小米加步枪的弯道超车—

小米加步枪的弯道超车——简单天线应用

BA5CW

笔者一直以大中型竞赛台的硬件设计、软件应用和多人竞赛策略为主思考问题，这对大多数人来讲是可望而不可及的事情，事实上笔者也会遇到在条件较差的情况下参加比赛的时候，在2010年前，基本上很少有机会用八木，而在2019年重返比赛后，直到2022年底，也是靠屋顶上的偶极天线或端口天线做DX和比赛，当然比赛成绩和用八木的时代不可同日而语，但也可以拿一些小奖状甚至破个把纪录。本篇重点记录一下个人在低功率简单天线下如何参加竞赛的一些思路，规避竞争，发挥自身的优势，做力所能及的改善：

1，玩好QRP并不难，本质是提高EIRP功率：

等效全向（点源）辐射功率=发射机输出 - 馈线损耗 + 天线发射方向的增益（dBi）

图一 ERIP增益的概念

一个优秀的QRP台： EIRP=37dBm-0.5dB低传输损耗+13.5dBi八木天线=50dBm（等效100W）——超过大多数非QRP台
一个传统意义的QRP台： EIRP=37dBm-0.5dB短馈线和损耗+6.5dBi（足够高的dp）=43dBm（等效20W）
一个不太认真的100W台：EIRP=50dBm-0.5dB不太好的接头-6.5dB长馈线+0dBi（仰角高的dp）=43dBm（等效20W）
一个优秀100W竞赛台： EIRP=50dBm-0.5dB低传输损耗+13.5dBi八木天线=63dBm（等效2000W）—— 可以创造很多纪录

由上述论述可见，发射机功率只是一个很表面的东西，设台的综合差别才是影响更大的因数，很多100W电台，包括笔者自己，相当于在玩QRP，当然这并不意味着一个不太认真的100W台就是该批评的，事实上拥有100W电台要比实现低损耗连接和正规地架设天线容易得多，尤其是天线的架设实际上是受到很多条件限制的，比如上不了楼顶，只能使用阳台的鱼竿天线，比如考虑物业和邻里关系，天线需要“隐蔽“，又比如楼层差很大，馈线不得不很长，或许还为了能做全波段的DX，被迫使用了机内天调抑或是效率偏低的端馈之类的天线等等。

相对而言背上一个小巧的QRP电台，去野外可以用很短的馈线去减少损耗，在高波段架设一条临时单波段天线，通过地面效应获得超过7dBi的天线增益，这样做受到的限制少很多。有的爱好者家里条件比较好，可以自由地在楼顶上架设一条正规的多波段天线，利用楼的高度，在低波段上也能实现低仰角，又恰巧不需要很长的馈电路径，你可以非常有信心地去PK那些100W发射但只用粗糙的、偷懒的、低架天线的电台。笔者大部分时间用的就是这种等效功率只有20W的非QRP台，一点也不影响平时追逐DX，应付一般的比赛——因此QRP没那么难，只要降低损耗，认真架设天线就好了，一个“传统意义上的QRP台”大约可以做超过200个DXCC，在一个48小时的比赛中大约也可以做300-500QSO。

2 ERIP够好，小米加步枪的比赛也能出成绩：

国外小米加步枪的普遍定义是低功率（100W以下）+高波段小型三波段八木天线+低波段一个单元的“单线”天线，这在国内其实已经可以对应于第一节中的一个优秀的QRP台和一个优秀的100W竞赛台的硬件水平了，比较典型的例子就是BD7DT（B7C），他们略微超出了国外小米加步枪的定义，估算其EIRP超过2000W，基本上包揽了低功率多人单机的BY纪录。他们靠地形靠合适的天线比很多同时参赛的大功率台成绩好，甚至好很多，原因就是很多所谓大台，虽然用了功放，但在很多波段上的ERIP并不太高。

