天線常識(shí)－天線性能指標(biāo)及測(cè)量方法（下）

濾波器 字 〔 2017 〕 295

影響天線效果的最重要因素：諧振 

    讓我們用弦樂(lè)器的弦來(lái)加以說(shuō)明。無(wú)論是提琴還是古箏,，它的每一根弦在特定的長(zhǎng)度和張力下,，都會(huì)有自己的固有頻率。當(dāng)弦以固有頻率振動(dòng)時(shí),，兩端被固定不能移動(dòng),，但振動(dòng)方向的張力最大。中間擺動(dòng)最大,，但振動(dòng)張力最松弛,。這相當(dāng)于自由諧振的總長(zhǎng)度為1/2波長(zhǎng)的天線，兩端沒(méi)有電流（電流波谷）而電壓幅度最大（電壓波腹）,，中間電流最大（電流波腹）而相鄰兩點(diǎn)的電壓最?。妷翰ü龋?br>
    我們要使這根弦發(fā)出最強(qiáng)的聲音,，一是所要的聲音只能是弦的固有頻率,，二是驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的張力與擺幅之比要恰當(dāng),，即驅(qū)動(dòng)源要和弦上驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的阻抗相匹配。具體表現(xiàn)就是拉弦的琴弓或者彈撥的手指要選在弦的適當(dāng)位置上,。我們?cè)趯?shí)際中不難發(fā)現(xiàn),，拉弓或者撥弦位置錯(cuò)誤會(huì)影響弦的發(fā)聲強(qiáng)度，但稍有不當(dāng)還不至于影響太多,，而要發(fā)出與琴弦固有頻率不同的聲響卻是十分困難的,，此時(shí)弦上各點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜、混亂,，即使振動(dòng)起來(lái),，各點(diǎn)對(duì)空氣的推動(dòng)不是齊心合力的，發(fā)聲效率很低,。

    天線也是同樣,，要使天線發(fā)射的電磁場(chǎng)最強(qiáng)，一是發(fā)射頻率必須和天線的固有頻率相同,，二是驅(qū)動(dòng)點(diǎn)要選在天線的適當(dāng)位置,。如果驅(qū)動(dòng)點(diǎn)不恰當(dāng)而天線與信號(hào)頻率諧振，效果會(huì)略受影響,，但是如果天線與信號(hào)頻率不諧振,，則發(fā)射效率會(huì)大打折扣。

    所以,，在天線匹配需要做到的兩點(diǎn)中,，諧振是最關(guān)鍵的因素。

    在早期的發(fā)信機(jī),，例如本期介紹的71型報(bào)話(huà)機(jī)中,，天線電路只用串聯(lián)電感、電容的辦法取得與工作頻率的嚴(yán)格諧振,，而進(jìn)一步的阻抗配合是由線圈之間的固定耦合確定死的,，在不同頻率下未必真正達(dá)到阻抗的嚴(yán)格匹配，但是實(shí)際效果證明只要諧振就足以好好工作了,。

    因此在沒(méi)有條件做到VSWR絕對(duì)為1時(shí),，業(yè)余電臺(tái)天線最重要的調(diào)整是使整個(gè)天線電路與工作頻率諧振。


天線的駐波比和天線系統(tǒng)的駐波比

    天線的VSWR需要在天線的饋電端測(cè)量,。但天線饋電點(diǎn)常常高懸在空中,，我們只能在天線電纜的下端測(cè)量VSWR，這樣測(cè)量的是包括電纜的整個(gè)天線系統(tǒng)的VSWR,。當(dāng)天線本身的阻抗確實(shí)為50歐姆純電阻,、電纜的特性阻抗也確實(shí)是50歐姆時(shí)，測(cè)出的結(jié)果是正確的。

