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 ，也就是必须清楚下列四个关键点，重要性和容易实现性都是由高到低排列：

1. 最大化输出功率：把电台的功率充分送入天线馈电点——阻抗匹配
   高中物理就告诉我们，想要在负载上得到最大的功率，需要使负载电阻=电源的内阻，也就是说电台的设计都是50欧姆，我们需要使天线和电台连接点的阻抗也是50欧姆。除此之外，馈线的特性阻抗和系统阻抗相同时馈线损耗最小，因此也需要让天线做到输入点做到50欧姆，才能使通常的同轴电缆损耗最小化。阻抗匹配的效果可以由VSWR来衡量，当驻波比是1.5时大约有96%的功率可以辐射出去，这是一个通常能接受的数值，当驻波比是2的时候，只有89%的功率被辐射，对小功率台来讲已经不太能接受了，当然这时候更多地考虑电台本身的安全，一般电台不建议在驻波比大于3时发射，这时候反射的功率已达25%。

2. 天线电流最大化：让天线谐振
   谐振就是让天线的虚部=0，只剩下电阻，因为虚部感抗或容抗吃掉的是无功功率，我希望功率都用到电阻上。而这个电阻又是由等效辐射电阻和天线导体的电阻组成的，我们希望导体电阻少吃点功率，因为这个功率只用来发热，而对辐射没有贡献。另外也希望辐射电阻大一点，这样即便是导体损耗电阻不可避免，但占比却小了很多，天线的辐射电阻跟天线长度直接相关，也和周边的环境相关，所以尽量使用长的天线很多时候是没错的，如果是自然谐振（虚部=0）那么天线长度通常是二分之一的奇次倍，当然大于二分之一波长以后，天线的辐射电阻也通常大于发射机的50欧姆，需要通过阻抗变换回50欧姆才能满足1的要求。天线过长后方向性变“乱”，后面多波段天线的论述中会提及，这也是需要通盘考虑的部分。

3. 辐射体最大化使用天线电流：即提高辐射效率
   当导体尺寸和频率波长可以比拟的时候，导体上每点的电流都不一样，不能用集中参数的思路来思考天线问题，我们需要尽可能使辐射体上得到最大化的电流分布，天线的辐射效率的本质就是提高辐射电阻，也就是作为“小米加步枪”的小台，功率已经处于劣势，在天线上就尽量利用全尺寸的吧，如果情非得以需要缩短天线，此时调谐元件（为了使天线谐振而加入的电感、电容）不可避免，那么尽可能使这些无功元件上的电流分布小一些，具体到简单偶极天线或直立天线，如果缩短就尽量把加载的位置放在天线末端，不行就放在中部，而放在根部是最差的，但即使是放在根部也比不谐振好得多。

4. 辐射的能量最大化集中到所需要的方向上：天线的方向性（包括仰角）
   述利用天线方向性的“聚光灯”，可以把功率用到想用的方向上，天线的方向性增益用dBi（相对电天线）或dBd（相对偶极天线）来描述，通常我们关注的是最大辐射方向的增益(前后比，前旁比，方向系数等也有类似概念，但主要是为接收信噪比考虑的)，要说明的是天线因方向性差生的增益仅描述了天线本身的情况，而不包括天线本身是否谐振，也不涉及和发机是否匹配，但和辐射电阻有关，千万不要认为我们用软件模拟出来的增益是最终数据，如果增益大，但实际得到的功率1、天线电流2如果很小，效果仍然不好，这是需要用天线前单独做好的事情。关于天线方向性本身具体见下面的论述：

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 单波段偶极振子是最简单的基准：

在自由空间下，标准的偶极振子因其8字形的方向图（见图六），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。

图六 左 水平偶极天线在自由空间的方向图是个8字，右 在普通地面1波长架设高度上有7.9dBi增益

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 直立天线那些事

直立本质上是偶极天线的一半，它需要一个地面“镜像”，实际上这个”镜像“并不是真的把略去的一半振子给映射出来，它只是一个电磁波的”通路“，的的确确是一个”接地“，为了完成这个镜像，理论上需要理想的导体铺在在无限大的平面上，此时非但输入功率能够有最大化地转换成辐射电磁波，而且最大增益处的辐射仰角是0°，特别适合做DX，但实际情况下并不能做到理想导体以及无限大，通常利用”人工地网“去模拟这个理想地，密集的半波长地网已经可以使进场接近理想，可是远场还是受到周边很大地方的地的电导率相关，如果周边是海的话，由于海水的电导率高，远场仍可以保持比较低的辐射仰角。如果”人工地网“也不够长不够密，就会使电磁波的等效”接地电阻”大，这非但影响了辐射仰角，而且使得天线效率下降，具体变化可以从下图粗略看出来：

图七 从偶极天线到直立地网天线的演变及天线效率的相关因素

5 一些常见的多波段简单天线：

• 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 ，详见图八（比赛中通常以欧洲和北美为主，所以当使用3次谐波天线时正好符合我们的需求）。

图八 振子长度（偶极振子的单边）时偶极天线方向图

• 多波段并联

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。

• 陷波器

上述并联天线也好，利用谐波的天线也好，都有一些各自的麻烦事，尤其在方向图上的不可控，是很多时候我们不希望的。因此就有了一个想法，如果我们在振子上加上一些“开关”，用什么波段就切换到什么波段有多好，于是就有了陷波器天线（图九），这些陷波器本质上是个LC并联谐振谐振电路，利用并联谐振电路在谐振频率上的高阻抗形成开关，当处于改陷波器的谐振频率上，相当于断开，而在其他频率上可以等效为一个加感线圈。于是每个波段都是一个加感了的单波段偶极天线，可以单独调试频率，方向性仍为标准的8字形。其缺点在于带宽受限于并联谐振电路的带宽，每个波段都有所缩短，频率越低的波段缩短越多（有时候我们的确想在最低波长上短一点，容易找到合适的架设地方），而且陷波器本身能通过的功率偏小，限制了天线的可用最大功率。

图九 陷波器天线

• 偏馈

偏心馈电偶极天线（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 不用天调情况下可用匹配（注意并不一定谐振）哪些频段。馈点阻抗通常在 200 – 400 欧姆范围内，通过1：4、1：6甚至1：9的巴伦设计用于匹配同轴电缆和发射机的50欧姆。 我们常听到的Windom（温顿）天线就是一种典型的OCFD天线。

图十 偏馈OCFD天线

如果把偏馈极致到天线的一端，那就成为端馈半波天线（EFWH），EFWH天线在阻抗较高的一端馈电，典型值为 2000 – 5000 欧姆，大多用1：49到1：64的铁氧体变压器进行匹配。典型的40米长度的EFWH天线可用匹配在80-40-30-20-17-15-12-10米波段，甚至6米上驻波也不算大，用一条电线不需要天调就解决了几乎常用的短波波段，这对很多人来讲是非常有吸引力的，可用说是条懒人天线。

缺点，相比于用1：1巴伦的中心馈电半波偶极天线，高变比的铁氧体损耗要大很多，而且变压器的耐压和铁氧体的饱和都限制了最大使用功率，质量差的端馈天线有时候传输效率减低，浪费了一些有用功率，最大的问题时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。另外这两种天线都受周边环境，架设高度影响，不一定一下子就能调对，有时候某些波段驻波也偏高， 而且由于馈电点偏移，天线电流在非理想导体上有衰减，远离馈电点的那端电流比正常中心馈电的小，不过这个问题不是那么严重，可用忽略。
　

• 使用天调

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。

6 馈线和接头的影响