《个人业余无线电台操作证书》考试参考系列资料 业余无线电台的天线

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发射电磁波所用的导线,在无线电通信中一般叫做“发信天线”。

高频电磁波在空中传播,如遇着导体,就会发生感应作用,在导体内产生高频电流,使我们可以用导线接收来自远处的无线电信号。接收电磁波所用的导线,一般叫做“收信天线”。

任何导线都可以作为发信天线和收信天线。高频电子设备中每一段导线都可能向外发射电磁波,使得人们不得不花费很多力气把设备各部分用金属罩“屏蔽”起来,以免它们成为有害的电磁干扰源。灵敏的收信机中每一段导线都可能拾取空中的各种电磁波,也需要采取种种屏蔽措施把它们隔离起来,以免这些不应有的“天线”接收到干扰信号,影响正常工作。不同形状、尺寸的导线在发射和接收某一频率的无线电信号时,效率相差很多,因此要取得理想的通信效果,必须采用适当的天线才行。

天线影响无线电通信效果的主要因素有极化方向、方向特性、阻抗匹配、辐射效率和频带宽度等。

所谓极化方向,就是天线电场的方向。当高频电流通过天线时,会在天线上产生高频电压,形成高频电场,这个电场的方向一般是和天线的走向一致的。如果天线是沿水平方向架设的导线,产生的电场也是水平方向的,我们叫它“水平极化”天线。如果天线是垂直于地面的导线,产生的电场也是垂直的,我们叫它“垂直极化”天线。只有收信天线的极化方向与所接收电磁波的极化方向一致,才能感应出最大的信号来,见图1。电视发信天线是水平极化天线,发射出水平极化波,所以电视收信天线多为水平极化天线。超短波移动通信常使用垂直极化波,所以通信双方多同时采用垂直极化天线。在实际条件下,电磁波传播途中遇到反射折射,会引起极化方向偏转,有时一个信号既可被水平极化天线接收,又可被垂直极化天线接收,但无论如何,天线的极化方向常常是需要考虑的重要因素。在空间通信中,例如地面业余电台与空中业余卫星的通信,由于空间站远离地面,有时还处于自旋状态,很难再用“水平”和“垂直”来描述其极化方向,而且也不易做到地面站与空间站的天线依靠机械方法保持极化方向的一致性。为保证不会因极化方向错开而失去联络,空间通信常采用“圆极化”天线或者称“旋转场”天线,就是采用特殊的措施使发信天线发出的电磁波的极化方向随着时间而作快速的旋转,这样既含有水平极化分量,又含有垂直极化分量,无论收信天线如何架设(只要不是沿着电磁波前进的方向),都会收到一些信号。如果收信天线也采用圆极化天线,则可得到最理想的接收效果。在2m和70cm业余频段,常见的业余卫星地面站圆极化天线是正交八木天线和螺旋天线,见图2。

图1
图1 🔍原图 (1294×721)
图2
图2 🔍原图 (682×1369)

当发信天线工作时,天线导线每一段都在产生电场和磁场,但它们各自产生的电磁场的强度、相位和方向都有所不同,地球及周围导体中感应得到的高频电流还会产生二次辐射。叠加起来的总效果,使天线在各个空间方向所发射的电磁波强度不同,形成一定的方向特性。为了简化,一般只考虑在天线水平面内水平方向特性和沿水平方向特性最大辐射方向所作的垂直面内的垂直方向特性。天线的方向特性可以用水平方向图和垂直方向图来表示,方向曲线上每一点到原点的距离表示不同方位的辐射强度见图3。

图3
图3 🔍原图 (859×648)

对于发信机说来,天线是一个负载,如何使天线能最多地摄取能量,就要解决一个匹配问题。只有当天线本身的阻抗与发信机的内阻相等时,才能得到最大的发射功能。对于高频信号讲,天线是很长的导线。高频信号从馈电点流向天线端点以及从端点反射回来所用的时间,足以引起天线各部分电压、电流的幅度和相位产生很大差别,致使天线的长度、结构以及馈电点的位置不同,呈现的阻抗也不同。例如中心馈电的偶极振子,当每臂长度为四分之一波长时,呈现约50至75欧的纯电阻,容易做到与馈电电缆及发信机的直接匹配。如果由于某种原因我们希望把这种振子配接到非50至75欧的其它系统,则可以改变馈电点的位置。但当振子臂长偏离四分之一波长时,中心馈电点可能呈现很大的容抗或感抗,这种高电抗不但破坏匹配条件,降低天线能够得到的功率而增加发信机内阻及天线电阻的损耗,还会造成很高的电压,引起电子管发信机的跳火或晶体管的损坏。当由于条件限制,无法将无线长度修整到适当数值时,一般应在天线电路中附加电感电容等电抗元件抵消天线本身呈现的电抗,有时还需加阻抗变压器将天线阻抗变换到发信电路的要求值,这些附加元件构成的设备叫“天线调谐器”或“天线匹配器”。

即使天线与发信机之间实现了阻抗匹配,但天线本身还是有一个辐射效率的问题。如果天线系统内部的电阻很大,天线得到的能量会发热损耗,真正转换为电磁波辐射出去的能量就会减少,所以天线应采用铜、铝等良导体作为其表面材料,垂直接地天线应有良好的接地系统如地网。另外,天线的辐射效率还与其结构有关。例如许多为节约安装空间而设计的缩短型天线如螺线式偶极振子等,辐射效率常比普通天线低。

业余电台一般不只在某个固定频点工作,而是在一些业余频段内根据情况临时选用频率,因此希望一副天线在不附加任何辅助调谐的条件下适用于多个业余频段,或者至少适用于某一业余频段的各个部分。短波段常见的笼形天线,超短波段常见的角锥形天线等,都是为展宽工作频带而设计的。

图4列举了业余电台常用的各种天线。应当说明的是,发信天线与收信天线有互易特点,如果一副天线在某个频率上工作的好,则用于接收也一定好,如果收信天线也做得十分考究,接收效果会大大改善。不过,在许多情况下,尤其是短波段,性能良好的天线一般都体积庞大、造价昂贵,想要接收的最微弱信号又受周围电磁环境影响,而多数较强的信号则使用简易的天线即可接收,所以对于仅仅收听的SWL讲来,选择天线时往往要在各方面作综合考虑。(文翰墨)

图4
图4 🔍原图 (1050×1980)