天線基礎(chǔ)知識：增益、發(fā)射（仰）角、天線陣

時間：2022-07-06　來源：未知　作者：雨神　點擊：次

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一、關(guān)于增益

電波是一種能量，根據(jù)能量守恒定律，高增益天線并不是把電波的總能量增強了，而是把電波集中到較窄的某一空間，在該空間的電波密度得到加強。低增益天線把電波散射到較廣的空間。

最合適的比喻就是手電筒，天線相當(dāng)與手電筒的反射鏡，調(diào)整手電筒反射鏡，可能讓光線聚焦在一個較小的點上，你會發(fā)現(xiàn)被照射的這個點很亮，但周邊比較暗，適合看較遠物品，視野窄；把手電筒調(diào)到散光狀態(tài)，周邊光線強度都比較平均，適合看近距離物品，視野廣。

光波能量守恒，在同一條件下，手電筒的反射鏡并沒有改變燈泡的自身的發(fā)光亮度。

電波的也一樣，天線并沒有改變發(fā)射機的功率，更加沒有放大發(fā)射機的功率。

二、關(guān)于發(fā)射（仰）角

1、短波

天線的發(fā)射角主要包括水平發(fā)射角和垂直發(fā)射角，在這一小節(jié)，我們只討論水平發(fā)射角（也就是我們短波通信中常叫的“發(fā)射仰角”）。

短波通聯(lián)，要玩的痛快，就必須掌握發(fā)射仰角與波瓣一些常識，樓主已經(jīng)分析的很透徹，在這里用通俗的方式描述一下，天線發(fā)射仰角越小，通過電離層一次發(fā)射跳躍的距離越遠，適合遠距離通信，一般情況下，發(fā)射仰角小于30度的天線適合遠距離DX通信，如高架設(shè)的多單元短波八木天線，但近距離通信會出現(xiàn)盲區(qū)，這類天線不適合國內(nèi)（省內(nèi)）通聯(lián)。

我們會發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)通聯(lián)，高發(fā)射仰角的倒V天線，綜合效果往往會比高增益的八木天線效果好，斜拉天線仰角更大，通常500公里以內(nèi)的短波無盲區(qū)通信會使用。

我的個人經(jīng)驗：發(fā)射仰角的30-60度的適合國內(nèi)中短距離通聯(lián)，發(fā)射仰角的小于30度的適合遠距離DX，發(fā)射仰角的小于20度的，適合獵奇，如南美東岸。

天線架設(shè)高度與發(fā)射仰角（增益）有很大關(guān)系，默認情況，天線的設(shè)計增益參考高度都是1/2波長高度，比如，一個設(shè)計發(fā)射仰角為25度（增益為12dbi）的對數(shù)周期短波天線，如果架設(shè)高度只有1/4波長高度，發(fā)射仰角可能會變成40度，增益也會降到大概9dbi；如果架設(shè)高度達到1個波長高度，發(fā)射仰角可能會變成小于20度，增益也會增加到13dbi以上。

條件好的比賽基地，通常會使用可升降塔來安裝定向天線，這樣不單是因為防風(fēng)的問題，更主要因數(shù)是參賽者可以按照通聯(lián)的目的地距離，升降天線高度，來改變天線增益和發(fā)射仰角，達到通聯(lián)不同地區(qū)的目的。

關(guān)于波瓣，樓主說的非常清晰了，通常，短波天線的架設(shè)高度和波瓣數(shù)量有很大關(guān)系，架設(shè)高度大于1/2波長時，波瓣會增加，大于1個波長時，波瓣會變的尖銳，多個尖銳波瓣對于DX主叫是一件好事，通常會有很好的收獲，灘主很容易就做成了，這種方式我們通常笑話是“對多個特定地區(qū)播種”。

多波瓣分為水平多波瓣和垂直多波瓣，這里就不再深入了。

2、超短波（U/V段）

在U/V段，通常采用垂直極化方式，視距傳播，發(fā)射角一般有兩個含義，一是水平發(fā)射角、一個是垂直發(fā)射角。

全方向的GP天線垂直發(fā)射角是360度，水平發(fā)射角因為增益不同而不同，增益越大，水平發(fā)射角越小，假如是一個增益10dbi的玻璃鋼天線，水平發(fā)射角大約是25度，U/V段GP天線主要通過改變水平方向上的電波密度，實現(xiàn)改變增益。

對數(shù)周期天線具有較強的方向性，垂直發(fā)射角跟對數(shù)周期天線的單元數(shù)目關(guān)系最大，水平發(fā)射角次之，一個12單元的U段八木，垂直發(fā)射角發(fā)射角大約是30度，水平發(fā)射角35度，U/V段對數(shù)周期天線主要通過改變垂直方向上的電波密度，實現(xiàn)改變增益。

對于使用U/V段中繼，了解垂直發(fā)射角與水平發(fā)射角非常有必要。

架設(shè)在城市高樓的中繼臺，為了確保中短距離的中繼效果，一般會選擇較低增益的玻璃鋼天線（約6DBI），因為低增益GP天線的水平發(fā)射角較大，減少了近距離中繼盲區(qū)。

一般高山中繼會采用高增益玻璃鋼天線（大于10DBI），較小的水平發(fā)射角，滿足了中遠距離的中繼通信需要。

對于使用中繼的電臺，天線的選型也一樣，經(jīng)常在中繼臺5公里范圍內(nèi)上中繼的電臺，盡量使用低增益，較大水平發(fā)射角的天線，如果使用高增益GP天線，會出現(xiàn)中繼覆蓋盲區(qū)，效果反而會變差。對于經(jīng)常使用30公里以上遠程中繼的電臺，建議使用高增益的天線。

