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來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 當今的無(wú)線(xiàn)設備緊湊小巧且移動(dòng)性強，在千兆赫頻譜下運行，而具有歷史意義的長(cháng)線(xiàn)偶極天線(xiàn)似乎已經(jīng)過(guò)時(shí)，但事實(shí)并非如此。偶極天線(xiàn)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(xiàn)電愛(ài)好者 (hams) 廣泛用于長(cháng)距離、全球點(diǎn)對點(diǎn)鏈路和廣域廣播。 這些優(yōu)點(diǎn)包括靈活、易于設置、輻射模式可調、對其他設備能見(jiàn)度低以及包裝/攜帶尺寸較小。偶極天線(xiàn)主要在低于 30 MHz（10 m 波長(cháng)）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(cháng)波長(cháng)。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(xiàn)可以同時(shí)在多個(gè)頻帶下工作。 本文將簡(jiǎn)要概述長(cháng)線(xiàn)（偶極）天線(xiàn)的原理，提出一些理論與實(shí)踐的注意事項，并解釋陷波器如何用作多頻帶天線(xiàn)，提高其實(shí)用性。（其中有些注意事項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(cháng)線(xiàn)偶極天線(xiàn)？ 由于當今使用的許多天線(xiàn)都很短（多數情況下約一米或更短）或幾乎不可見(jiàn)，如智能手機內部的芯片諧振器或平面倒 F 天線(xiàn) (PIFA)，因此長(cháng)線(xiàn)偶極天線(xiàn)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波長(cháng)的一半。這種經(jīng)典的偶極天線(xiàn)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、對稱(chēng)的負載（圖 1）。（理想偶極子的標稱(chēng)阻抗為 73 Ω，引用時(shí)通常取 75 Ω；差異忽略不計。）如果天線(xiàn)連接到公共 50 Ω 饋線(xiàn)，則饋線(xiàn)和天線(xiàn)之間需要適度的阻抗匹配。 
圖 1：基礎型經(jīng)典偶極天線(xiàn)有兩個(gè)四分之一波長(cháng)臂，在其諧振工作頻率下用作 73 Ω 平衡電阻負載。（圖片來(lái)源：MicrowaveTools） 如果偶極子使用細線(xiàn)，帶寬通常約為中心頻率的 5%；線(xiàn)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(xiàn)，則可能需要平衡不平衡轉換器。但只要阻抗適當匹配，多數情況下可直接使用同軸電纜。 長(cháng)線(xiàn)偶極天線(xiàn)設計簡(jiǎn)單，吸引力顯而易見(jiàn)。只需要兩條等長(cháng)的電線(xiàn)，將其連接到樹(shù)木、建筑物、路標或任何順手的地方。天線(xiàn)通常不直接連接到這些支架；相反，通常用電線(xiàn)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(xiàn)連接到支架，電線(xiàn)長(cháng)度應使偶極子臂長(cháng)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(xiàn)長(cháng)度可能需要調整，以適應電線(xiàn)粗細有限且與理論有偏差的情況，但調整通常小于 5%。即使不調整，通常性能也相當不錯，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(xiàn)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(xiàn)中使用可調式天線(xiàn)調諧器來(lái)補償和過(guò)渡。 偶極子的理論增益約為 2 dBi（即全向天線(xiàn)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)可以調整天線(xiàn)方向，將最大發(fā)射器能量/接收器靈敏度指向目標無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器，收發(fā)器通常位于數千英里外。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)現了這些距離下的成功通信，發(fā)射功率遠低于 1 W，因為它的效率和輻射模式非常好。 多頻帶操作擴展了多功能性 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，因為連接受許多變量影響，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(xiàn)可能不夠用。 明顯的解決方案是設置多個(gè)偶極天線(xiàn)，每個(gè)相關(guān)頻帶/波長(cháng)使用一個(gè)。然而，這樣做對于在多條饋線(xiàn)之間進(jìn)行裝配、纏結、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(xiàn)連接到兩個(gè)天線(xiàn)，但這會(huì )帶來(lái)?yè)p耗和新的阻抗匹配問(wèn)題。 