天线 基本概念

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基本概念
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天线是FM DX的耳朵，微弱的电波从天线经过馈线进入接收机，才能让我们听到远方电台
的声音。一个接收系统的好坏，天线占了一半。我们希望天线能有高的增益，把微弱的
信号变得响亮，我们希望天线能有一定的选择能力，把传呼台干扰和本地强台挡在外面
，我们希望天馈系统尽量减小损耗，把每一微伏的信号都送到接收机的前端。
对于大多数使用便携式收音机来收听FM DX的人说，他们的天线也许只是收音机上的拉杆
天线，这样的天线虽然简单方便，但是对于FM DX来说，无论如何是不够的，尽管拜电离
层的恩赐，这样的天线系统也不是没有可能接收到DX信号。
我将介绍一些常见而且容易自制的天线，这些天线能够用我们日常生活中容易得到的材
料制作。我会逐一制作这些天线，将制作的过程拍成照片，并给出尽可能详细的尺寸数
据。尽管我在制作过程中会动用天线分析仪甚至是综合测试仪等设备，但是我将告诉读
者不使用这些昂贵仪器的调试方法。至少，完全按照我的材料、尺寸总不会错。
电波
在讲天线之前，不能不先提一提电波。
我们制作天线的目的是为了捕捉电波，因此，在考虑天线的问题之前，绝对有必要先研
究一下电波的问题。
FM广播波段，频率上是从87.5MHz到108MHz，对应的波长是3.4米到2.7米，一般称做3米
波段，是VHF（Very High Frequency）的一段。这个波段以下，54MHz到87.5MHz是电视
广播波段，以上，108MHz到136MHz是航空通讯波段。VHF波段的电波传播，主要有三种途
径：
直接波
这是指从发射天线到接收天线之间，不经过任何发射，直接到达，电波就象一束光一样
，所以有人称它为视线传播。视线传播这个名字也表明了这种传播方式能够传播的距离
不远。这有两个原因，首先是电波从发射点出发，其能量是以幂级数递减的，而接收机
要能良好地解调出广播，需要一定的信号强度。所以太远的地方，信号太弱，不足以解
调。如果只是这个原因，那么拼命提高发射功率或增加接收天线的增益，也许就可以扩
大收听的范围了。但是，还有一个重要的问题是，地球是圆的，在地球上任何一点发出
的电波，按直线前进的方向，最终将离开地球射向天空。主要是由于第二个原因，一般
地讲，地面上一个发射台发出的直线波，只能传播到70km远处地面上的接收处。如果双
方的高度增加，那么这个距离还可以增加，但总是有限的。所以，70km，是本地收听的
极限，实际上，由于山脉、丘陵、房屋的阻挡、反射，这个距离还要大打折扣，一般可
以估计的距离是35km。
电离层发射波
这是指电波通过电离层的发射达到接收方。这里面的名堂很多。电离层本身是有多个层
次的，支持短波（1.8MHz到30MHz）反射的电离层是F1和F2层。F1和F2并不是甘心反射所
有的无线电波，它们能反射的最高频率是有限的，超过这个频率的电波完全得不到反射
，而是穿过电离层射向太空。如果没有这个特性，那么通讯卫星就不可能存在了，通讯
卫星就是在电离层外工作的。这个最高频率叫作MUF（Max Usable Frequency）。 MUF与
很多因素有关，主要是和太阳黑子活跃程度以及季节有关。太阳黑子活跃，MUF就高，天
气热，MUF也高。MUF最高能高到多少呢?一般在太阳黑子活跃期的夏天，MUF在20MHz到
40MHz之间，很少超过50MHz。在低的时候甚至会低到10MHz以下。但是在太阳黑子异常
活跃的时候，MUF也有可能偶然达到100MHz。这时候，就有可能通过F层发射收到DX FM了
。但是这不是FM DX的主要形式，FM DX主要是通过另外一个电离层E层。本来E层的出现
是破坏F层，所以我们不妨记F层为Friend层，E层为Enemy层。但是Es层的出现，却会形
成一个短期内密度极高的反射层。反射层的密度高，意味着能更好地反射电波。所以Es
层开通的时候，DX电台的信号会异常地强。在6米和10米业余波段工作的业余电台都知道
， Es层开通的时候，很小的功率，甚至5W，也有可能做DX联络。Es的开通，主要是提供
了 800km以内电波的传播路径。由于信号很强，其实很多时候并不需要很好的设备就可
以接收，需要的是耐心和运气。除了这两种反射，FM DX还有可能通过对流层反射和流星
余迹到达你的接收机。
地波和大气波导
本来来说，理论上VHF是不存在地波的。但是无数的实践表明，VHF 也存在着某种程度的
地波传播。所以我们能稳定地接收200km左右电台的信号。江苏和安徽两省的业余电台，
每年国庆的时候都进行全省VHF移动通讯实验，也证明了VHF电波可以在200km左右的距离
得到传播。大气波导是另外一种可能传播VHF电波的手段，不过人们研究得还不够多。
既然存在着这些可能，那么如何知道我收到的信号是以什么方式来的呢?一般来说，如
果收到的信号来自70km以内的电台，基本上可以认为是直接波；如果是200km以内，而且
信号稳定（不一定强），那么大概是地波；如果是800km以内，信号很强，但是极不稳定
