好文：天线基础知识

掌握天线基础知识非常重要，下面分享一篇译文，作者：Basu (VU2NSB)，主要讲解：

下面我们开始探讨无线电通信中有关天线的一些基本原理。

在无线电通信环境中，要使任何无线设备发挥最佳功能，都非常注重天线的安装。虽然包括发射器和接收器在内的每个无线电台硬件也很重要，但最终当涉及到整体性能时，天线的质量起着最重要的作用。俗话说：“无线电通信的好坏取决于它所拥有的天线”。

因此，我们将特别强调天线的基本原理，并在不涉及太多数学知识的情况下，尽量使我们的论述直观、简单。 我们在现实世界中遇到的大多数类型的天线通常是某种驻波天线。它们通常是偶极子或偶极子的某种导数或一组偶极子的组合。在这个阶段，有人可能会问，像八木或立方四边形或对数周期阵列（LPDA）或抛物面碟形天线这样的复杂天线呢？它们也是偶极子吗？答案是肯定的。 起初可能会有悖直觉，令人困惑，但我们会在网站后续其他天线部分的相关文章中逐步解释这些概念。我们也必须记住，有几类天线本质上并不是偶极子，例如磁环天线或几类行波天线等。由于这些天线不太常用，我们将在 "其他天线 "分节中单独介绍。 任何天线的性能，尤其是高频地面站的性能，通常会受到几个因素的影响，其中包括天线的基本设计、制造天线所使用的结构材料、天线相对于周围环境的位置、地形、与地面的距离、地面质量（包括土壤介电常数和导电性）、天线相对于地面的方向（垂直、水平、倾斜等）等。其中许多因素也同样适用于地面 VHF/UHF 通信天线。

所有天线都有一些重要的关键属性，我们将在这里对其进行简要介绍。这些主要属性包括其他一些属性，将在不同的专题文章中介绍。

天线增益和方向性

天线增益不是一个绝对量。它是相对于另一个参考天线测量的属性。它表示与标准参考天线相比，天线在发射（TX）和接收（RX）时性能的相对增强。发射天线的增益以功率增益为特征，而接收天线的增益则称为指向性增益。但是，我们必须记住，发射天线的功率增益并不意味着发射机馈送给天线的总功率在发射时会以任何方式增加或倍增。

既然发射机的功率输出不会因为天线增益而增强，那么天线功率增益到底意味着什么？要回答这个问题，我们必须快速了解一下用于测量增益的参考天线。自古以来，自由空间中的谐振半波偶极子（称为标准偶极子）被作为参考天线。所有其他天线的增益属性都是根据这个标准偶极子来测量的，这种增益用 dBd 表示，其中最后一个字符 (d) 表示偶极子基准。标准参考偶极子有一个缺点，即虽然其特性可以在自由空间中复制，但其辐射模式的形状像一个甜甜圈，在三维（3D）空间的所有方向上都不均匀。 因此，我们为此设计了另一种参考天线。这就是各向同性天线。

各向同性天线辐射方向图

各向同性天线是一种假想的天线，在现实世界中并不存在。然而，它的好处是，这种天线具有完美的球形辐射模式，因此被认为在三维空间的所有方向上具有均匀的辐射功率密度。各向同性天线可作为数学建模的可靠参考，广泛应用于现代天线设计。参照各向同性天线测量的天线增益以 dBi 表示，其中 (i) 代表各向同性。目前，各向同性天线已基本成为业界和天线设计人员的实际参考天线。为了便于移植和兼容旧的标准偶极子和作为参考的各向同性天线，对两者之间的增益关系进行了映射。

标准参考偶极子的增益比各向同性天线高 2.15 dB。因此，以 dBd 为单位的增益只需加上 2.15 dB 即可转换为 dBi。同样，也可以通过减法将 dBi 转换为 dBd。

在定义了参考天线之后，现在让我们来研究天线的增益属性。就我们的参考各向同性天线而言，由于辐射模式是一个均匀的三维球体，因此让我们用一个充满空气的球形气球来进行类比（尽管并不完美）。让气球中的空气代表传输能量（功率），让我们假设气球表面代表增益。 让我们把注意力集中在天线的基本原理上，试着弄明白为什么大多数实用的、现实世界中的天线都比各向同性天线具有有限的正增益？如果我们研究一下它们的辐射波形，就会发现它们无一例外地具有限制向某些优选方向辐射的形状。它们都没有完美的球形图案。这与增益有关吗？当然......这正是天线增益的结果。它们越是将能量辐射限制在狭窄和受限的波瓣模式中，增益就越大。