考虑到国内大多数人的实际情况，笔者想把小米+步枪定义修正为：100W+全波段都使用一单元的简单天线，这符合绝大部分人实际可以做到的条件，在这个基础上动脑筋实现”弯道超车“。

3 选择组别，规避竞争：

我们先把ERIP的问题放一放，比赛获奖或者破纪录，在或者是每一次的自我超越，都需要一些正向激励，我们大多数就是“俗人”，和其他爱好类似，正是奖状、成绩、周边的认可，大众的赞誉，激励我们把一个业余爱好保持下去，长时间没有进步，或者玩到“顶”，都容易退烧。所以有时候走“捷径”取得正反馈也是一种办法，在业余无线电比赛中获得的“墙纸”就是其中之一。但是因为那些大台和超级大台的存在，有时候你无论如何努力都是无法和他们竞争的，好在无线电比赛很多，几乎每周都有，即便是退到每个月的维度，也都可以找出一个以上的“大赛”（重点比赛日期和简要规则）。而每个大赛都有很多组别，那些大台主攻多人比赛，在单人比赛中大台也重点参加全波段、高功率比赛，单波段比赛中的波段越低功率越小竞争就越少，所以找一个冷门的组别参赛，是“弯道超车”的办法之一。当然这些捷径并不意味着你可以随意走通，自身的技术和知识积累，操作的能力训练提高，比赛规则和策略的掌握等等都是“基本素质”。

4 简单天线其实并不简单：

简单天线可以尽可能提高其ERIP，而大型复杂的天线也会因其架设不当反而效果不如简单天线。首先需要知道ERIP是如何提高的，最直接的是提高发射机功率，等效功率的基准就是假设为点源在自由空间的辐射，代表着在球面的各方向都有相同的辐射，而一旦有了方向性，就可以在增益最大的方向上取得这个方向的ERIP。在本篇里我们以100W发射机输出功率为例，在我们目标方向上取得尽可能高的ERIP，需要考虑天线的形式带来的方向性（包括辐射仰角）、辐射效率，再扣除发射机到天线的馈线、天调、巴伦、接头等器件带来的损耗。后续的说明中不再以ERIP为基准，因为ERIP本身定义的是最大辐射方向的等效功率，而对我们更有用的是DX所需要的辐射方向加辐射仰角的等效功率，本篇中统一简称为有用功率。我们可以在有用功率和现有架设条件中做取舍，但必须清楚这些折衷是否是自己可以忍受的。

1）天线架设地点和架设高度对辐射仰角的影响
首先，我们了解一下需要什么样的仰角，本文谈论的是用于比赛或DX，重点目标地区为北美、欧洲和日本。他们贡献了95%以上的比赛基础分。通过传播软件的分析统计，20米以上高波段我国东部地区对北美的仰角集中在0-15°之间，尤其是10°以下占了大头，低至1°还有很大比例的传播。对欧洲的情况也类似，只是极低仰角部分比北美比例略低，4-10°占的比例最高，对日本是8°以上的很大范围，以10-15°为主，综上所述我们重点关注5-10°的仰角，而10-15°也相对重要，大台会关注1-5°，不过这对于小台来讲太难了，只好暂时选择性地忽略。对于40m以下的低波段来讲，仰角分别更广，可以扩展到0-20°的范围，对日本甚至扩展至30°以上，无论如何低仰角仍然非常重要。因此本文后续统一以10°仰角的有用功率作为对比参照。

图二,20米波段为例，一个典型的山头地形上12米高度架设的DP天线，效果远超地面上同高度架设的八木天线，
10°仰角有效功率1100W对350W，在极低仰角上优势更是在地面用即使再多单元的八木也很难获得
既然天线的有用辐射大多集中在低仰角，在水平方向图上则是越窄越好，由于简单天线在水平方向图上基本上是全向的（高架的DP趋向于8字形方向图），改善的余地并不大，这是和定向天线比最大的弱势，然而定向天线如果架设高度太低，其水平方向性急剧下降，而且垂直仰角上一样会很高，如果能把DP架设得比八木更高，DP的有用辐射就可以强于八木，这是弯道超车的途径之一。

