天线基础知识：增益、发射（仰）角、天线阵

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2022-06-30 15:31:26 1

一、关于增益

电波是一种能量，根据能量守恒定律，高增益天线并不是把电波的总能量增强了，而是把电波集中到较窄的某一空间，在该空间的电波密度得到加强。低增益天线把电波散射到较广的空间。

最合适的比喻就是手电筒，天线相当与手电筒的反射镜，调整手电筒反射镜，可能让光线聚焦在一个较小的点上，你会发现被照射的这个点很亮，但周边比较暗，适合看较远物品，视野窄；把手电筒调到散光状态，周边光线强度都比较平均，适合看近距离物品，视野广。

光波能量守恒，在同一条件下，手电筒的反射镜并没有改变灯泡的自身的发光亮度。
电波的也一样，天线并没有改变发射机的功率，更加没有放大发射机的功率。

二、关于发射（仰）角

1、短波
天线的发射角主要包括水平发射角和垂直发射角，在这一小节，我们只讨论水平发射角（也就是我们短波通信中常叫的“发射仰角”）。

短波通联，要玩的痛快，就必须掌握发射仰角与波瓣一些常识，楼主已经分析的很透彻，在这里用通俗的方式描述一下，天线发射仰角越小，通过电离层一次发射跳跃的距离越远，适合远距离通信，一般情况下，发射仰角小于30度的天线适合远距离DX通信，如高架设的多单元短波八木天线，但近距离通信会出现盲区，这类天线不适合国内（省内）通联。

我们会发现，国内通联，高发射仰角的倒V天线，综合效果往往会比高增益的八木天线效果好，斜拉天线仰角更大，通常500公里以内的短波无盲区通信会使用。

我的个人经验：发射仰角的30-60度的适合国内中短距离通联，发射仰角的小于30度的适合远距离DX，发射仰角的小于20度的，适合猎奇，如南美东岸。

天线架设高度与发射仰角（增益）有很大关系，默认情况，天线的设计增益参考高度都是1/2波长高度，比如，一个设计发射仰角为25度（增益为12dbi）的对数周期短波天线，如果架设高度只有1/4波长高度，发射仰角可能会变成40度，增益也会降到大概9dbi；如果架设高度达到1个波长高度，发射仰角可能会变成小于20度，增益也会增加到13dbi以上。

条件好的比赛基地，通常会使用可升降塔来安装定向天线，这样不单是因为防风的问题，更主要因数是参赛者可以按照通联的目的地距离，升降天线高度，来改变天线增益和发射仰角，达到通联不同地区的目的。
关于波瓣，楼主说的非常清晰了，通常，短波天线的架设高度和波瓣数量有很大关系，架设高度大于1/2波长时，波瓣会增加，大于1个波长时，波瓣会变的尖锐，多个尖锐波瓣对于DX主叫是一件好事，通常会有很好的收获，滩主很容易就做成了，这种方式我们通常笑话是“对多个特定地区播种”。
多波瓣分为水平多波瓣和垂直多波瓣，这里就不再深入了。

2、超短波（U/V段）
在U/V段，通常采用垂直极化方式，视距传播，发射角一般有两个含义，一是水平发射角、一个是垂直发射角。
全方向的GP天线垂直发射角是360度，水平发射角因为增益不同而不同，增益越大，水平发射角越小，假如是一个增益10dbi的玻璃钢天线，水平发射角大约是25度，U/V段GP天线主要通过改变水平方向上的电波密度，实现改变增益。

对数周期天线具有较强的方向性，垂直发射角跟对数周期天线的单元数目关系最大，水平发射角次之，一个12单元的U段八木，垂直发射角发射角大约是30度，水平发射角35度，U/V段对数周期天线主要通过改变垂直方向上的电波密度，实现改变增益。

对于使用U/V段中继，了解垂直发射角与水平发射角非常有必要。
架设在城市高楼的中继台，为了确保中短距离的中继效果，一般会选择较低增益的玻璃钢天线（约6DBI），因为低增益GP天线的水平发射角较大，减少了近距离中继盲区。

一般高山中继会采用高增益玻璃钢天线（大于10DBI），较小的水平发射角，满足了中远距离的中继通信需要。
对于使用中继的电台，天线的选型也一样，经常在中继台5公里范围内上中继的电台，尽量使用低增益，较大水平发射角的天线，如果使用高增益GP天线，会出现中继覆盖盲区，效果反而会变差。对于经常使用30公里以上远程中继的电台，建议使用高增益的天线。

三、关于天线阵

先来看看天线阵的几种组阵方法：
1、等幅并行馈电组阵：
用于同一指向、同一结构的天线组阵，各单元天线输出的功率相同、相位相同，同方向的增益加大，这是我们业余无线电常用的组阵方法。