    當(dāng)天線阻抗不是50歐姆時(shí)而電纜為50歐姆時(shí),，測(cè)出的VSWR值會(huì)嚴(yán)重受到天線長(zhǎng)度的影響,，只有當(dāng)電纜的電器長(zhǎng)度正好為波長(zhǎng)的整倍數(shù)時(shí)、而且電纜損耗可以忽略不計(jì)時(shí),，電纜下端呈現(xiàn)的阻抗正好和天線的阻抗完全一樣,。但即便電纜長(zhǎng)度是整倍波長(zhǎng)，但電纜有損耗,，例如電纜較細(xì),、電纜的電氣長(zhǎng)度達(dá)到波長(zhǎng)的幾十倍以上，那么電纜下端測(cè)出的VSWR還是會(huì)比天線的實(shí)際VSWR低,。

    所以,，測(cè)量VSWR時(shí)，尤其在UHF以上頻段,，不要忽略電纜的影響,。


不對(duì)稱(chēng)天線

    我們知道偶極天線每臂電氣長(zhǎng)度應(yīng)為1/4波長(zhǎng)。那么如果兩臂長(zhǎng)度不同,，它的諧振波長(zhǎng)如何計(jì)算,？是否會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)諧振點(diǎn),？

    如果想清了上述琴弦的例子,，答案就清楚了。系統(tǒng)總長(zhǎng)度不足3/4波長(zhǎng)的偶極天線（或者以地球,、地網(wǎng)為鏡象的單臂天線）只有一個(gè)諧振頻率,，取決于兩臂的總長(zhǎng)度。兩臂對(duì)稱(chēng),，相當(dāng)于在阻抗最低點(diǎn)加以驅(qū)動(dòng),，得到的是最低的阻抗。兩臂長(zhǎng)度不等,，相當(dāng)于把弓子偏近琴馬拉弦,，費(fèi)的力不同，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的阻抗比較高一些,，但是諧振頻率仍舊是一個(gè),，由兩臂的總長(zhǎng)度決定。如果偏到極端,，一臂加長(zhǎng)到1/2波長(zhǎng)而另一臂縮短到0,，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗增大到幾乎無(wú)窮大，則成為端饋天線,，稱(chēng)為無(wú)線電發(fā)展早期用在汽艇上的齊柏林天線和現(xiàn)代的1/2波長(zhǎng)R7000垂直天線,，當(dāng)然這時(shí)必須增加必要的匹配電路才能連接到50歐姆的低阻抗發(fā)射機(jī)上。

    偶極天線兩臂不對(duì)稱(chēng)，或者兩臂周?chē)鷮?dǎo)電物體的影響不對(duì)稱(chēng),，會(huì)使諧振時(shí)的阻抗變高,。但只要總電氣長(zhǎng)度保持1/2波長(zhǎng)，不對(duì)稱(chēng)不是十分嚴(yán)重,，那么雖然特性阻抗會(huì)變高,，一定程度上影響VSWR，但是實(shí)際發(fā)射效果還不至于有十分明顯的惡化,。


QRPer不必苛求VSWR

    當(dāng)VSWR過(guò)高時(shí),，主要是天線系統(tǒng)不諧振時(shí)，因而阻抗存在很大電抗分量時(shí),，發(fā)射機(jī)末級(jí)器件可能需要承受較大的瞬間過(guò)電壓,。早期技術(shù)不很成熟時(shí)，高VSWR容易造成射頻末級(jí)功率器件的損壞,。因此,，將VSWR控制在較低的數(shù)值，例如3以?xún)?nèi),，是必要的,。

    現(xiàn)在有些設(shè)備具有比較完備的高VSWR保護(hù)，當(dāng)在線測(cè)量到的VSWR過(guò)高時(shí),，會(huì)自動(dòng)降低驅(qū)動(dòng)功率,，所以燒末級(jí)的危險(xiǎn)比20年以前降低了很多。但是仍然不要大意,。