图三，20米波段为例，虽然DP最大增益不会超过8.15dB，但安装在小高层上后，
10°以下仰角的有效功率大幅度超过典型12米高的三单元八木天线
如何降低辐射仰角呢？粗略的办法有几种，最有效的是找一个山头，利用山坡的自然倾斜可以极大地降低辐射仰角，而且其仰角不会像高架天线那样有严重的分裂（凹陷），这几乎是弯道超车的最佳办法。其次就是架高天线了，架高的办法有多种，最直接的就是在平地上用高高的立竿架设水平（倒V）天线，变通的方法是在楼顶上架设一定高度的天线，只要离开楼面一定的高度，楼面的影响很有限，等效高度接近于楼高+立竿高度，这是很好的捷径，你有可能会发现很多高楼上架设简单一条长线就可以打败地面架设八木天线的例子。如果你没有高楼，立竿也不够高，还有一个办法就是用直立天线，直立天线很依赖于地面电导率，需要改善地的状态，后面会专门针对直立天线做一个简单论述。

图四，DP天线10°仰角有用功率：2波长高度570W，1波长高度355W，半波长高158W，1/4波长高26W
是不是越高越好？对大部分人来讲当然是越高越好，从上图可见2波长还是需要的，通常来讲架到1波长高度以上并不容易。但对于高楼架设天线，尤其是城市里很普遍的小高层或高层住宅，高度还真有可能超出2个波长，我们可能改变不了什么，但是我们需要清楚得到的和付出的情况，做到心里有数。

图五，在高层或小高层住宅上20m波段已经出现不希望的增益凹陷，15m和10m则增益波动不可控问题更大
2）各种简单天线形式的方向性和辐射效率

a 作为简单天线基准的单波段偶极振子：
在自由空间下，标准的偶极振子因其8字形的方向图，可以有2.14dBi的增益，扣除巴伦，不长的馈线、良好的接头带来的0.4dB损耗，基本上就是150W的等效功率。实际使用中，由于地面效应，还可以带来最高6dB的地面增益（总增益2.15+6=8.15dBi），控制好架设高度，让最大辐射仰角时候DX和比赛的需要（通常来讲小台高波段能做到10°左右就比较均衡了，低波段可以放宽到15°-25°），那么我们的有用功率最大可以做到653W!!! 要做到这点并不难，只需要离开地面1波长高度架设就可以了，此时有用功率达500W以上。如果能上到山头上，那DP天线的有用功率达到1000W也是常见的。
而如果一条八木天线架设比较低，更有甚者八木调试不当而根本没有体现其方向性，很有可能因为架设高度不够，而在有用的低仰角下还是负增益，结果其有效功率完全有可能还不足100W，看起来也用了八木，用了100w高级电台，也可以旋转控制，但其实际效果还不如一条简单的电线。当然这些措施用八木的人也可以有，尤其是大台，基本不会犯这类低级错误，不过你仍有可能赢那些知识不够扎实而掉入陷阱的中小台。
b 利用谐波，扩展波段
偶极天线单边振子长度为1/4 波长的奇数倍时，偶极子将呈现低馈点阻抗。常见的是 40m 偶极子三次谐波可用于 15m，或使用 80m 偶极子的3次谐波接近30m，5次谐波接近17m， 7 次谐波接近12m（135欧姆左右）。但是高次谐波应用会使馈电点阻抗高于50欧姆，例如7.15 MHz的偶极子谐振在21.7 MHz附近，其阻抗约为105欧姆。在21.3 MHz时，SWR约为2.6：1，在15m频段的低端SWR约为4：1。需要在馈电点外两侧约 3 米处添加一根 35 厘米的“尾巴”才能使15 米频段应用（此时对 40 米波段几乎没什么影响）。类似的情况可以把80米波段的天线扩展为80+WARC波段使用。如果调整得当（实际上挺难调的），辐射效率影响不大，但是方向性却随着谐波的次数增加，趋向于分裂，会导致辐射方向图中有更多的波瓣和零点，造成有的方向好于标准DP，有的方向差很多，如果用倒V的方式架设，可以拉低点阻抗，并且减弱方向性差别，详见图六。
图六 3-7次谐波偶极天线的方向图
c 多波段并联偶极天线
谈到这里之前，还相对理论化和理想化，实际上小台遇到的各种条件限制，以及实际应用需求，必然会打折扣。如果我们玩单波段，那上面那些就够了，在一个波段上做强虽然也是弯道超出的重要手段，但大多数人是不甘于玩一个波段的，至少需要40-20-15-10四个波段，有条件还会加上80m波段，在追DX上，还会有30-17-12三个WARC波段的需求，最简单的做法就是每个波段一副天线，并且有自己独立的支撑，很少有小台有这样的场地条件，这样就带来了多波段天线问题的探讨。

