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原创:关于天线增益、发射角、阵列的一些见解 [复制链接]

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离线bg7muv
 
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只看楼主 倒序阅读 0楼 发表于: 2009-05-31

今天上午看见站长ba7nq回答一个关于天线阵的问题,看了之后受益非浅,很受启发,在这把自己的一些观点也拿出来,供大家批评指正!

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某ham咨询天线阵的问题:

我想提高20米波段的增益,我能否用两个4单元单波段八木组成天线阵?如果可以,它们之间的距离是多少?它们组成的天线阵的增益如何?

如果我想在比赛中加强20米波段的成绩,以下两个方向那个更好一些?
1,用两个4单元八木组成天线阵,指向一个方向.
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.
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个人认为:天线增益不是越高越好,天线发射仰角不是越小越好。

以下是本人用最通俗、最不严谨、最不学术的用词说说个人的一些见解,请批评。

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

  兜了一个大圈,才回到本贴主题,简直是唐僧再世。。。

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。

离线bg4xiz
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210
只看该作者 1楼 发表于: 2009-05-31
好文
简单明了,讲解的很清楚
离线bg7muv
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1099
只看该作者 2楼 发表于: 2009-06-02
关于天线阵列的安装距离与增益的关系--1、半波偶极天线阵
天线阵的辐射特性取决于天线阵元的结构、数目、组阵方式以及整个阵的电流幅度和相位分布等因素。

  天线阵列的安装距离与最终获得增益有密切关系,不同类型的天线组阵,其安装距离与增益的关系也不一样,理论上,高增益的单元天线(如八木)组阵,需要的安装距离大;增益相对较小的半波偶极天线,其组阵的安装距离小;宽带对数周期天线,其组阵的安装距离比较复杂,一般以其主梁长度作为参考对象进行计算。

  在这里,分别以半波偶极天线阵、八木天线阵、对数周期天线阵来进行探讨:

1、半波偶极天线阵

探讨对象:半波偶极 等幅 同相 二元天线阵列

半波偶极天线半功率角为78度,增益为2.15dbi,把半波偶极天线在垂直方向排列成等幅同相二元阵列,取不同的安装距离,得出不同的天线阵列增益。

  当安装距离为0.95波长时,该二元天线阵列具有最高增益为5.41 dbi,其中组阵对增益的贡献为3.26 dbi(5.41 - 2.15)。当安装距离大于0.95波长时,天线阵增益反而下降,增益与距离的曲线类似于阻尼振荡的形状,增益最终收敛在5.16 dbi。

  从上述的分析可以得出,如只考虑天线阵增益,则0.95波长的最佳安装距离。当然,此时天线的副瓣会较高,天线的长度也会较大,在应用中要根据实际电气和结构指标要求,选择相应的距离。
离线bg7muv
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1099
只看该作者 3楼 发表于: 2009-06-02
关于天线阵列的安装距离与增益的关系--2、八木天线阵
探讨对象:等幅 同相 二元八木天线阵列

  由于天线阵列方向图是天线单元与阵因子的乘积,因此对于不同波束宽度的单元天线,使天线阵列获得最大增益的组阵距离是不同的。

  单元天线的波束宽度与等幅二元阵最佳距离,在附图第二张,通过曲线表可以看到,单元天线波束越窄(即增益越高),其等幅二元阵获得最大增益的组阵距离越大。

  对于宽波束的天线单元,天线组阵增益问题符合一般的估算方法,天线的组阵增益g与天线单元个数n的关系可近似为:   g = 10 lg n

  对于窄波束的天线单元,天线的组阵增益就需要仔细考虑。比如八木天线和对数周期天线,单元天线本身具有较窄的波束,要通过组阵进一步提高天线的增益,天线距离的选择至关重要。由于单元天线的方位和俯仰方向都具有较小的尺寸,因此在组阵时,从结构上考虑可以采用较小的组阵距离。但是采用小的组阵距离,使得天线单元的波束宽度远远小于阵因子的波束宽度,根据天线方向图乘积定理,排阵后天线阵列的波束宽度没有明显的减小,天线阵列的增益相对于天线单元也就没有明显的提高,因此天线的组阵效率非常低。所以这种类型天线需要较大的组阵距离。

  在附图第一张,给出了具有l5dbi(半功率角30度)的八木天线组成的二元阵的增益以及组阵所贡献增益与组阵距离的关系。

  分析附图第一张的数据,可知:
(1)对于高增益天线单元排阵,组阵距离很小时(0.5入),组阵对增益的贡献很小;
(2)当组阵距离(大于2.5入)时,天线阵列增益可以增加3 dbi;
(3)组阵距离很大时,天线主瓣波束变窄,出现栅瓣,不利于实际使用。
离线bg7muv
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只看该作者 4楼 发表于: 2009-06-02
关于天线阵列的安装距离与增益的关系--3、常规对数周期天线阵
探讨对象:常规对数周期天线阵

