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來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 當(dāng)今的無(wú)線設(shè)備緊湊小巧且移動(dòng)性強(qiáng)，在千兆赫頻譜下運(yùn)行，而具有歷史意義的長(zhǎng)線偶極天線似乎已經(jīng)過(guò)時(shí)，但事實(shí)并非如此。偶極天線因優(yōu)點(diǎn)眾多，目前仍被軍事領(lǐng)域、緊急服務(wù)、廣播公司和業(yè)余無(wú)線電愛(ài)好者 (hams) 廣泛用于長(zhǎng)距離、全球點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路和廣域廣播。 這些優(yōu)點(diǎn)包括靈活、易于設(shè)置、輻射模式可調(diào)、對(duì)其他設(shè)備能見(jiàn)度低以及包裝/攜帶尺寸較小。偶極天線主要在低于 30 MHz（10 m 波長(zhǎng)）的頻率下使用，此范圍曾被指定為高頻 (HF) 頻帶（3 至 30 MHz）以及較低頻率/較長(zhǎng)波長(zhǎng)。另一個(gè)好處是，在偶極子兩臂中添加簡(jiǎn)單的諧振 LC 電路“陷波器”后，單個(gè)偶極天線可以同時(shí)在多個(gè)頻帶下工作。 本文將簡(jiǎn)要概述長(zhǎng)線（偶極）天線的原理，提出一些理論與實(shí)踐的注意事項(xiàng)，并解釋陷波器如何用作多頻帶天線，提高其實(shí)用性。（其中有些注意事項(xiàng)適用于其他偶極配置，例如眾所周知的折疊偶極，但也存在重要差異。） 為何使用長(zhǎng)線偶極天線？ 由于當(dāng)今使用的許多天線都很短（多數(shù)情況下約一米或更短）或幾乎不可見(jiàn)，如智能手機(jī)內(nèi)部的芯片諧振器或平面倒 F 天線 (PIFA)，因此長(zhǎng)線偶極天線可能顯得有點(diǎn)過(guò)時(shí)或者奇怪。然而，Maxwell 方程和波動(dòng)理論表明，有效的偶極輻射器/接收器的主要尺寸必須是目標(biāo)波長(zhǎng)的一半。這種經(jīng)典的偶極天線不接地，為發(fā)射器功率放大器和接收器前端放大器提供平衡、對(duì)稱(chēng)的負(fù)載（圖 1）。（理想偶極子的標(biāo)稱(chēng)阻抗為 73 Ω，引用時(shí)通常取 75 Ω；差異忽略不計(jì)。）如果天線連接到公共 50 Ω 饋線，則饋線和天線之間需要適度的阻抗匹配。 
圖 1：基礎(chǔ)型經(jīng)典偶極天線有兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)臂，在其諧振工作頻率下用作 73 Ω 平衡電阻負(fù)載。（圖片來(lái)源：MicrowaveTools） 如果偶極子使用細(xì)線，帶寬通常約為中心頻率的 5%；線加粗將增加最多 20% 的帶寬，但會(huì)影響其他性能屬性。如果通過(guò)接地電路連接到發(fā)射器或接收器并使用同軸電纜作為饋線，則可能需要平衡不平衡轉(zhuǎn)換器。但只要阻抗適當(dāng)匹配，多數(shù)情況下可直接使用同軸電纜。 長(zhǎng)線偶極天線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，吸引力顯而易見(jiàn)。只需要兩條等長(zhǎng)的電線，將其連接到樹(shù)木、建筑物、路標(biāo)或任何順手的地方。天線通常不直接連接到這些支架；相反，通常用電線和絕緣子作附件“支座”（圖 2）。
圖 2：偶極子通常通過(guò)絕緣子（白色）和電線連接到支架，電線長(zhǎng)度應(yīng)使偶極子臂長(zhǎng)保持不變，不受支架間距影響。（圖片來(lái)源：Physics Forums） 在實(shí)踐中，為了獲得最佳性能，實(shí)際天線長(zhǎng)度可能需要調(diào)整，以適應(yīng)電線粗細(xì)有限且與理論有偏差的情況，但調(diào)整通常小于 5%。即使不調(diào)整，通常性能也相當(dāng)不錯(cuò)，電壓駐波比 (VSWR) 通常低于普遍可接受的 1.5:1。 在存在明顯天線阻抗偏移或不匹配的情況下，VSWR 將上升到不可接受的水平，性能會(huì)受到影響。這種情況下，可在饋線中使用可調(diào)式天線調(diào)諧器來(lái)補(bǔ)償和過(guò)渡。 偶極子的理論增益約為 2 dBi（即全向天線增益）。偶極子的輻射模式很簡(jiǎn)單，通常為環(huán)面或圓環(huán)（圖 3）。