图七、常见的多波段并联偶极天线做法，10-20-40-80，15米三次谐波用40米振子
多波段振子并联的DP天线是ham中常见的接近多波段需求的解决方案。但是多波段并联的调试和效果比想象中的难，这也是影响性能的很重要的原因之一。如果真的按照图七这样常见的做发去实验，会发现有很多问题，当导线靠得很近时，互相影响很严重。一般的思路是事先将每根电线切割成不同的频率，但期望后期进行大量调整以使其谐振在需要的各波段上，网上的资料说让电线的末端从束上垂下会有所帮助，当使用单独的电线时，将每根电线绑在不同的锚点上，或者至少让一根线垂在另一根线下方，会减少相互作用。但笔者曾经按照这个方法制作过天线，无论是下垂也好，分开锚点也好，各振子的互相影响仍很严重，最直观的是驻波比调不下来，动了很多脑筋，调试后，勉强能够使用。

图八，笔者楼顶多波段并联偶极天线的各波段方向图计算机模拟
后来通过软件模拟看天线性能，完全超出想象，实际上80米波段振子的多次谐波是这条天线的主流影响因数，对40m的影响还好，对高波段的影响简直和长线天线是类似的，对40m和80m波段来讲，还是全向天线，和标准DP差别不大，对高波段而言，方向是“乱”的，有的方向增益加强，有的方向增益非常低，所以很难把握。解决方法：不能用一条多波段并联DP去解决80-10m所有波段，必须适当分开，例如用两条多波段并联DP去完成。
d 陷波器的影响
　
　
　
d 用偏馈甚至端馈解决多波段简单天线有多大影响
　
e 长线加天调解决多波段使用的得失

　

f 直立天线

3）馈线和接头的影响和选择

撰写时的备用资料：

调谐天线（“双联”）
“双峰”是偶极子的通用术语，偶极子由低损耗电缆（通常是阻抗为 300 – 600 欧姆的平行导体双引线或开线线）馈入，并在平行导体线和同轴电缆之间的连接处使用天线调谐器在多个频段上进行匹配。

双联天线的基本形式。
这种天线通常在最低工作频段上被确定为半波，但这通常确保馈点阻抗在其他频段上会很高。通常它们可以与好的宽范围天线调谐器匹配：调谐器看到的阻抗将取决于天线和馈线的长度，并且可以在非常宽的范围内变化。如果这些超出了调谐器的可用匹配范围，则可以在调谐器的输出上添加额外的线路长度以改变阻抗，以便更容易匹配。在实践中，从不谐振的天线长度开始可能更容易：当使用调谐器时，确切的长度几乎没有区别。

我在 40 米、20 米和 15 米上使用 40 米双峰的经验是，有时，根据线长，我无法在 20 米上与任何调谐器进行良好的匹配，但其他时候我可以（当我碰巧使用不同的馈线长度时）。