幸運的是，從最早期的無(wú)線(xiàn)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)詞未在介紹這項技術(shù)的 1941 年美國專(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(cháng)度一定的天線(xiàn)具有兩種電氣長(cháng)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)，在陷波器的設計頻率下以電氣方式切斷天線(xiàn)的其余部分，而在天線(xiàn)的共振頻率以下充當負載線(xiàn)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，這對于傳輸和接收模式都是問(wèn)題。然而，經(jīng)過(guò)適當設計和調諧的陷波器會(huì )產(chǎn)生大約 1 dB 的適度損耗，通�？梢越邮�，以換取其便利性。 選擇陷波器元器件值 從數學(xué)角度，有無(wú)數個(gè) LC 配對能產(chǎn)生所需的共振頻率。然而，其中許多需要極�。ɑ虼螅┑碾姼衅�，分別與極大（或�。┑碾娙萜飨嗥ヅ�。這種配對的寄生效應和物理尺寸問(wèn)題影響太大，并且 Q 值（品質(zhì)因數）對于相關(guān)頻帶來(lái)說(shuō)太窄或太寬。 幸運的是，有大量根據理論、實(shí)施和現場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗進(jìn)行陷波器選型的文獻。例如，對于 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（圖 5）。
圖 5：所示元器件值和偶極子線(xiàn)性尺寸（以英尺為單位）是 80/40 m 多頻帶偶極子的絕佳著(zhù)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，因為在功率容量和穩健性方面存在一些非常實(shí)際的問(wèn)題。對于僅用于接收的天線(xiàn)，幾乎任何電感器或電容器都可以處理非常少量的毫瓦級甚至更低的接收功率。然而，發(fā)射器的功率水平通常為數十瓦、數百瓦甚至更高，因此必須針對這些功率水平對陷波器元器件進(jìn)行評測。 陷波器也暴露在天氣中。雖然有些偶極天線(xiàn)位于閣樓或木谷倉等溫和環(huán)境中，但大多數都在室外，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。 陷波器結構通常需要通過(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構來(lái)封裝元器件（圖 6）。低成本 PVC 管往往用作繞線(xiàn)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：調整和修剪陷波器元器件。雖然計算元器件值是必要的第一步，但由于寄生效應、線(xiàn)徑和電感器繞組缺陷等實(shí)際因素，通常達不到理想值。 因此，大多數自制陷波器和許多商業(yè)陷波器允許用戶(hù)在現場(chǎng)對 L 和 C 值進(jìn)行一些調整以達到所需性能，這通常使用 VSWR 表來(lái)完成。微調可能是個(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)頻帶上單獨使用長(cháng)線(xiàn)偶極子。通過(guò)使用一系列陷波器，可以構建三頻帶甚至四頻帶的偶極天線(xiàn)。然而，這樣做需要在天線(xiàn)輻射模式、增益、帶寬和其他參數方面進(jìn)行其他調整，還有一些性能折衷和權衡。 不限于簡(jiǎn)單偶極子 雖然陷波器通常和基礎型長(cháng)線(xiàn)偶極子關(guān)聯(lián)，但它們并不限于此種天線(xiàn)設計。例如，多頻帶定向高增益八木天線(xiàn)（常簡(jiǎn)稱(chēng)“八木”）使用了有源和無(wú)源偶極子陣列構成。這種形式的八木在其導向器、有源驅動(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：在基礎型偶極子以及更為復雜的多頻帶天線(xiàn)上，陷波器可用于三頻帶工作，例如這種 20/15/10 m 八木設計；圖示（從左到右）為天線(xiàn)導向器、驅動(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。但也可作為標準商業(yè)裝置使用，如 PulseLarsen Antennas 的 KGI825。這種具有 2 dB 增益的基礎型四分之一波長(cháng)偶極子設計工作范圍為 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(cháng)偶極天線(xiàn)，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 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 質(zhì)樸無(wú)華、技術(shù)含量低的長(cháng)線(xiàn)偶極天線(xiàn)已經(jīng)在無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域應用了一個(gè)多世紀。由于結構簡(jiǎn)單、適應性強、便攜高效，偶極天線(xiàn)還將繼續延用下去。通過(guò)使用無(wú)源陷波器，功能可以擴展到電磁頻譜高頻部分的兩個(gè)甚至更多頻帶。 |