辐射瓣压缩产生的天线增益

那么，到底是怎么回事呢？让我们以偶极子为例，尝试重塑我们为各向同性天线创建的球形气球。我们把气球从两边向中间挤压。结果，我们会发现气球会向其他方向膨胀，因为内部的空气会挤压气球的弹性表面。挤压得越多，其他两侧的伸展就越大。这种表面的膨胀就代表了增益。尽管我们没有改变气球中的空气量（发射机功率），但与各向同性球体的半径相比，气球表面被拉伸的远端将扩大到离中心更远的距离。

与其挤压中间，不如挤压气球，以任何方式重塑气球形状（假设我们比喻中的气球没有破裂），从而甚至可以将原来的球形变成细长的长圆形。这个长圆形的长度将远远大于球形的半径，因此代表了高增益，现在可能类似于八木天线的模式。

总结天线功率增益的概念，我们发现，通过将发射功率集中在一个或多个方向的窄波束中，并防止能量向其他不需要的方向传播，天线可以成功地投射出空间可控的辐射功率，从而有效提高所需方向的功率密度，而无需发射机提供额外的功率。天线的发送和接收行为基本上是对等的。我们将在另一篇文章中详细讨论 RX 的天线指向性增益。

天线效率

天线的效率是一个重要属性。它决定了通过天线馈电点从发射机传输到天线的功率有多少能真正转化为辐射电磁能。在实际使用的天线中，可能有多种因素导致损耗和功率耗散。大多数使用大功率（QRO）的业余无线电操作员都知道，他们的天线经常会发热。那些生活在气候寒冷地区的人经常会注意到，当他们进行长时间发射时，可能沉积在天线导线和元件上的积雪经常会开始融化。无线工程师知道，天线场附近的土壤会变热。大型兆瓦级发电站还会加热发射机天线附近的树叶，并经常破坏附近的植被。所有这些都会影响天线系统的整体效率。

典型天线的损耗是由多种因素引起的制造天线的材料是造成损耗的主要因素。构成辐射结构的电线、管道、管子等具有有限的电阻，这也是造成损耗的原因之一。此外，在射频 （RF） 下，电流不会流过导体的整个横截面。射频电流被推到导体的外表面，并且仅从表面流过非常小的深度。这称为皮肤效应。频率越高，集肤深度越小。因此，与物理横截面相比，天线元件的有效截面有效地减少了几个数量级。这进一步加剧了电阻损耗。

另一个可能增加某些类型天线损耗的因素是各类绝缘体的介电损耗。通常情况下，低介质损耗绝缘体（如陶瓷）可将此类损耗降至最低。许多业余有线天线使用 PVC 绝缘线等导线作为天线元件。除了改变天线的谐振长度外，这类绝缘材料还会增加一小部分介质损耗。许多多波段业余无线电天线使用 LC 陷波器或同轴陷波器来实现多波段功能。这些陷波器因损耗大而臭名昭著。即使是设计精良的最佳陷波器也会产生不必要的损耗，但遗憾的是，业余爱好者制造的大多数陷波器的空载 Q 因子都很差，因此损耗量也相当可怕。

正如我们前面提到的，由于靠近地面（地表）而产生的损耗也是导致天线效率低下的一个变量。这种损耗的大小取决于土壤的导电性和介电常数。肥沃潮湿的土壤损耗小，而城市土壤和干燥的沙漠沙土损耗大。水体的损耗较低，尤其是海水。天线安装位置可能会造成额外的损耗。建筑物、金属结构、管道、架空电线等不仅会导致天线辐射模式失真，还会由于能量吸收造成的损耗而大大降低天线增益。

设计良好的天线的效率计算

总而言之，在制造和安装天线时牢记上述所有因素将大大有助于保持合理的天线效率。请记住，许多运营商发现难以工作足够多的电台（尤其是在高频上）的原因并不总是与其他任何事情有关，而是计划不周的天线安装。

天线波束宽度

通过对天线增益的讨论，我们发现大多数常规尺寸的天线与理论上的各向同性辐射器相比，具有更高的增益。这是通过形成辐射裂片，将辐射能量向所需方向集中而实现的。因此，我们需要一种方法来定量定义实际应用中天线辐射模式的重要属性。其中一个重要属性就是主波叶的波束宽度。

典型八木的方位角（洋红色）和仰角（蓝色）波束宽度

虽然，天线可能会产生多个波瓣，其中一些可能是设计意图的，而一些次要波瓣可能是波束形成过程的副作用。主（主要）波瓣通常是从其他波瓣中脱颖而出的。不同类型的天线设计和结构通常具有与之相关的独特辐射模式。