2、中央串行馈电组阵：
用于同一结构的天线组阵，各单元天线的功率和相位对应，用于分解承受大功率，如电视发射塔天线、雷达天线等。

3、总线馈电组阵：
用于多个方向天线组阵，各单元天线的功率和相位不同，可以根据控制系统进行分配。

再来看看我们生活应用最广的天线阵：
1、电视信号接收天线阵：
我们要接收不同方向电视发射站的信号，往往需要多个不同方向的八木天线接收，通过合路器连接到电视机，往往还包括VHF、UHF不同频率的天线进行合路，最典型的案例就是在深圳了，周遍各方向有数十个电视发射站信号，包括深圳、香港、珠三角等地。

在我们工作室，要接收时下最流行的地面数字高请电视，我使用三个八木天线进行合路，一个7单元水平极化八木天线接收深圳台节目（正东方向，706MHZ）；用了一个5单元垂直极化八木天线接收央视高清节目（正东方向，786MHZ，真不明白电视台采用垂直极化发射的目的，估计不想太多人看到，影响有线电视的生意）；用了一个3单元4阵列的水平极化八木阵（同方向中央串行馈电组阵）用于接收香港高清信号（东南方向，586、602、650MHZ）。三个天线合路到一个数字接收机，苦难重重，两个或三个天线可能同时接收到同一发射站信号，出现信号抵消想象，采用了物理隔离办法（阻挡非接收方向）、滤波隔离（只允许某一频率通过），终于把能收到的22个地面无线高清节目通过一根馈线全部拿下。

这个小试验，是一个大的“总线馈电”天线阵中还包括了一个“串行馈电”子天线阵，可以看出采用“总线馈电组阵”的难度比较大，影响因数比较复杂。

2、蜂窝移动电话天线阵：
蜂窝移动是贝尔实验最伟大的发明，改变了整个世界的生活方式，蜂窝移动电话系统的核心之一就是数字控制天线阵，整个蜂窝系统其实就是一个庞大的数以万计的蜂窝天线阵，这是一项非常成熟的应用技术，在这里，我们只简单解剖一下单个基站天线阵的情况。

现在的蜂窝移动基站一般由多个天线组成，每个天线有一定的发射角，有低容量的120度3天线阵基站，也有高容量的60度6天线阵基站，甚至更多的，等等。360度多天线系统，主要功能有二，一是解决数据通信用户容量问题，二是解决了天线增益与信噪比问题，我们来看看用户位置与基站天线的选择，系统是通过计算机软件控制，根据用户到基站各天线之间的信号强度，电子合路切换，选择所需的天线。

蜂窝移动的天线阵技术虽然很成熟，但要在我们业余无线电里应用，难度还是非常大，假如我们想做一套4个或六个方向的360度覆盖的八木阵，通过计算机，根据来源信号强度来控制所需的收发天线，需要投入资金不是一般个人能承受的。

问题1：用两个4单元八木组成天线阵,指向一个方向。
技术上完全可行，减去功分合路器等中间环节的损耗，会增加大约3dbi的增益，同时发射角变小，波瓣变尖。相对来说能通到的更远的电台，除此之外，也会带来很多的副作用：一是带宽减小，二是SWR增大，三是阻抗匹配难度增加，四是需要更精准的转向器。
算了一下这笔帐，还不如做一个6单元八木天线来的直接，效果和这个阵列相当，但轻松多了。
以下这些情况使用这种方式，成本很合算：一是八木天线到达一定的单元极限，电性能和物理性能都不允许增加单元了，二是高波段的八木，如6米波、2米波等，阵列难度和成本都很低；三是高带宽的对数周期天线，14-30MHZ对数周期天线要增加3dbi增益，需要增加约2.5倍的材料，而且主梁会过长，物理性能无法保障，所以做成阵列的成本更低。

问题2：用两个4单元八木冲着不同的方向,但是使用一个转向机。
这个问题有点复杂了，在回答这个问题之前，我在上面举了两个例子，电视接收天线阵和蜂窝移动天线阵，要实现不同方向的天线阵合路功分控制，会带来很多的副面影响，只有蜂窝移动通过数字控制技术真正解决了这个问题，我们业余无线电不建议采用这方式，除非你有海量的资金或庞大技术力量，研发出强大的信号分配控制系统。
不过，假如我有两个你那样的八木，尝试一下也不坏。

问题3：想在比赛中通过调整天线系统来加强20米波段的成绩。
这个问题变得简单了，作为比赛电台，最有效的办法是配置一个10至40米电动可升降铁塔，根据通联目的地需求，调整铁塔高度，改变天线增益和仰角，铁塔就是一个天线增益调整器，非常凑效。

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