三、關(guān)于天線陣

先來看看天線陣的幾種組陣方法：

1、等幅并行饋電組陣：

用于同一指向、同一結(jié)構(gòu)的天線組陣，各單元天線輸出的功率相同、相位相同，同方向的增益加大，這是我們業(yè)余無線電常用的組陣方法。

2、中央串行饋電組陣：

用于同一結(jié)構(gòu)的天線組陣，各單元天線的功率和相位對應(yīng)，用于分解承受大功率，如電視發(fā)射塔天線、雷達天線等。

3、總線饋電組陣：

用于多個方向天線組陣，各單元天線的功率和相位不同，可以根據(jù)控制系統(tǒng)進行分配。

再來看看我們生活應(yīng)用最廣的天線陣：

1、電視信號接收天線陣：

我們要接收不同方向電視發(fā)射站的信號，往往需要多個不同方向的八木天線接收，通過合路器連接到電視機，往往還包括VHF、UHF不同頻率的天線進行合路，最典型的案例就是在深圳了，周遍各方向有數(shù)十個電視發(fā)射站信號，包括深圳、香港、珠三角等地。

在我們工作室，要接收時下最流行的地面數(shù)字高請電視，我使用三個八木天線進行合路，一個7單元水平極化八木天線接收深圳臺節(jié)目（正東方向，706MHZ）；用了一個5單元垂直極化八木天線接收央視高清節(jié)目（正東方向，786MHZ，真不明白電視臺采用垂直極化發(fā)射的目的，估計不想太多人看到，影響有線電視的生意）；用了一個3單元4陣列的水平極化八木陣（同方向中央串行饋電組陣）用于接收香港高清信號（東南方向，586、602、650MHZ）。三個天線合路到一個數(shù)字接收機，苦難重重，兩個或三個天線可能同時接收到同一發(fā)射站信號，出現(xiàn)信號抵消想象，采用了物理隔離辦法（阻擋非接收方向）、濾波隔離（只允許某一頻率通過），終于把能收到的22個地面無線高清節(jié)目通過一根饋線全部拿下。

這個小試驗，是一個大的“總線饋電”天線陣中還包括了一個“串行饋電”子天線陣，可以看出采用“總線饋電組陣”的難度比較大，影響因數(shù)比較復(fù)雜。

2、蜂窩移動電話天線陣：

蜂窩移動是貝爾實驗最偉大的發(fā)明，改變了整個世界的生活方式，蜂窩移動電話系統(tǒng)的核心之一就是數(shù)字控制天線陣，整個蜂窩系統(tǒng)其實就是一個龐大的數(shù)以萬計的蜂窩天線陣，這是一項非常成熟的應(yīng)用技術(shù)，在這里，我們只簡單解剖一下單個基站天線陣的情況。

現(xiàn)在的蜂窩移動基站一般由多個天線組成，每個天線有一定的發(fā)射角，有低容量的120度3天線陣基站，也有高容量的60度6天線陣基站，甚至更多的，等等。360度多天線系統(tǒng)，主要功能有二，一是解決數(shù)據(jù)通信用戶容量問題，二是解決了天線增益與信噪比問題，我們來看看用戶位置與基站天線的選擇，系統(tǒng)是通過計算機軟件控制，根據(jù)用戶到基站各天線之間的信號強度，電子合路切換，選擇所需的天線。

蜂窩移動的天線陣技術(shù)雖然很成熟，但要在我們業(yè)余無線電里應(yīng)用，難度還是非常大，假如我們想做一套4個或六個方向的360度覆蓋的八木陣，通過計算機，根據(jù)來源信號強度來控制所需的收發(fā)天線，需要投入資金不是一般個人能承受的。

問題1：用兩個4單元八木組成天線陣,指向一個方向。

技術(shù)上完全可行，減去功分合路器等中間環(huán)節(jié)的損耗，會增加大約3dbi的增益，同時發(fā)射角變小，波瓣變尖。相對來說能通到的更遠的電臺，除此之外，也會帶來很多的副作用：一是帶寬減小，二是SWR增大，三是阻抗匹配難度增加，四是需要更精準的轉(zhuǎn)向器。

算了一下這筆帳，還不如做一個6單元八木天線來的直接，效果和這個陣列相當(dāng)，但輕松多了。

以下這些情況使用這種方式，成本很合算：一是八木天線到達一定的單元極限，電性能和物理性能都不允許增加單元了，二是高波段的八木，如6米波、2米波等，陣列難度和成本都很低；三是高帶寬的對數(shù)周期天線，14-30MHZ對數(shù)周期天線要增加3dbi增益，需要增加約2.5倍的材料，而且主梁會過長，物理性能無法保障，所以做成陣列的成本更低。

問題2：用兩個4單元八木沖著不同的方向,但是使用一個轉(zhuǎn)向機。

這個問題有點復(fù)雜了，在回答這個問題之前，我在上面舉了兩個例子，電視接收天線陣和蜂窩移動天線陣，要實現(xiàn)不同方向的天線陣合路功分控制，會帶來很多的副面影響，只有蜂窩移動通過數(shù)字控制技術(shù)真正解決了這個問題，我們業(yè)余無線電不建議采用這方式，除非你有海量的資金或龐大技術(shù)力量，研發(fā)出強大的信號分配控制系統(tǒng)。

不過，假如我有兩個你那樣的八木，嘗試一下也不壞。

問題3：想在比賽中通過調(diào)整天線系統(tǒng)來加強20米波段的成績。

這個問題變得簡單了，作為比賽電臺，最有效的辦法是配置一個10至40米電動可升降鐵塔，根據(jù)通聯(lián)目的地需求，調(diào)整鐵塔高度，改變天線增益和仰角，鐵塔就是一個天線增益調(diào)整器，非常湊效。

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