自由空间中的天线具有不受阻碍的能量向各个方向传播的路径，其图案可能具有从甜甜圈形状到一对截然相反的双向波瓣的图案，或者可以以在首选方向上有一个主瓣的方式定制图案。在自由空间中，图案通常围绕天线的轴线或平面对称。一个值得注意的例外是不对称堆叠的天线阵列，我们将在另一篇文章中介绍。辐射瓣通常看起来像细长的椭球体，就像典型的空投炸弹或鱼雷的形状。

天线公开的增益表征为其主瓣沿瓣的主（中心）轴的峰值增益。为了能够定义围绕波瓣长轴的有效接入区域，定义了天线波束宽度。这是峰值增益轴与增益降低3 dB或6 dB的角度之间形成的角度。通常，指定-3dB角是因为它表示辐射功率密度下降到峰值一半的角度。 对于用于地面通信的HF高频天线，可指定 -6 dB 角，因为它代表远端 RX 站典型的 1 S 单位衰减。无论如何，天线波束宽度参数都能让人了解天线的远端覆盖范围，而不会明显降低性能。此外，它还规定了在实际点对点通信场景中可接受的天线方向偏差程度。总波束宽度实际上等于在一侧测量到的-3 dB（或-6 dB）角度的两倍，并规定为 ±(xx)°，其中 XX 为一侧的角度。 然而，如果天线的位置相对靠近（以波长 λ 计）一个大的反射面，如典型的地面通信高频天线，我们通常用两个不同的实体来描述天线的波束宽度。一个是仰角波束宽度，另一个是方位角波束宽度。这一点非常重要，因为由于天线下方存在反射地面，辐射波瓣的形状会发生变化，不再完全围绕增益峰值轴对称。接地的影响通常是压缩整个仰角平面的波瓣图形。因此，仰角波束宽度变得与方位角波束宽度不同。与自由空间中的同一天线相比，反射地表的积极副作用是大大提高了天线的有效增益。

天线的带宽

天线的带宽是另一个重要属性。所有天线都能在其标称设计频率附近的频带内有效工作。超过带宽限制的频率范围，天线的性能就会受到严重影响，无法继续使用。有些类型的天线具有相对较宽的可用频带跨度，有些甚至覆盖几个倍频程。这些天线被称为宽带天线。比较著名的宽带天线有对数周期偶极子阵列（LPDA）、圆盘天线、双圆盘天线、行波天线（如菱形天线、Bverage天线等）。不过，大多数流行的知名天线都是谐振驻波天线，带宽相当有限。

无论哪种类型的天线，其带宽的特点都是能够最大限度、最有效地将发射机传输给它的功率传递给自身。只有当信号源和负载阻抗匹配时，才能从信号源向负载传输最大功率。在实际情况中，少量的阻抗失配是可以容忍的，但严重的阻抗失配不仅会导致无法接受的低效，而且会对整个无线电台造成灾难性的影响。

信号源和负载之间的阻抗失配量由一个称为电压驻波比（VSWR）的参数来确定，该参数也被简单地称为 SWR。SWR 等于负载和信号源阻抗之比，用 1:1 或 1.5:1 之类的比率表示。虽然某些无线电发射机和传输线系统的耐受性较差，但大多数现代业余无线电设备可以安全地处理高达 2:1 的 SWR。不过，使用天线匹配/调谐装置（通常称为 ATU）可以处理更高的普遍 SWR。ATU 本身实际上并不能解决 SWR 问题，而只能掩盖其不利影响，并制造一种假象，使发射机认为一切正常。

使用 ATU 来抑制高 SWR 的不良影响并不可取，尤其是在使用同轴电缆传输线时，因为这会严重影响整个天线系统的整体性能。然而，许多业余无线电工程师却滥用 ATU。我们将在有关无线电传输线的文章中详细讨论这些问题。

20m波段谐振偶极子的典型驻波带宽

现在，让我们假设 2:1 的最大 SWR 是可接受的上限。在典型的设计中心频率下，设计精良、制造精良的天线的 SWR 非常接近 1:1 的最佳值。当我们在频率刻度的任一方向上偏离该频率时，天线的馈电点阻抗开始在幅度和相位上发生变化，而源阻抗则保持不变。因此，天线馈电点的 SWR 开始上升。