  对数周期天线按结构可分为:单波段、组合多波段、连续多波段等,最常用的是连续多波段周期天线,这是对数周期天线专长,对于单波段对数周期天线组阵,一般可以参考八木天线的组阵数据,并作必要的调整。

  对于组合多波段、连续多波段对数周期天线,情况要复杂很多,由于对数周期天线的宽带特性,频率覆盖范围比较大,组阵要均衡考虑所有频率,取得一个均衡点,在这里我们简易探讨一下,为了便于实际操作,本人通过计算及一些测试,得出一个较为折中的计算法,那就是有效主梁长度的85%

  我们知道,主梁长度是对数周期天线重要特性的表现点,对数天线的算法相对八木要复杂一些,我在其他帖里已经探讨过,这里就不再展开。对于14-30mhz全波段对数周期天线,如果设计a天线,增益是6dbi,主梁长度大约是5米;设计b天线增益是9dbi,主梁长度大约是12米,那么a天线组阵所需要的距离大约是4.25米,b天线组阵所需要的距离大约是10米。

  关于对数周期天线阵的增益情况,各频率可以通过函数算法或计算机仿真软件算出,这里也不展开了。
离线bg7muv
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1099
只看该作者 5楼 发表于: 2009-06-02
关于天线阵列的安装距离与增益的关系--4、非常规对数周期天线阵
探讨对象:非常规对数周期天线阵

  随着对数周期天线的普及(特别是在专业通信领域),已经衍生出众多的非常规天线阵用。下面以一个例子来简要探讨非常规阵列的某些特性。

  在我们的对数天线专区,我们发布了log63的数据分析:http://www.hellocq.net/forum/showthread-t-205662.html

  我们先来分解log63的结构,是由两套log33单元组成,通过倒相位,采用镜像方式建立天线阵,两个log33单元的组阵间距是1.5米,光从物理外表来看,两天线对射组阵,样子很不和谐,也不符合常规的设计原理,但通过调节log33单元振子长度、加入必要的lc电容,使得天线阵的效率在log33的基础大大提高,我们来看看他们的对比数据:

在10米架设高度是,log33于log63的增益对比:

__________     log33   ___     log63   ___     组阵贡献增益

14mhz ____     7.2dbi     ____     10.6dbi   ____     3.4dbi

21mhz ____     8.9dbi     ____     11.4dbi   ____     2.5dbi

29mhz ____     9.6dbi     ____     11.0dbi   ____     1.4dbi
离线bg7muv
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1099
只看该作者 6楼 发表于: 2009-06-02
关于天线阵列的安装距离与增益的关系--5、小结
(1) 阵列天线增益与组阵距离密切相关,不同的距离可使天线阵列获得不同的组阵增益。对于等幅二元阵,有可能使组阵增益超过3dbi ;

(2)对于不同波束宽度的单元天线,使天线阵列获得最大增益的组阵距离是不同的。单元天线波束越窄,其天线阵列获得最大增益的组阵距离越大;

(3)对于高增益单元天线,要获得较高的排阵增益,需要较大的组阵距离;

(4)对数周期等宽带天线阵需要根据实际情况具体分析,甚至可以突破3dbi组阵增益的临界值。

(本文所参考文献的作者:路志勇 苏晓莉)
离线BG1PDP
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1204
只看该作者 7楼 发表于: 2009-06-06
问答方式不错,有空再细看。
离线liujifeng
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99
只看该作者 8楼 发表于: 2009-06-23
好贴!学习了
发帖
191
只看该作者 9楼 发表于: 2009-08-03
再一次学习。。。
离线KZXL
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24
只看该作者 10楼 发表于: 2010-01-27
好贴 学习中。
离线alex911
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669
只看该作者 11楼 发表于: 2010-07-09
'

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。
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太深奥了,我目前用一条鱼骨只能收国内台和国内台
离线BG4QYO
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181
只看该作者 12楼 发表于: 2010-09-12
搬个板凳慢慢看。不过,对我来说有些深奥了。
离线bh7nde
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159
只看该作者 13楼 发表于: 2011-08-22
挖坟,学习了
离线BG6AZJ
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2607
只看该作者 14楼 发表于: 2017-06-06
这个好,学习
小概率事件往往是最低级的疏忽和缺陷造成的。
离线bd3ma
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685
只看该作者 15楼 发表于: 2017-06-06
详细 有耐心  有深度  
呼号:BD3MA
地址:石家庄市 裕华区   楼高27   我住26楼
设备: FT--80C  IC--718  手动天调(长期闲置)    鱼竿天线 天天用    一个迷上了 CW 的老头  好友那滴滴答答的节奏 如行云流水 如歌如泣  远方的你 在云里 在雾里 飘忽着  即近又远   哦  我的  DR OM ..........
离线bi3vjl
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354
只看该作者 16楼 发表于: 03-18
学习到了