系统的驻波比是否接近1:1，     如果接近1:1，当然好。常常听到这样的问题：但如果不能达到1，会怎样呢？驻波比小到几，天线才算合格？为什么大小81这类老式的军用电台上没有驻波表？

VSWR及标称阻抗
    发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的缱璺至肯嗤?⒏锌共糠只ハ嗟窒?Ｈ绻?⑸浠?淖杩共煌???筇煜叩淖杩挂膊煌?Ｔ诘缱庸苁贝??环矫娴缱庸鼙臼涑鲎杩垢撸?硪环矫娴妥杩沟耐?岬缋禄姑挥械玫酵乒悖?餍械氖翘匦宰杩刮?赴倥返钠叫欣∠撸?虼朔⑸浠?氖涑鲎杩苟辔?赴倥纺贰６?执?唐饭烫?尴叩缤ㄐ呕?奶煜弑瓿谱杩乖蚨辔?0欧姆，因此商品VSWR表也是按50欧姆设计标度的。
    如果你拥有一台输出阻抗为600欧姆的老电台，那就大可不必费心血用50欧姆的VSWR计来修理你的天线，因为那样反而帮倒忙。只要设法调到你的天线电流最大就可以了。
VSWR不是1时，比较VSWR的值没有意义


    正因为VSWR除了1以外的数值不值得那么精确地认定（除非有特殊需要），所以多数VSWR表并没有象电压表、电阻表那样认真标定，甚至很少有VSWR给出它的误差等级数据。由于表内射频耦合元件的相频特性和二极管非线性的影响，多数VSWR表在不同频率、不同功率下的误差并不均匀。
VSWR都＝1不等于都是好天线  

影响天线效果的最重要因素：谐振  
    让我们用弦乐器的弦来加以说明。无论是提琴还是古筝，它的每一根弦在特定的长度和张力下，都会有自己的固有频率。当弦以固有频率振动时，两端被固定不能移动，但振动方向的张力最大。中间摆动最大，但振动张力最松弛。这相当于自由谐振的总长度为1/2波长的天线，两端没有电流（电流波谷）而电压幅度最大（电压波腹），中间电流最大（电流波腹）而相邻两点的电压最小（电压波谷）。
    我们要使这根弦发出最强的声音，一是所要的声音只能是弦的固有频率，二是驱动点的张力与摆幅之比要恰当，即驱动源要和弦上驱动点的阻抗相匹配。具体表现就是拉弦的琴弓或者弹拨的手指要选在弦的适当位置上。我们在实际中不难发现，拉弓或者拨弦位置错误会影响弦的发声强度，但稍有不当还不至于影响太多，而要发出与琴弦固有频率不同的声响却是十分困难的，此时弦上各点的振动状态十分复杂、混乱，即使振动起来，各点对空气的推动不是齐心合力的，发声效率很低。
    天线也是同样，要使天线发射的电磁场最强，一是发射频率必须和天线的固有频率相同，二是驱动点要选在天线的适当位置。如果驱动点不恰当而天线与信号频率谐振，效果会略受影响，但是如果天线与信号频率不谐振，则发射效率会大打折扣。
    所以，在天线匹配需要做到的两点中，谐振是最关键的因素。
    在早期的发信机，例如本期介绍的71型报话机中，天线电路只用串联电感、电容的办法取得与工作频率的严格谐振，而进一步的阻抗配合是由线圈之间的固定耦合确定死的，在不同频率下未必真正达到阻抗的严格匹配，但是实际效果证明只要谐振就足以好好工作了。
    因此在没有条件做到VSWR绝对为1时，业余电台天线最重要的调整是使整个天线电路与工作频率谐振。