在某一点上，当我们改变发射频率时，SWR 达到 2:1，并继续进一步攀升。SWR 达到 2:1 时，天线中心频率两侧的频率被视为建议的最大边界限制，在此范围内，天线的性能应符合规格要求。在 2:1 SWR 限制两端之间的频率跨度称为天线带宽。许多常用的高频HF天线都受到 SWR 带宽的限制，通常无法覆盖指定无线电高频频段的整个可用频率跨度。因此，我们经常会听到工程师会选择一个重点感兴趣的频段并相应地调整天线，而在频段的其余部分却不得不勉强妥协天线的性能。

天线极化

天线极化是指天线辐射电磁波的极化。适当的天线极化对低频、中频和高频信号的面波（通常被松散地称为地波）传播起着至关重要的作用。它在甚高频/超高频和微波通信中也是一个非常重要的因素。不过，在电离层天波高频通信中，天线极化从传播角度来看并不重要。

不过，极化在接收人为环境噪声（QRM）方面无疑起着明显的作用，而在城市和工业区，QRM 很高。与水平极化信号相比，垂直极化信号的面波传播能力更强，因此大部分 QRM 都是垂直极化的。因此，垂直极化天线比水平极化天线更容易接收到更大范围的环境 QRM。

让我们快速了解一下电磁波的极化以及天线如何根据极化进行分类。电磁波由两个共存的成分组成。它们是电场和磁场。这两个场同时存在，当它们以光速在介质中传播时，在彼此间重复传递信号能量。电场和磁场在空间上互成直角（正交）。现在，如果天线产生的电磁波的电场分量是垂直的，而磁场分量是水平的，那么该电磁波以及产生该电磁波的天线就被称为垂直极化。

典型的垂直极化电磁波

同样，如果产生的电磁波的电场方向在水平面内，而磁场线在垂直面内，那么电磁波的极化和产生电磁波的天线也被称为水平极化。换句话说，电磁波电场的方向平面可作为天线极化分类的参考。通常情况下，天线元件的方位平面定义了电磁波电场的方位平面。因此，偶极子、其他水平导线天线、水平部署的八木天线等都是水平极化天线。同样，垂直单极子天线或垂直方向的八木天线都是垂直极化天线。其他天线，如立方四极天线或德尔塔环形天线都是全波长闭合环形天线，因此它们的极化是由这些天线的馈电点位置决定的。

除了前面提到的电离层天波通信的情况外，我们已经指出，天线极化在无线电通信中起着至关重要的作用。原因在于，如果RX接收天线遇到的信号极化与自身极化相同，RX接收天线就能接收到最大信号。如果信号极化与自身极化正交（旋转 90°），那么接收天线的极化损耗就会非常大。从理论上讲，接收不到任何信号，但是，由于实际的极化不匹配可能永远不会达到数学上完美的 90°，因此损耗不会是无限的，但也非常高，约为 -20 至 -30 dB。这仍然意味着在 RX 端可能无法读取传输。这意味着，除了电离层跳过天波传播外，在大多数情况下，发射端和接收端天线必须具有相同的极化，才能进行可靠有效的通信。

还有一种情况通常适用于空间卫星通信。许多卫星，尤其是较小的低地球轨道（LEO）卫星，往往没有完全稳定在轨道平面的轴上。它们没有使用陀螺仪平台，也没有自旋稳定。它们在轨道上自由滚动、俯仰和翻滚。因此，这些卫星上的天线无法保持相对于地球的恒定物理方向。地面站要与这些卫星保持通信，就不可能在地面站使用水平或垂直极化天线。

此外，无线电波在上行链路和下行链路中穿过电离层时，会受到一种称为法拉第旋转的现象的影响，从而导致穿过电离层的信号极化发生变化。极化旋转的程度无法预测，取决于当时电离层的厚度和密度。法拉第旋转现象在甚高频最为突出，在超高频的影响较小。然而，在微波频率下，这种效应几乎不存在。要想可靠地访问低地轨道卫星，就必须使用另一种天线，即圆极化天线。轴向模式螺旋天线和十字八木天线就是圆极化天线的典型例子......但这是后话了。

起飞角和辐射波瓣

辐射起飞角是另一个通常与地面通信天线相关的重要属性。虽然这个属性在VHF/UHF天线的情况下也起着作用，但由于涉及的波长很短，大多数天线安装通常满足良好的低角度辐射要求，甚至无需主动确保。然而，就波长而言，HF高频天线装置离地面相对较近，因此经常会受到低角度辐射波瓣不足的影响。因此，高频天线的设计者、制造者和安装者如果希望获得低起飞角能力，就需要充分注意。