圖 3：從垂直平面 (A) 的上方和水平面的側(cè)面看，偶極子的輻射模式類(lèi)似于環(huán)面或圓環(huán) (B)。（圖片來(lái)源：Science Direct） 用戶(hù)可以調(diào)整天線方向，將最大發(fā)射器能量/接收器靈敏度指向目標(biāo)無(wú)線電收發(fā)器，收發(fā)器通常位于數(shù)千英里外。許多記錄案例中，在合適的大氣傳播條件下，在 20 m 和 40 m 處使用偶極子實(shí)現(xiàn)了這些距離下的成功通信，發(fā)射功率遠(yuǎn)低于 1 W，因?yàn)樗男屎洼椛淠Ｊ椒浅：谩?br /> 多頻帶操作擴(kuò)展了多功能性 在許多實(shí)際 HF 通信情況下，有必要嘗試在多個(gè)頻帶同時(shí)建立聯(lián)系或在不同時(shí)間切換頻帶，因?yàn)檫B接受許多變量影響，如太陽(yáng)黑子、大氣噪聲、白天與夜間工作，以及不斷變化的傳播條件。因此，單頻帶偶極天線可能不夠用。 明顯的解決方案是設(shè)置多個(gè)偶極天線，每個(gè)相關(guān)頻帶/波長(zhǎng)使用一個(gè)。然而，這樣做對(duì)于在多條饋線之間進(jìn)行裝配、纏結(jié)、管理和切換具有實(shí)際困難。在某些情況下，RF 分離器/組合器可用于使單條饋線連接到兩個(gè)天線，但這會(huì)帶來(lái)?yè)p耗和新的阻抗匹配問(wèn)題。 幸運(yùn)的是，從最早期的無(wú)線電開(kāi)始就有更好的解決方案，就像偶極子一樣：“陷波器”。（尚不清楚該術(shù)語(yǔ)何時(shí)首次引入或由誰(shuí)引入；這個(gè)詞未在介紹這項(xiàng)技術(shù)的 1941 年美國(guó)專(zhuān)利 2,229,865 中使用。）陷波器是一種簡(jiǎn)單的并聯(lián)電感器-電容器 (LC) 組合，可在兩個(gè)相關(guān)頻帶之間自諧振。 在偶極子的每個(gè)臂中插入一個(gè)陷波器，使實(shí)際長(zhǎng)度一定的天線具有兩種電氣長(zhǎng)度。在低于共振頻率的頻率下，陷波器的電抗為電感性；高于共振頻率，則為電容性。陷波器如同開(kāi)關(guān)，在陷波器的設(shè)計(jì)頻率下以電氣方式切斷天線的其余部分，而在天線的共振頻率以下充當(dāng)負(fù)載線圈。 簡(jiǎn)化的陷波器電氣模型顯示了物理電感器和電容器以及一個(gè)小的寄生電阻 (RP)（圖 4）。
圖 4：陷波器是簡(jiǎn)單的諧振 LC 電路，帶有不需要但又不可避免的電阻，可以串聯(lián) (a) 或并聯(lián) RLC 電路 (b) 建模。（圖片來(lái)源：AntenTop） 陷波器存在一個(gè)缺陷，即會(huì)產(chǎn)生損耗，這對(duì)于傳輸和接收模式都是問(wèn)題。然而，經(jīng)過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)和調(diào)諧的陷波器會(huì)產(chǎn)生大約 1 dB 的適度損耗，通常可以接受，以換取其便利性。 選擇陷波器元器件值 從數(shù)學(xué)角度，有無(wú)數(shù)個(gè) LC 配對(duì)能產(chǎn)生所需的共振頻率。然而，其中許多需要極小（或大）的電感器，分別與極大（或小）的電容器相匹配。這種配對(duì)的寄生效應(yīng)和物理尺寸問(wèn)題影響太大，并且 Q 值（品質(zhì)因數(shù)）對(duì)于相關(guān)頻帶來(lái)說(shuō)太窄或太寬。 幸運(yùn)的是，有大量根據(jù)理論、實(shí)施和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行陷波器選型的文獻(xiàn)。例如，對(duì)于 80/40 m 偶極子，可以首先選擇使用 5.55 μH 電感器的陷波器與 100 pF 電容器配對(duì)（圖 5）。