实际的最小长度通常表示为3/8波长，因为效率可以降至该点以下。较短的长度可以投入使用，但应评估调谐器的匹配范围（和潜在损耗）。至少要注意调谐器中线圈的温度，以确保它不会过热。

DJ0IP对各种双峰长度的结果进行了很好的总结。

多年来，建议在某些频段上不使用调谐器使用天线和馈线长度的一些组合。也许最著名的是 5 年代和 1940 年代开发的 G5RV 天线。这包括一个31米（102英尺）长的水平天线，中间馈入8.5米至10.5米（28至34英尺）的平行导体线（取决于所用线的速度系数）。基本天线在 20m 上是 3/2 波长，给出 6 叶辐射方向图，平衡线在 20m 上应该是 1/2 电波长，尽管 G5RV 指出，将平衡线一直带到棚屋中的调谐器通常效果更好，而不是过渡到同轴电缆（在那个时代可能是 80 欧姆）。虽然这种布置通常可以直接从当时的电子管（阀）发射器馈送，但对于现代固态发射器和 50 欧姆同轴电缆来说，SWR 通常太高，因此强烈建议使用天线调谐器，并且某些频段的同轴电缆损耗可能很高。

Owen Duffy，VK2OMD，有关于喂养G5RV和优化G5RV的优秀文章。

G0GSF / ZS6BKW的Brian Austin进行了计算机优化，以找到长度组合，该长度组合允许现代发射器的最大HF频段数，其中SWR小于2：1。结果是“ZS6BKW”天线，其尺寸与原始G5RV略有不同。顶部导线减少到27.9米（91.5英尺），匹配线（必须具有400欧姆的特征阻抗）加长到13.6米（44.6英尺）乘以速度因子。这在以下波段上给出了低于 2 ： 1 的 SWR：40m、20m、17m、12m 和 10m，尽管可能需要一些优化。

有关G5RV和ZS6BKW的更多详细信息，来自W4RNL后期。

原装风扇偶极子
原始的风扇偶极子和相关天线修改了元件的形状，以覆盖宽频率范围，如5至30 MHz或更高，具有相当低的SWR。

陷阱偶极子
“陷阱”是由线圈和电容器组成的并联调谐电路。电路在谐振频率下以高阻抗呈现。将陷阱插入偶极子元件使其在两个不同的频率上看起来是不同的长度。

用于两个频率的简单陷阱偶极子。
在这个简单的情况下，陷阱在频率F1处谐振，并且从馈线点到陷阱的距离设置为该频率。陷阱阻止F1处的RF继续从导线中延伸，使天线的中心部分在F1上作为半波长工作。导线延伸到陷阱之外足够远，使其在较低频率的F2上共振，在那里它也作为半波偶极子工作。

实际上它比这更复杂：陷阱在F2处为天线增加了一些电感，因此延长线比其他方式更短，天线的SWR带宽会更窄。可以添加更多的陷阱，这可能是让单个天线在多个频段上运行的有效方法。

我的双频偶极子实际上是一个陷阱天线，但依赖于一个大线圈，而不是一个带有显式电容器的陷阱。

你经常听到陷阱中的损失有多严重。实际上，它们不必像经常报道的那样糟糕。当陷阱在工作频率下谐振时，损耗最高，但可以稍微偏离频率调谐，仍然可以正常工作。

通常，两个频率的陷阱偶极子的设计归结为求解两个方程（对于两个谐振频率），具有4个变量（两个导线长度以及陷阱中使用的电容和电感），因此有许多组合可以工作。任何两个都可以在“合理”范围内提前修复，其他两个相应地计算。然而，由于设计与“传统”方法的分歧越来越大，因此在将天线调谐到两个所需频率时存在更多的相互作用，并且馈电点阻抗可能会增加，从而使SWR变差。