天线的驻波比和天线系统的驻波比
    天线的VSWR需要在天线的馈电端测量。但天线馈电点常常高悬在空中，我们只能在天线电缆的下端测量VSWR，这样测量的是包括电缆的整个天线系统的VSWR。当天线本身的阻抗确实为50欧姆纯电阻、电缆的特性阻抗也确实是50欧姆时，测出的结果是正确的。
    当天线阻抗不是50欧姆时而电缆为50欧姆时，测出的VSWR值会严重受到天线长度的影响，只有当电缆的电器长对积好为波长的整倍数时、而且电缆损耗可以忽略不计时，电缆下端呈现的阻抗正好和天线的阻抗完全一样。但即便电缆长度是整倍波长，但电缆有损耗，例如电缆较细、电缆的电气长度达到波长的几十倍以上，那么电缆下端测出的VSWR还是会比天线的实际VSWR低。
    所以，测量VSWR时，尤其在UHF以上频段，不要忽略电缆的影响。
不对称天线
    我们知道偶极天线每臂电气长度应为1/4波长。那么如果两臂长度不同，它的谐振波长如何计算？是否会出现两个谐振点？
    如果想清了上述琴弦的例子，答案就清楚了。系统总长度不足3/4波长的偶极天线（或者以地球、地网为镜象的单臂天线）只有一个谐振频率，取决于两臂的总长度。两臂对称，相当于在阻抗最低点加以驱动，得到的是最低的阻抗。两臂长度不等，相当于把弓子偏近琴马拉弦，费的力不同，驱动点的阻抗比较高一些，但是谐振频率仍旧是一个，由两臂的总长度决定。如果偏到极端，一臂加长到1/2波长而另一臂缩短到0，驱动点阻抗增大到几乎无穷大，则成为端馈天线，称为无线电发展早期用在汽艇上的齐柏林天线和现代的1/2波长R7000垂直天线，当然这时必须增加必要的匹配电路才能连接到50欧姆的低阻抗发射机上。
    偶极天线两臂不对称，或者两臂周围导电物体的影响不对称，会使谐振时的阻抗变高。但只要总电气长度保持1/2波长，不对称不是十分严重，那么虽然特性阻抗会变高，一定程度上影响VSWR，但是实际发射效果还不至于有十分明显的恶化。
QRPer不必苛求VSWR
    当VSWR过高时，主要是天线系统不谐振时，因而阻抗存在很大电抗分量时，发射机末级器件可能需要承受较大的瞬间过电压。早期技术不很成熟时，高VSWR容易造成射频末级功率器件的损坏。因此，将VSWR控制在较低的数值，例如3以内，是必要的。
    现在有些设备具有比较完备的高VSWR保护，当在线测量到的VSWR过高时，会自动降低驱动功率，所以烧末级的危险比20年以前降低了很多。但是仍然不要大意。
    不过对于QRP玩家讲来，末级功率有时小到几乎没有烧末级的可能性。移动运用时要将便携的临时天线调到VSWR＝1却因为环境的变幻而要绞尽脑汁。这时不必太丧气。1988－1989年笔者为BY1PK试验4W的CW/QRP，使用长度不足1.5米的三楼窗帘铁丝和长度为1.5米左右的塑料线做馈线，用串并电容的办法调到天线电流最大，测得VSWR为无穷大，却也联到了JA、VK、U9、OH等电台。后来做了一个小天调，把VSWR调到1，但对比试验中远方友台报告说，VSWR的极大变化并没有给信号带来什么改进，好像信号还变弱了些，可能本来就微弱的信号被天调的损耗又吃掉了一些吧。
    总之，VSWR道理多多。既然有了业余电台，总是免不了和VSWR打交道，不妨多观察、积累、交流各自的心得吧。
    天线系统和输出阻抗为50欧的发信机的匹配条件是天线系统阻抗为50欧纯电阻。要满足这个条件，需要做到两点：第一，天线电路与工作频率谐振（否则天线阻抗就不是纯电阻）；第二，选择适当的馈电点。    一些国外杂志文章在介绍天线时经常给出VSWR的曲线。有时会因此产生一种错觉，只要VSWR＝1，总会是好天线。其实，VSWR＝1只能说明发射机的能量可以有效地传输到天线系统。但是这些能量是否能有效地辐射到空间，那是另一个问题。一副按理论长度作制作的偶极天线，和一副长度只有1/20的缩短型天线，只要采取适当措施，它们都可能做到VSWR＝1，但发射效果肯定大相径庭，不能同曰而语。做为极端例子，一个50欧姆的电阻，它的VSWR十分理想地等于1，但是它的发射效率是0。     而如果VSWR不等于1，譬如说等于4，那么可能性会有很多：天线感性失谐，天线容性失谐，天线谐振但是馈电点不对，等等。在阻抗园图上，每一个VSWR数值都是一个园，拥有无穷多个点。也就是说，VSWR数值相同时，天线系统的状态有很多种可能性，因此两根天线之间仅用VSWR数值来做简单的互相比较没有太严格的意义。    天线VSWR＝1说明天线系统和发信机满足匹配条件，发信机的能量可以最有效地输送到天线上，匹配的情况只有这一种。    本文不打算重复很多无线电技术书籍中关于电压驻波比的理论叙述，只是想从感性认识的层面谈几个实用问题。