2022-07-08 10:38:46
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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(qiáng)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(qiáng)。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(gè)較小的點(diǎn)上，你會(huì)發(fā)現(xiàn)被照射的這個(gè)點(diǎn)很亮，但周邊比較暗，適合看較遠(yuǎn)物品，視野窄;把手電筒調(diào)到散光狀態(tài)，周邊光線強(qiáng)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(jī)的功率，更加沒有放大發(fā)射機(jī)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(shí)，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(yuǎn)，適合遠(yuǎn)距離通信，一般情況下，發(fā)射仰角小于30度的天線適合遠(yuǎn)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)使用。
我的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)：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(yuǎn)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(rèn)情況，天線的設(shè)計(jì)增益參考高度都是1/2波長高度，比如，一個(gè)設(shè)計(jì)發(fā)射仰角為25度(增益為12dbi)的對(duì)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(huì)變成40度，增益也會(huì)降到大概9dbi;如果架設(shè)高度達(dá)到1個(gè)波長高度，發(fā)射仰角可能會(huì)變成小于20度，增益也會(huì)增加到13dbi以上。
條件好的比賽基地，通常會(huì)使用可升降塔來安裝定向天線，這樣不單是因?yàn)榉里L(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(dá)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(shí)，波瓣會(huì)增加，大于1個(gè)波長時(shí)，波瓣會(huì)變的尖銳，多個(gè)尖銳波瓣對(duì)于DX主叫是一件好事，通常會(huì)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(duì)多個(gè)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(gè)含義，一是水平發(fā)射角、一個(gè)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?yàn)樵鲆娌煌煌鲆嬖酱螅桨l(fā)射角越小，假如是一個(gè)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(shí)現(xiàn)改變?cè)鲆妗?/p>
對(duì)數(shù)周期天線具有較強(qiáng)的方向性，垂直發(fā)射角跟對(duì)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(gè)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(duì)數(shù)周期天線主要通過改變垂直方向上的電波密度，實(shí)現(xiàn)改變?cè)鲆妗?/p>
對(duì)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(tái)，為了確保中短距離的中繼效果，一般會(huì)選擇較低增益的玻璃鋼天線(約6DBI)，因?yàn)榈驮鲆鍳P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(huì)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(yuǎn)距離的中繼通信需要。對(duì)于使用中繼的電臺(tái)，天線的選型也一樣，經(jīng)常在中繼臺(tái)5公里范圍內(nèi)上中繼的電臺(tái)，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(huì)出現(xiàn)中繼覆蓋盲區(qū)，效果反而會(huì)變差。對(duì)于經(jīng)常使用30公里以上遠(yuǎn)程中繼的電臺(tái)，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(duì)應(yīng)，用于分解承受大功率，如電視發(fā)射塔天線、雷達(dá)天線等。
3、總線饋電組陣：
用于多個(gè)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(jìn)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(hào)接收天線陣：
我們要接收不同方向電視發(fā)射站的信號(hào)，往往需要多個(gè)不同方向的八木天線接收，通過合路器連接到電視機(jī)，往往還包括VHF、UHF不同頻率的天線進(jìn)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(gè)電視發(fā)射站信號(hào)，包括深圳、香港、珠三角等地。
在我們工作室，要接收時(shí)下最流行的地面數(shù)字高請(qǐng)電視，我使用三個(gè)八木天線進(jìn)行合路，一個(gè)7單元水平極化八木天線接收深圳臺(tái)節(jié)目(正東方向，706MHZ);用了一個(gè)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(tái)采用垂直極化發(fā)射的目的，估計(jì)不想太多人看到，影響有線電視的生意);用了一個(gè)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(hào)(東南方向，586、602、650MHZ)。三個(gè)天線合路到一個(gè)數(shù)字接收機(jī)，苦難重重，兩個(gè)或三個(gè)天線可能同時(shí)接收到同一發(fā)射站信號(hào)，出現(xiàn)信號(hào)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(gè)地面無線高清節(jié)目通過一根饋線全部拿下。這個(gè)小試驗(yàn)，是一個(gè)大的“總線饋電”天線陣中還包括了一個(gè)“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(dòng)電話天線陣：
蜂窩移動(dòng)是貝爾實(shí)驗(yàn)最偉大的發(fā)明，改變了整個(gè)世界的生活方式，蜂窩移動(dòng)電話系統(tǒng)的核心之一就是數(shù)字控制天線陣，整個(gè)蜂窩系統(tǒng)其實(shí)就是一個(gè)龐大的數(shù)以萬計(jì)的蜂窩天線陣，這是一項(xiàng)非常成熟的應(yīng)用技術(shù)，在這里，我們只簡(jiǎn)單解剖一下單個(gè)基站天線陣的情況。
現(xiàn)在的蜂窩移動(dòng)基站一般由多個(gè)天線組成，每個(gè)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(jì)算機(jī)軟件控制，根據(jù)用戶到基站各天線之間的信號(hào)強(qiáng)度，電子合路切換，選擇所需的天線。
蜂窩移動(dòng)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(gè)或六個(gè)方向的360度覆蓋的八木陣，通過計(jì)算機(jī)，根據(jù)來源信號(hào)強(qiáng)度來控制所需的收發(fā)天線，需要投入資金不是一般個(gè)人能承受的。
問題1：用兩個(gè)4單元八木組成天線陣,指向一個(gè)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(huì)增加大約3dbi的增益，同時(shí)發(fā)射角變小，波瓣變尖。相對(duì)來說能通到的更遠(yuǎn)的電臺(tái)，除此之外，也會(huì)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(zhǔn)的轉(zhuǎn)向器。
算了一下這筆帳，還不如做一個(gè)6單元八木天線來的直接，效果和這個(gè)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(dá)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(duì)數(shù)周期天線，14-30MHZ對(duì)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(huì)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(gè)4單元八木沖著不同的方向,但是使用一個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)。
這個(gè)問題有點(diǎn)復(fù)雜了，在回答這個(gè)問題之前，我在上面舉了兩個(gè)例子，電視接收天線陣和蜂窩移動(dòng)天線陣，要實(shí)現(xiàn)不同方向的天線陣合路功分控制，會(huì)帶來很多的副面影響，只有蜂窩移動(dòng)通過數(shù)字控制技術(shù)真正解決了這個(gè)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(qiáng)大的信號(hào)分配控制系統(tǒng)。
不過，假如我有兩個(gè)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(qiáng)20米波段的成績。
這個(gè)問題變得簡(jiǎn)單了，作為比賽電臺(tái)，最有效的辦法是配置一個(gè)10至40米電動(dòng)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(gè)天線增益調(diào)整器，非常湊效。