圖 5：所示元器件值和偶極子線性尺寸（以英尺為單位）是 80/40 m 多頻帶偶極子的絕佳著手點(diǎn)。（圖片來(lái)源：QSL Net） 選擇陷波器元器件不僅僅需要確定合適的 L 和 C 值，因?yàn)樵诠β嗜萘亢头�(wěn)健性方面存在一些非常實(shí)際的問(wèn)題。對(duì)于僅用于接收的天線，幾乎任何電感器或電容器都可以處理非常少量的毫瓦級(jí)甚至更低的接收功率。然而，發(fā)射器的功率水平通常為數(shù)十瓦、數(shù)百瓦甚至更高，因此必須針對(duì)這些功率水平對(duì)陷波器元器件進(jìn)行評(píng)測(cè)。 陷波器也暴露在天氣中。雖然有些偶極天線位于閣樓或木谷倉(cāng)等溫和環(huán)境中，但大多數(shù)都在室外，因此必須耐受雨水、風(fēng)壓、極端溫度、冷凝等。因此，陷波器及其連接必須完全密封，具有排水和通風(fēng)裝置，或者采用耐候材料制造。即使連接完好，進(jìn)水或腐蝕都會(huì)影響元器件值，從而改變共振頻率。 陷波器結(jié)構(gòu)通常需要通過(guò)將其元器件密封在塑料外殼中、使用保形涂層或使用某種耐候性暴露結(jié)構(gòu)來(lái)封裝元器件（圖 6）。低成本 PVC 管往往用作繞線電感器感的卷芯；其他情況下，帶有密封端蓋的 PVC 管用作外殼，并帶有防水孔。
圖 6：這個(gè)自制的 80/40 m 陷波器使用環(huán)繞 PVC 管的手繞電感器作為卷芯支撐。（圖片來(lái)源：www.vk4adc.com） 此外，還有另一個(gè)實(shí)際問(wèn)題需要考慮：調(diào)整和修剪陷波器元器件。雖然計(jì)算元器件值是必要的第一步，但由于寄生效應(yīng)、線徑和電感器繞組缺陷等實(shí)際因素，通常達(dá)不到理想值。 因此，大多數(shù)自制陷波器和許多商業(yè)陷波器允許用戶(hù)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì) L 和 C 值進(jìn)行一些調(diào)整以達(dá)到所需性能，這通常使用 VSWR 表來(lái)完成。微調(diào)可能是個(gè)令人沮喪的迭代過(guò)程，尤其是在 DIY 實(shí)施中；同樣，有許多網(wǎng)站提供了簡(jiǎn)化流程的實(shí)用建議。 陷波器的使用不僅限于在兩個(gè)頻帶上單獨(dú)使用長(zhǎng)線偶極子。通過(guò)使用一系列陷波器，可以構(gòu)建三頻帶甚至四頻帶的偶極天線。然而，這樣做需要在天線輻射模式、增益、帶寬和其他參數(shù)方面進(jìn)行其他調(diào)整，還有一些性能折衷和權(quán)衡。 不限于簡(jiǎn)單偶極子 雖然陷波器通常和基礎(chǔ)型長(zhǎng)線偶極子關(guān)聯(lián)，但它們并不限于此種天線設(shè)計(jì)。例如，多頻帶定向高增益八木天線（常簡(jiǎn)稱(chēng)“八木”）使用了有源和無(wú)源偶極子陣列構(gòu)成。這種形式的八木在其導(dǎo)向器、有源驅(qū)動(dòng)器和反射器元件中使用了陷波器，因此可以在多個(gè)頻帶下工作（圖 7）。
圖 7：在基礎(chǔ)型偶極子以及更為復(fù)雜的多頻帶天線上，陷波器可用于三頻帶工作，例如這種 20/15/10 m 八木設(shè)計(jì)；圖示（從左到右）為天線導(dǎo)向器、驅(qū)動(dòng)器和反射器元件，各元件每個(gè)臂上都有兩個(gè)陷波器。（圖片來(lái)源：OnAllBands） 您可以制作自己的偶極子，許多一次性使用的情況即是如此。但也可作為標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)裝置使用，如 PulseLarsen Antennas 的 KGI825。這種具有 2 dB 增益的基礎(chǔ)型四分之一波長(zhǎng)偶極子設(shè)計(jì)工作范圍為 806 至 896 MHz，中心頻率為 851 MHz（圖 8）。
圖 8：KGI825 是一款四分之一波長(zhǎng)偶極天線，增益為 2 dB，中心頻率為 851 MHz。（圖片來(lái)源：PulseLarsen Antennas） KGI825 可處理高達(dá) 60 W 的發(fā)射功率，窗口厚度為 0.138 至 0.158 in（3.5 至 4 mm），便于磁性安裝。它帶有一根 14 ft (4.25 m) 的 RG-58/U 同軸電纜，用戶(hù)可以添加所需的連接器。 總結(jié) 質(zhì)樸無(wú)華、技術(shù)含量低的長(zhǎng)線偶極天線已經(jīng)在無(wú)線領(lǐng)域應(yīng)用了一個(gè)多世紀(jì)。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、便攜高效，偶極天線還將繼續(xù)延用下去。通過(guò)使用無(wú)源陷波器，功能可以擴(kuò)展到電磁頻譜高頻部分的兩個(gè)甚至更多頻帶。 |
