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GP垂直天线为例图解天线辐射 

 

                                     
天线是一种能量转换器,它的作用是将发信机输出的高频震荡信号转换为电磁波向空中辐射,另一方面,把从空中接受到的电磁波转变成高频震荡信号传输给收信机。

  天线的家族非常庞大,有很多天线是我们在生活中根本遇不到的,所以不用深究。但是作为业余无线电爱好者,我们还是应该了解一下我们身边常用的天线,在这篇文章中我们主要谈谈 GP 天线。

  GP 天线的英文全称是:Ground Plane Antenna,即“带接地面的天线”,也可以称为“地平面天线”或简称为“接地天线”。

  GP 天线是我们在 U/V 段通讯时最常使用的天线类型,其家族成员包括了车载鞭状天线、玻璃钢基地天线、手持设备上的小型天线等。由于在 U/V 段通讯中多采用垂直极化方式,这些天线通常采用垂直方式进行架设,所以,这些天线又叫做“垂直接地天线”。

  首先,我们来看看天线辐射与波瓣示意图,其中,兰色物体代表天线振子,绿色半透明物体代表辐射波瓣。我们可以看到:在典型的单极天线工作时,辐射的电磁波形状类似于一个苹果,天线振子四周的电磁波平均分布,没有方向性。这是最简单的垂直天线的辐射情况。

                                                 垂直天线辐射模型

有些时候,我们会听到关于天线的增益与方向性,下面的图就展示了当两段振子叠加后所产生的变化。可以看到:当两段振子叠加后,波瓣形状变得扁了一些,辐射的能量更集中于水平方向,这就形成了在水平方向上的增益,提高了天线的“效率”,现在市售的玻璃钢基地天线大多采用这种结构,也有很多朋友根据这个道理自制高增益天线。当然,要使天线产生增益并非只有这一种方法,在这里就不过多讨论了。

                                                    天线增益

了解了天线的辐射,我们再来看看 GP 天线的情况。

  GP 天线一般由同轴电缆馈电,内导体接振子,外导体接于“接地面”。“接地面”就是我们常说的“地网”。下图是典型的 GP 天线在接地面为无穷大时的辐射情况,电波基本沿水平方向辐射,这是理想的状态。

                                                    理想辐射状态

然而,在制造天线时,我们不可能把接地面做到无穷大,必须缩小到我们可以承受的范围,但是那样又造成了辐射方向的改变。下图就是当接地面的直径缩短到 4 倍波长时的情形:辐射的最大方向离开了接地面,向上倾斜。

                                                       辐射仰角A

下图:当接地面进一步缩小时,电波辐射的仰角可达 30 度左右。

                                                       辐射仰角B

为了使电波按照人们预想的方式进行辐射,人们想出了很多办法,来避免上面提到的情况。下图就是一个例子:将接地面的形状改为锥形,辐射方向得到了控制。

                                                      锥形天线

                                                地网辐射模型

下图所示的就是我们最常见到的车载鞭状天线的模型。在用吸盘吸附于车顶后,虽然辐射方向仍有上仰,但是由于车体的金属板充当了“接地面”,辐射方向已经得到了很好的控制。

                                            常用车载天线辐射模型

在使用时,有的朋友用卡边将天线固定在车上,但是这时由于电场分布不均匀,会降低天线的效率。所以我认为:天线最好用吸盘吸附在车顶中央,这样有利于电场的平均分布,从而使得天线发挥出最大的效能。

  GP 天线除了上面说的玻璃钢基地天线和车载鞭状天线外,还有其他不同的形式。

  如:用半径为 1/4 波长的圆盘代替 1/4 波长的垂直振子,下面配合圆锥形接地面组成为盘锥天线(Kandoian),盘锥天线在相当大的频宽内,最大辐射方向总是沿水平方向的。

  又如:1938 年,George H. Brown Jess Epstein & Robert Lewis 用四根 1/4 波长的导体代替实体接地面,形成类似于玻璃钢基地天线的形式。在这种形式的基础上,作为改进,在天线的馈电端并联一段 1/4 波长的短路同轴电缆,它不仅拓宽了阻抗频带,而且在发生雷电冲击波时保护传输线。

  另外,通常用于手持移动通讯设备的可伸缩鞭状天线(俗称拉杆天线)也是 GP 天线的一种,这中天线的好处是振子长度随时可变,可以工作在不同波段内。

  现在,越来越多的朋友加入 HAM 这个行列,领取了电台执照,并准备通过交验通联卡片升为三级。这时候,问题也来了:通联卡片上有“天线”(ANT)一栏,不知道怎么填写。其实关于这个问题我已经和很多朋友在频率上交流过,在这里再说明一下:玻璃钢基地天线、车载鞭状天线、手持移动通讯设备的鞭状天线这些最常见的天线都属于 GP 天线,如果您用的是这类天线,只要在“天线”一栏填上“GP”就可以,如果您用的是“八木-宇田”天线,就填写“YAGI”,如果您想告诉对方您使用的是 14 单元的“八木-宇田”天线,那么“14 ELE YAGI”才是正确的表示方法。

 

 


 


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