，而且偶尔才出现，多半是Es层传播；如果距离更远，信号很弱，大概是F层或其他形式
的电离层传播了。
知道这些有什么用呢?用处在于帮助我们选择对天线的要求。比如，F层的传播有一个特
点是越距，大约500km以内的电台是不可能通过F层的传播来的，这个距离内的电台信号
只能以Es层来。就象在杭州想要接收台湾的FM电台信号，只能PNP（Plug and pray），
等 Es层，那么天线就要考虑适合Es层的特点。
还有一个很重要的因素是极化方式，这是很容易被很多爱好者忽略的问题。电波的极化
方式有三种：水平极化、垂直极化和圆极化。不管理论上怎么计算，简单的判断方法，
就是看振子的方向，振子是水平放的就是水平极化，垂直的就是垂直极化，圆极化不用
在 FM广播，可以不管。极化方式之所以重要，是因为要求发射方与接收方的极化方式必
须一致，才能有好的接收效果。我国广播的极化方式是水平极化，所以，接收天线也应
水平架设。如果极化方式不一致，会有10dB到20dB的损失。可是，经过电离层的反射过
来的电波，早就被反射得七荤八素、颠三倒四，说不定是什么极化方式了。所以，接收
DX信号，其实垂直极化也不错，附带的一个好处，就是可以削弱本地电台的影响。
天线的特性
共振
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。
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。
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。
带宽
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。
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。
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。
阻抗
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。
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。
平衡
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。
增益
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。
方向性
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。
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。
仰角
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。
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。
架设高度
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。
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。
驻波比
最后介绍这个最不被中国的爱好者熟悉的特征。
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。
天线增益 （ dB  dBi   dBd）
在无线通讯的实际应用中，为有效提高通讯效果，减少天线输入功率，天线会做成各种带有辐射方向性的结构以集中辐射功率，由此就引申出“天线增益”的概念。简单说，天线增益就是指一个天线把输入的射频功率集中辐射的程度，显然，天线的增益与其方向图的关系很大，主瓣越窄、副瓣越小的天线其增益就越高，而不同结构的天线，其方向图的差别是很大的。
   在通讯技术领域，与其它计量功率、电平等参数的量值同样，天线增益也采用相对比较并取对数的简化法来表示，具体计算方法为：在某一方向向某一位置产生相同辐射场强的时，对无损耗理想基准天线的输入功率与待考量天线的输入功率的比值取对数后乘以10 （G＝10lg(基准Pin/考量Pin)），即称为该天线在该点方向的增益。常用衡量天线增益的单位是dBi和dBd。而我们常说的的dB就是dBi。对于dBi，其基准为理想的点源天线，即一个真正意义上的“点”来作天线增益的对比基准。理想点源天线的辐射是全向的，其方向图是个理想的球，同一球面上所有点的电磁波辐射强度均相同；对于dBd，其基准则为理想的偶极子天线。因偶极子天线是带有方向性的，故二者有个固定的恒差2.15即0dBd=2.15dBi=2.15dB。
   需要说明的是，通常所说的“全向天线”不是严格的说法，全向天线应指在三维立体空间的全向，但工程界也往往把某个平面内方向图为圆周的天线称为全向天线，如鞭状天线，它在径向的主瓣是圆，但仍有轴向的副瓣。
