如何選用天線No.11 1993 Sep p44~50, by 施和夫 / BV4DI
無線電通訊在幾年來已成為普遍休閒活動,到處可看到 " 木瓜 "、車天線以及各式各樣的天線。眾所周知,有一支良好又適用之天線,遠勝過有一組好的機器,可是坊間天線的種類千奇百怪,對於一位新接觸者,可說如墜五里霧中。筆者毛遂自薦,提出個人所學,供大家參考,若有錯誤望請前輩指正。 筆者在此將一般常見的觀念問題及數據運用重點提出如下。
天線極化種類一般分為「線型極化」及「橢圓型極化」二種,亦即電場極化方向:
線型極化水平極化 垂直極化 橢圓極化因為圓在數學上為橢圓之特例,一般所謂的圓型極化即為橢圓極化,它的特性是一般的線型天線皆可接收互通: 左旋、右旋極化 上述四種極化於物理學上有些會彼此相互正交 (垂直),因此,同一種極化之電波,最好用同一種極化之天線接收,否則訊號強度將相差 數十 dB 以上。雖然橢圓極化可與線型極化互通,但有些許感度差異,不可不慎。不過在長程通訊時,由於電離層反射及大氣之散射偏極 化等因素,會產生各種極化,因而可互通,因此,HF 通訊時,垂直 GP 天線能與水平 DIPOLE 及 YAGI 指向天線通的很愉快。 另外,架設天線時須注意天線附近不要有平行於極化方向之導體。
增益及輻射圖一般人通常認為增益越高越好,但真若如此,就不會有這麼多種不同增益的天線上市。要了解其中緣由,非得從增益及天線增益之定義了解。 註:本文中所標示之增益有二種;一為單純之功率比,以小寫 g 表示;另一為對數功率比,亦即以 dB 為單位之增益,以大寫 G 表示;二者皆稱為增益,只是於公式表示時有所不同,請勿混淆。 增益有電壓增益及功率增益之分,以 dB 為單位,其定義式如下:
功率增益 對於天線,我們最常用的為功率增益,因為功率增益的定義最容易使人了解天線增益的功效及功能。我們常聽到 " 用增益 20dB 天線輸 入 5W 功率將等效於 500W 用 0dB 天線 ",這是沒有錯的,但是常會給人一個錯誤的觀念;" 天線有放大功率之功能 "!天線在定義上 只是電能與電磁波的轉換器,在沒有外部供給電能的情形下,是不可能放大功率的。到底何為天線增益? 天線增益 天線增益其實是天線或天線行列在某一個方向集中輻射功率的能力,或是吸收某特定方向之輻射功率能力。為更有效的解釋,我們定義一 單位面積輻射功率強度為 P:
Gi 通常以 dBi 表示之,是為相對等向輻射之增益。半波偶極天線之最大輻射為 2.15dBi,是為天線增益常用之單位。另外也有以半波偶 極天線為參考值的:
G 通常以 dB 表示,也就是天線增益 dB 與 dBi 差 2.15,購買時須注意,不過市面上常有廠商不分這兩種比較單位,也就是看到的是 dB 而卻是 dBi,不可不察。當然這並非廠商之錯誤,畢竟增益的單位為 dB,只是一個比較值而已。 一般認為於特定方向的天線增益越高越好,因該特定方向的輻射功率強度較強或接收能力較強。通常許多人會有疑問:為何同樣輸出瓦數 ,同樣增益的天線,VHP 通訊距離較 UHF 遠?這其中最重要之因素便是天線有效面積: 天線有效面積
我們常以燈泡照射範圍來形容天線的有效面積,如圖二,當沒有反射鏡時,燈光向四周散開,這也是前面所說之標準 dB 的比較值。當燈 泡後面有一拋物面反射鏡時,光線向一方集中,產生增益;反射鏡越大時,光線向其他方向散開的比率就越低;也就是越集中,從增益的 眼光而言,就是增益越高,也就是反射面越大越好。這很難解釋有效面積,要有效的解釋就非得從接收的觀點來看。 在光學上最容易解釋的是以反射式望遠鏡構造,如圖三,就如同放大鏡一般,鏡面越大,越容易集中陽光熱能於焦點上,使紙燃燒,如圖 四。因在地平面上,單位面積上的光能一樣,所以面積越大,它所集中的能量就越大,無線電波也是一樣,所以天線增益越高,則有效面 積越大。半波長偶極天線約有效面積如下:
當天線有增益 g 時:
接收功率為:
由上面的公式可知為甚麼 VHF 通訊距離較 UHF 遠;在相同之距離下,144 與 430MHz 的接收功率就差了 9 倍。因此,為達相同之效果 ,430MHz 天線增益就非得比 144MHz 天線多約 10dB。同樣的,碟型反射天線在理想之狀態下 (反射面為修正後之拋物面),其天線有效 面樍趨近於反射面之大小,其增益可由下列公式算出:
天線的增益是發生在特定方向上,至於是甚麼方向,那就是另一門學問了。要了解增益發生方向,就須從輻射圖上去了解,特別是專業用圖,如中繼站的天線,更是需要從天線輻射圖著手,這也是為甚麼幾乎所有天線書籍皆至少以一章篇幅來介紹天線輻射圖 (場強圖) 的原因,其重要性可知,只是天線製造商很少提供。 輻射圖輻射圖一般有分水平圖及垂直圖,我們以下列數種天線之輻射圖來解說該天線之一些特性:
水平指向天線
相關電氣特性
輸入阻抗一般常用的為 50 歐姆輸入阻抗,一些專業天線往往有不同的輸入阻抗,有些甚至大於 600 歐姆以上,特別於短波高功率輸出時。一般家用電視天線分為 75 歐姆及 300 歐姆二種,使用時須注意,阻抗不匹配將造成功率損失,或倒灌燒燬功率晶體,不可不慎。 輸入阻抗與SWR (駐波比) 是一體兩面,其關係如下列公式:
而 SWR 通常隨著頻率改變而變化,在巿面上所售的天線通常會附有頻率與 SWR 關係圖,如圖十,由圖中可知一支天線的最佳使用頻率及可使用之頻寬範圍;有些售品還提供調整方法,以發揮其應有之功能。 耐入力天線本身的匹配方法各有不同,有電容式、電感式或是變壓器式,其電子元件之耐電壓、耐電流與耐功率亦有不同,使用不當,將造成天線匹配元件燒燬,SWR 上升,嚴重者燒燬機器。 接收專用天線巿面上也有接收專用天線,增益特別高,這些天線內部有加前置放大器,使增益加大。由於只考慮接收狀態,連 0.5W 都無法承受,使用時須特別注意。 參考書目:
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