BA5CW业余无线电竞赛
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BA5CW天线设计历程——有源接收天线 BA5CW 去年（2020年初）这个时候，心里想着的是如何恢复上路湾的BY5CD，写下的内容虽然是给其他竞赛台参考用的，但其基本考虑还是基于上路湾建设的思考，转眼过去一年时间了，懒人的习惯占了上风，后来选择了离我很近的海盐BY5EA做主场，也让我体会了没有了地形优势后真实困难，去年这个帖子上的分析已经很清楚地表达了这种差别是巨大的，可真的设身处地后，还是有很大的失落感。不过光感叹是没有用的，业余爱好本来就是因地制宜，如何发挥好现有条件才是王道。 回过来说说去年一直心心念念的接收阵列，由于自己动手能力太差，或者说因为工作的原因，已经把我培养成了一个动口不动手的“假君子”，这个阵列的事情就放下了，直到2021年3月的WPX SSB比赛前，BD4CB对有源天线组成的阵列系统有强烈兴趣，我给了一个快速解决方案，最终由BD4CB在比赛过程中安装完成，但是效果不好，问题点有好几个，其中我们偷懒使用成品miniwhip作为有源天线是个很大的问题。因此最近一个月把精力集中到了高性能有源天线的单体制作上，初步测试还比较成功。 在测试过程中，想到了大多数人没有架设8环阵列的场地，需要考虑地方受限的普通爱好者和竞赛台根据条件的折衷需要，所以我花了点时间做了有源短天线的各种应用和性能评估，作为系列文章的一个延续。 1 短振子（2.5m）有源天线的应用——两单元阵列
从90°-150°不同移相角度的方向图，选110°到120°之间相对平衡 上图显示了两单元阵列在不同移相角度时的方向特性，90°时增益最大（-11dBi），作为接收天线从方向性考虑用110°-120°偏向优化前后比（FB），可能比较合适；当移相角度大于等于120°后方向系数（RDF）更优，但前后比稍差，根据噪声的方向特性，尤其是背后噪声不大的时候可以考虑使用更大的移相角（更短的移相线）。各种选择都有一定理由，不用太纠结移相精度。
上图给出更为实用的例子，用三根直立组成的2单元阵列，可以切换6个方向，馈电同样适用于50欧姆和75欧姆馈线体系。在不改变任何物理尺寸和馈线长度前提下，80米波段使用时相当于延迟150°，160米波段使用时相当于延迟165°。 附1：下图20M 2单元的参考数据，如果只用两个振子固定南边方向架设的方案，在20m波段的方向上也还是比较实用的。
附2：下图是10米间距2EL阵列和占地10对角线的K9AY的对比，考虑到K9AY主要用于80米波段以下，在80米上的数据2单元阵列在增益小了7.8dB，前后比好了2dB，RDF好了1.5dB，在接收效果上是优于K9AY的。
附3：下图模拟了标准50欧姆馈电体系下，天线阻抗匹配偏离到25欧姆和75欧姆的对比：
天线本身的阻抗对方向图影响不算大，而且天线阻抗设计比较大的话，更有利于增益提高。 2 短振子（2.5m）有源天线的应用——3单元有源阵列设计 2021年12月9日更新：感谢BH4RRG发现了笔者的相位计算错误，修正了计算错误后，笔者发现事实上三单元应用并不能很好应用于多个波段，而只能是单波段优化，这就等效于4SQ的设计了，只是把4SQ的两侧振子合并为本方案的中间振子，和4SQ比失去了多方向优势，而带来的效益没有比上述两单元增加太多，因此可以认为本方案并不实用。当然如果只考虑一个方向的应用，还是可以尝试的，假设振子间距仍为四分之一波长，正确的移相应该是90°，此时比两单元略好。 下图给出一个三单元端射的应用实例，经过计算选择了40m波段为基准，振子间距10米，以及120°移相，选择过程和上面的两单元类似，不再赘述。
此设计的要点在于巧妙使用两次180°反向和适当的并联，得到三个振子需要的相位差和幅度差，只用一条移相线就适用于40m、80m、160m甚至20m以上的波段。
三单元端射（ENDFIRE）在方向性上比两单元的优势是显而易见的，40m80m160m的FB分别是27db、31db、15db，而RDF普遍高了2db，分别是10.4db、11.2db、10.9db，仅为40m设计的间距在多波段应用上增益差距较大，尤其是在160m应用时，平均正向增益在安静的郊区环境，noise margin为-1.6db，几乎是难以接受的，一定要用于160m波段话，可以考虑增大间距或者把振子加长。综上所述，三单元的电路负载，切换方向也不那么自由，带来的效果不那么吸引人，所以推荐使用2单元阵列。 3 四单元有源天线的应用 四单元阵列的选择比上述两节复杂一些，比较典型的是4 SQUARE整列，4SQ阵列的本质上是上诉三单元直立阵列的变形，区别在于把三单元的中间那条振子分成了两条，但馈电相位有些变化，通常用正交移相电路做成0°（后）- 90°（中间两条）- 180°（前）移相体系，因为布局的对称性，通过切换馈电，可以有4个方向的标准SQ选择，也可以进一步做成8个方向，增加的4个方向性能略低。由于采用正交移相电桥只能单波段使用，用作发射天线比较普遍，当然也可以作为接收专用，4SQ在之前介绍过很多次，这里就不展开了。 4单元振子也可以一字排开，不考虑电路的复杂性，也不考虑多方向需要的话，只要在每条振子上加适当的电压幅度和相位，总可以形成特定方向的场强叠加和抵消，成为良好的阵列天线。但这和本篇思路不太匹配，上面两节设计的移相电路具有一定通用性并适合多波段使用，很难满足4单元一字排开的需要，所以不做具体展开分析了。
能和1、2两节中的移相电路一脉相承的四单元阵列的应用就是把第一节中的两单元再复制一份平行排开，这和普通的八木同相堆叠是一样的道理，在相距0.63波长左右的距离，不需要特别移相，就可以得到最佳的场强叠加，普通八木上下堆叠时主要压低了仰角，而这里的水平堆叠则是压窄了水平波瓣宽度，不仅提高了增益，而且可以得到很优秀的方向性参数，这其实就是BA5CW天线设计历程——40m天线里描述的8 circle的基本工作单元，由于可以巧妙地安排成圆周对称，用8条振子就可以实现8个方向，但本质上它是一个四单元的阵列。 4 有源天线单体电路的选择考虑 鞭状短天线和全尺寸天线比，基本可以等效为点天线，其输出阻抗很低（不到1欧姆），输出电容大约为15-25p。用场效应管高阻特性做输入级已经被证明有合适的动态范围和IMD特性，有源天线并没有电压增益，只不过是完成了宽带匹配，一般来讲可以做到150k-5MHz的3dB带宽，整个电路从输入到输出大约有3dB的衰减，考虑到J310这类管子的NF是3db左右，整体NF约为6dB。
这是一个典型动态范围比较大的推挽输出有源天线电路，整体NF~6dB，IP3 +50dBm
为了改进IP3和NF，以及避免使用难以获得的PNP三极管，如果不嫌1:1变压器制作麻烦，可以改用双NPN的推挽电路，选用合适的管子后级的NF也有所提高
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BA5CW 2021-12-11