即使在中等功率下，陷阱组件上也可能有高电压，如果普通电容器的额定电压不高，它们可能无法正常工作。一种常见的替代方案是使用同轴电缆缠绕疏水阀，电缆的外部充当线圈，与中心导体和屏蔽之间的电容并联。请注意，许多此类计算器不会将同轴电缆视为传输线，从而导致谐振频率过低。在实践中，陷阱只需通过缩短同轴电缆直到以所需频率谐振或按原样使用，并根据需要调整导线长度来调谐。

K7MEM关于同轴疏水阀的文章

偏心或末端进给。
我在这里将这两者归为一类，因为辐射模式和一些问题相似。

原理是，当馈电点偏离中心时，馈点阻抗沿天线变化，在某些情况下，可以安排在多个频段上提供合理的匹配。在大多数情况下，频段必须是基波谐振频率的整数倍，尽管某些设计使用负载线圈或其他方法来转换谐振。例如，40m 天线可用于 20m、15m 和 10m，而 80m 天线可用于 7 MHz 以上的许多频段，即使谐振不完全与频段边缘对齐。

偏心馈电偶极子（OCFD）通常将馈电点放置在一端的20%到40%之间：馈电点位置决定了天线在没有调谐器的情况下将匹配哪些频段（并且尝试使用调谐器匹配其他频段可能会导致巴伦故障）。馈点阻抗通常在 200 – 400 欧姆范围内，巴伦设计用于匹配同轴电缆。

端馈半波天线在阻抗较高的一端馈电。典型值为 2000 – 5000 欧姆。这可以通过多种方式进行匹配：与L网络调谐器，与并联调谐电路，四分之一波匹配短截线或宽带铁氧体变压器。

两种类型都受到强共模电流的影响。电压巴伦或空心共模扼流圈的旧设计通常是不够的。

虽然任何直半波导线无论在哪里馈入都会具有相同的辐射方向图，但谐波频率存在显着差异。在40m上使用的80m偶极子/双峰将具有最大辐射直上，可用于NVIS覆盖，而与OCFD或EFHW相同长度的导线将具有指向天线的零宽边（包括直线向上），并且最大辐射与导线末端成约50度角。在更高的频率下，最大辐射将更接近导线的末端，当天线安装为倒V形时，这可能会降低性能。

EFHW 天线上的 AA5TB

OCFD天线上的DJ0IP。

更改天线长度
有两种常见的方法可以做到这一点，它可以是自动的或手动的。

从房屋建筑的角度来看，最简单的通常被称为“链接偶极子”。导线被分成多个段，可以用导线链接或开关连接以选择不同的频带。

下面是AD5X的示例。

有很多方法可以实现这个想法。它只需要在电线部分之间使用某种绝缘体，以及某种连接电线的方法。我喜欢将安德森连接器用于较大的版本（绝缘体承受应力，因此连接器不会因电线上的张力而拉开）。

第二种方法是缠绕共振不需要的天线部分。这在步进天线中用于商业用途，并且有几种方法更容易在家中构建。例如，G8JNJ的“Fat Max”垂直使用卷尺。塑料清洗线卷盘或粉笔线支架可用于将偶极子的每一端卷起至所需长度。这有时被称为“卷轴偶极子”。

请注意，有效导线长度存在差异，具体取决于导线是绝缘的还是裸露的。但通常需要通过实验找到每个频段的设置，然后可以标记电线，以便在更换频段时更容易找到正确的位置。（不同颜色的胶带或热缩管可能对此有用。

当天线可能需要在很宽的频率范围内使用时，这种方法特别有用，因为它可以设置为任何长度，直到卷筒中的最大导线长度。在这种情况下，每 1 MHz 或 500 kHz 标记导线可能更容易定位特定频率，而不是标记每个火腿带。

这两种方法都需要在更改频段时手动调整天线。这在夜间或暴风雨中并不总是很方便，但在使用不同HF频率的其他服务运行时，这些天线可能是一个有用的备份。