    不過(guò)對(duì)于QRP玩家講來(lái),，末級(jí)功率有時(shí)小到幾乎沒(méi)有燒末級(jí)的可能性。移動(dòng)運(yùn)用時(shí)要將便攜的臨時(shí)天線調(diào)到VSWR＝1卻因?yàn)榄h(huán)境的變幻而要絞盡腦汁,。這時(shí)不必太喪氣,。1988－1989年筆者為BY1PK試驗(yàn)4W的CW/QRP，使用長(zhǎng)度不足1.5米的三樓窗簾鐵絲和長(zhǎng)度為1.5米左右的塑料線做饋線,，用串并電容的辦法調(diào)到天線電流最大,，測(cè)得VSWR為無(wú)窮大，卻也聯(lián)到了JA,、VK,、U9、OH等電臺(tái),。后來(lái)做了一個(gè)小天調(diào),，把VSWR調(diào)到1，但對(duì)比試驗(yàn)中遠(yuǎn)方友臺(tái)報(bào)告說(shuō),，VSWR的極大變化并沒(méi)有給信號(hào)帶來(lái)什么改進(jìn),，好像信號(hào)還變?nèi)趿诵?，可能本?lái)就微弱的信號(hào)被天調(diào)的損耗又吃掉了一些吧。


    總之,，VSWR道理多多,。既然有了業(yè)余電臺(tái)，總是免不了和VSWR打交道,，不妨多觀察,、積累、交流各自的心得吧,。

    天線系統(tǒng)和輸出阻抗為50歐的發(fā)信機(jī)的匹配條件是天線系統(tǒng)阻抗為50歐純電阻,。要滿(mǎn)足這個(gè)條件，需要做到兩點(diǎn)：第一,，天線電路與工作頻率諧振（否則天線阻抗就不是純電阻）,；第二，選擇適當(dāng)?shù)酿侂婞c(diǎn),。    一些國(guó)外雜志文章在介紹天線時(shí)經(jīng)常給出VSWR的曲線,。有時(shí)會(huì)因此產(chǎn)生一種錯(cuò)覺(jué)，只要VSWR＝1,，總會(huì)是好天線,。其實(shí)，VSWR＝1只能說(shuō)明發(fā)射機(jī)的能量可以有效地傳輸?shù)教炀€系統(tǒng),。但是這些能量是否能有效地輻射到空間,，那是另一個(gè)問(wèn)題。一副按理論長(zhǎng)度作制作的偶極天線,，和一副長(zhǎng)度只有1/20的縮短型天線,，只要采取適當(dāng)措施,，它們都可能做到VSWR＝1,，但發(fā)射效果肯定大相徑庭，不能同日而語(yǔ),。做為極端例子,，一個(gè)50歐姆的電阻，它的VSWR十分理想地等于1,，但是它的發(fā)射效率是0,。

    而如果VSWR不等于1，譬如說(shuō)等于4,，那么可能性會(huì)有很多：天線感性失諧,，天線容性失諧，天線諧振但是饋電點(diǎn)不對(duì),，等等,。在阻抗園圖上,，每一個(gè)VSWR數(shù)值都是一個(gè)園，擁有無(wú)窮多個(gè)點(diǎn),。也就是說(shuō),，VSWR數(shù)值相同時(shí)，天線系統(tǒng)的狀態(tài)有很多種可能性,，因此兩根天線之間僅用VSWR數(shù)值來(lái)做簡(jiǎn)單的互相比較沒(méi)有太嚴(yán)格的意義,。   天線VSWR＝1說(shuō)明天線系統(tǒng)和發(fā)信機(jī)滿(mǎn)足匹配條件，發(fā)信機(jī)的能量可以最有效地輸送到天線上,，匹配的情況只有這一種,。    本文不打算重復(fù)很多無(wú)線電技術(shù)書(shū)籍中關(guān)于電壓駐波比的理論敘述，只是想從感性認(rèn)識(shí)的層面談幾個(gè)實(shí)用問(wèn)題,。