天線為什麼有增益 ?

「Ground Plane」與「八木」有何不同 ?

< Thanks to C.O.Yang for the info. supplied >

一般誤解 : 天線愈長愈大，效果愈好，可以放大功率，增加效益。

其實 : 天線是用來將射頻「電能」變成電磁波的元件，就如同燈炮是用來將電能變成光波，或小提琴弦是用來將位能(力量)變成聲波一樣。一個完美的天線應至少有其設計在發射電波之頻率的1/2波長，就如同琴弦的道理一樣。

偶極天線因結構大都為兩個1/4波長電線或鋼、鋁管組成之直條形，故能於其腹部四週產生電磁波，但天線之兩個頂端則幾乎完全沒有電波產生。

偶極天線通常都用來做參考天線，其增益被定義為"1"，又稱為"0 dB"，假如將 2 支偶極天線巧妙安排，又能不互相影響，並將電能先後經過 2 支天線，則理論上將會使某一個小角度內之電波強度提高 2 倍，即 "3dB"。

依此類推，用很多節偶極天線上下排列成群，即可將電波強度一直提高(此即一般所稱之八木)，通常較實用之程度為 10 倍以下，也就是 l0 dB以下，但因總能量並冇增多或減少，其它角度之電波將消失而集中於需要之角度。

如下圖 Fig.3 所示，虛線為 "點" 輻射源，代表一個數學上存在但實際做不到的理想球體，它的電波向四面八方平均發射而形成一個球狀。在相同功率下，在任意方向，它的電波強度均為偶極天線之0.6倍，即 "-2.15dB"，換句話說，如果理想點發射源被定義為 "l"，即 "0 dB"，則偶極天線腹部電場強度最高點為其1.6倍，即 "2.l5dB"。為免混淆，通常寫成 "2.15dBi"，這裡的 "i" 代表球體發射為基準。

所以，一支增益為 2.l5dBi 的天線即是增益為 0 dB 的天線，也就是無增益之普通天線。

另一種提高天線方向性及增益之方式為「八木(YAGI)」方式，即利用一支金屬，靠近普通偶極天線，使得電磁波偏向期望之方向，一般稱之為排骨天線，也是將電磁波能量引導向需要之方向而產生增益。故增益只是相對而言，並非真的可以將能量放大。

Ground Plane 由於通常是直立的，其電場與地面呈垂直，故其電波為垂直極化波；排骨則可視需要，橫放或直放，橫放則產生水平極化波，直放則產生垂直極化波。通常為遷就汽車天線之垂直擺放方式，排骨也多做成垂直極化。

另有一種用來與人造衛星通訊之天線，則可將垂直與水平交疊，並移相 90 度，使得兩能量因時間差相加，而形成圓形極化波，因此不論衛星如何翻滾，均可收到良好信號，最為特殊。

中波廣播之天線波長通常在 600 - 200 公尺間，半波長也至少要 300 - 100 公尺，很難架設，且因立於地面，地表下之地下水及礦物質會形成一片導電層，此導電層之性能如同一面電子鏡，將產生一個天線倒影。上下二支半波長天線因電流極性相反，互相抵消，反而沒有電波發出。如果將天線高度降為 1/4 波長，下面倒影正好形成另外 1/4 波長，就形成一個完整的偶極天線，能發揮很好的垂直波輻射功能。

許多小型車用144/430MHz天線也是利用這個方法，但因很難有人捨得在車頂鑽洞將天線裝於車頂正上方，而將其裝於行李箱旁，其倒影是如何的不佳，可想而之。幸好，天線廠商很快就設計出無地網的天線出來。

地網是什麼？無地網天線 (NR)又是什麼？為了改善電波的發射，在汽車天線下方加地網，對嗎？

地網就是利用一條以上的1/4波長電纜，一端接於1/4波長垂直天線之饋電點(接頭)，另一端絕緣或懸空，以形成一個虛擬的電子鏡。通常至少需要三條以上，才能使發射電波之分配方向都均勻。嚴格來說，有地網的方向，電波會稍強一點點，但實在是微不足道，不必在意。地網另一端絕不能接地或任何金屬，否則就自動失效且產生阻抗混亂之結果。

NR 即 "Non-Radial「無地網」"天線，特別適合用在下方沒麼東西可產生電子倒影時，例如汽車天線裝在雨槽、行李蓋旁、倒後鏡上等。如果車子是玻璃纖維頂，屋頂是木造，就一定要接地網，如果接地網太麻煩，就可改用NR天線。

NR 天線基本上就是一支完整的半波長天線，電能則採用高阻抗、高電壓方式饋入天線，故不需擔心電子倒影。假如使用 NR 天線裝於車頂良好金屬平面上，甚至畫蛇添足，加上三支或多支地網以表示有學問，那就大錯特錯了！因為1/2波長天線之電子倒影電流相位正好相反，好好的一支天線變成正反相啞巴，不能正常發射，更甚者，因電波射不出去，反射回產生強烈駐波，就更嚴重了。

如果汽車安裝天線之位置一部份是玻璃，一部份是金屑，到底該用有地網還是無地網天線呢？答案是:實驗決定。根據經驗，NR天線成功率較高，且因常為有增益之堆疊式，故電子倒影就愈顯得不那麼重要了。