   常见天线的增益：鞭状天线6－9dBi，GSM基站用八木天线15－17dBi，抛物面定向天线则很容易做到24dBi
方向性函数 方向图 方向性系数
任何实际天线的辐射都有方向性。离开天线一定距离某处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布情况的数学表示式，称为天线的方向性函数。把方向性函数用图表示出来，就是方向图。因为天线的辐射场分布于整个空间，故天线的方向图为三维的立体图。虽然现在利用计算机可以绘制复杂天线的三维立体方向图，但通常常用的仍然是所谓“主平面”上的方向图。
方向图还包括多个波瓣。分别称为主瓣，复瓣，后瓣。如图所示
1．               主瓣宽度：主瓣最大辐射方向的两个半功率点（功率下降为最大值的一半或者场强下降为最大值的0.707倍）与中心的夹角
2．               副瓣电平：副瓣最大辐射方向上的功率密度与主瓣最大辐射方向上的功率密度之比的对数（副瓣电平通常指离主瓣最近的且电平最高的第一副瓣）
3．               前后抑制比：后瓣最大辐射方向上的功率密度与主瓣最大辐射方向上的功率密度之比的对数称为前后抑制比
方向性系数
为了定量描述天线方向性的强弱，或者比较不同天线的方向性，定义天线在最大辐射方向上远区某一点的功率密度与辐射功率相同的理想无方向性点天线在同一点的功率密度之比称之为天线的方向性系数表示为D
辐射效率 辐射效率与增益的关系
天线的辐射效率表征天线能否有效的转换能量，定义为天线的辐射功率与输入到该天线上的功率之比
发射天线的功率损耗通常为天线导体的热损耗，介质材料损耗，天线附近物体附近的感应损耗
增益系数用输入功率计算，而方向性系数用辐射功率计算。所以增益系数等于方向性系数乘以辐射效率
输入阻抗 极化
所谓天线输入阻抗，是指天线输入端的高频电压与输入端的高频电流之比（此电压与电流皆为矢量）
天线极化分为线极化、圆极化、椭圆极化。线极化又分为水平极化和垂直极化；圆极化分为左旋圆极化和右旋圆极化
天线频带宽度
   无论是发射天线还是接收天线，它们总是要在一定的频率范围（频带宽度）内工作的。在一般的通信系统中，天线的带宽通常由驻波比指定。移动通信一般定义天线在驻波比SWR ≤ 1.5 条件下的工作频带宽度；在要求比较高时，则指定为驻波比SWR ≤ 1.2 条件下的工作频带宽度。应该知道，在一定的频率范围（频带宽度）内工作时，天线所有电指标是有变化的，只不过发生的变化是容许的，通信系统能够正常进行工作。
平衡与不平衡
信号源或负载或传输线，根据它们对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。 若信号源两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡信号源，否则称为不平衡信号源；若负载两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡负载，否则称为不平衡负载；若传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡传输线，否则为不平衡传输线。在不平衡信号源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接，在平衡信号源与平衡负载之间应当用平行双线传输线连接，这样才能有效地传输信号功率，否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。如果要用不平衡传输线与平衡负载相连接，通常的办法是在粮者之间加装“平衡－不平衡”的转换装置，一般称为平衡变换器
驻波比 回波损耗 反射系数 行波系数
驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2
回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配
在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Ｖmax ，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Ｖmin ，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。
反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数，记为 R
     反射波幅度（ＺL－Ｚ0）
R ＝ ───── ＝ ───────
     入射波幅度 （ＺL＋Ｚ0 ）
波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比，记为 VSWR
       波腹电压幅度      Ｖmax （1 + R）
VSWR ＝ ─────── ＝ ────
       波节电压辐度      Ｖmin （1 - R）

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