高增益天线辐射瓣方向图鸟瞰图

让我们来研究一下，为什么低起飞角辐射波瓣模式对于使用电离层跳越传播的高频波段上的远程（DX）通信往往至关重要。电离层位于距地球表面几百公里的高度。地球近似球形，电离层冠层就像地球周围的一个同心空心球。简单的几何原理告诉我们，天线相对于地球表面的辐射角度将决定电磁无线电波束撞击电离层的距离。 在高角度时，电离层冠层对无线电波束的拦截点距离发射机的距离较短，而低角度的波束在遇到电离层之前，距离发射站的距离较长。波束撞击电离层后，以几乎等于波束在电离层入射角的角度反射（准确地说，是折射）回地球。电离层的反射点类似于几何三角形的顶点。 因此，很明显，天线辐射的起飞角度越低，无线电信号在单次跳跃（跳跃）中传播的距离就越大。即使需要多次跳跃才能覆盖更长的距离，当起飞角度较低时，覆盖DX距离所需的跳跃总数也是最少的。覆盖两个 DX 站之间距离的级联跳跃更少，信号路径损耗更低，从而允许 DX 站之间更强大、更可靠、更强大的通信。 简而言之，要发生相对较短距离的电离层跳跃，需要具有中等起飞角能力的天线，但要使DX正常工作，尤其是在弱信号条件下，必须部署具有良好低起飞角能力的天线。天线的起飞角度主要由其离地面的高度决定。除了某些天线类型，如垂直 1/4λ 天线或其具有集成接地平面径向系统的衍生天线外，大多数 HF 天线在确定其起飞角度时容易受到地面接近的影响。根据经验，天线离地面越高，获得较低起飞角度的前景就越好。

馈点阻抗和驻波比

我们在本文前面提到，当天线的馈电点阻抗等于馈电光纤天线端的源阻抗时，发射机和馈电系统的功率传输最大。通常，在无线电频率下，源阻抗等于光纤（传输线）的特性阻抗。最大功率传输的另一个重要标准是，负载（天线馈电点）阻抗必须尽可能是电阻性的，没有或只有最小的无功成分。

这是因为只有电阻负载才能吸收功率，而无功负载则不能吸收功率。这就是为什么我们总是致力于创建一种在所需工作频率下具有谐振的天线结构。谐振意味着完全消除所有电容和电感无功成分，只留下电阻负载成分呈现给信号源。

关于天线谐振，一个有趣但经常被误解的事实是，天线在其谐振频率下的馈电点阻抗并不一定意味着尽可能低的驻波比（SWR）。在尝试将天线调谐到最低驻波比时，我们经常会使天线失谐。例如，让我们以 1/4λ 单极天线为例。典型谐振单极子的馈电点阻抗为36Ω。

天线谐振周围馈电点阻抗的典型变化

典型发射机的源阻抗为 50Ω，与 52/54Ω 同轴光纤相连，天线的源阻抗不会优于标称的 54Ω。因此，谐振单极馈电点的 SWR 将为 52:36 或 1.44:1，但不会低于这个比率。如果试图通过调整天线元件来进一步降低 SWR，实际上会导致天线失谐而失去共振。天线阻抗的反应分量将显示在电阻分量之外，从而导致失谐点的复阻抗 (Z) 可能与源阻抗相等，从而在仪表上显示 1:1 的 SWR。

实用天线的馈电点阻抗如果与源阻抗匹配，肯定会将最大功率传输到天线上，但这是否意味着你的天线系统一定非常高效？不一定......虽然可以实现最佳功率传输，但究竟有多少功率被辐射出去，这是个千头万绪的问题。市场上有许多天线的馈电点阻抗可能与标称信号源阻抗相匹配，但它们的辐射却很差。 这就引出了辐射阻抗的概念。除了可以通过天线谐振调谐出的电抗外，每根天线主要有两种电阻成分。它们是串联的辐射阻抗和损耗电阻。馈电点阻抗为 50Ω 的设计不良天线可能只有很小的辐射阻抗（如 20Ω），而损耗电阻可能为（如 30Ω）。因此，总阻抗为 50Ω，它将与同轴电缆传输线源完美匹配，并在任何仪表上显示出完美的 1:1 SWR。 然而，由于辐射阻抗的原因，这种天线只能辐射出大约 30% 的外加功率，而其余 70% 的功率则会由于损耗电阻而以热量形式散失。因此，即使馈电点的总阻抗无法实现直接阻抗匹配，一个高效且设计良好的天线也会始终将损耗电阻保持在辐射阻抗的最低水平。