淺析低頻共線(xiàn)陣列天線(xiàn)

共線(xiàn)陣總是以單元同相的方式工作（如果使該陣列中的單元變?yōu)楫愊?，系統(tǒng)簡(jiǎn)單地變成諧波型天線(xiàn)系統(tǒng)）。

一個(gè)共線(xiàn)陣是個(gè)寬邊輻射器，最大輻射方向位于天線(xiàn)電線(xiàn)右邊的角度上。

饋電點(diǎn)阻抗

對(duì)于兩個(gè)同相共線(xiàn)單元的饋電點(diǎn)阻抗如圖1所示。饋電點(diǎn)阻抗隨著天線(xiàn)鄰近的端點(diǎn)間隔增大而減小，并在間隔位于0.4λ~0.6λ較寬的范圍內(nèi)經(jīng)歷最小值。因?yàn)檫@一最小值比獨(dú)立天線(xiàn)所取到的最小值并不小多少，所以它的增益并不超過(guò)非耦合天線(xiàn)的增益。具體來(lái)說(shuō)，共線(xiàn)單元所取得的最優(yōu)功率增益大約為2(3 dB )。當(dāng)兩端間隔很小時(shí)（通常的工作方式），增益隨之減小。

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圖1 在單元中心測(cè)得的作為兩個(gè)同相工作的λ/2自諧振共線(xiàn)天線(xiàn)單元間距的函數(shù)的饋電點(diǎn)電阻。

功率增益

由于共線(xiàn)單元之間存在互耦的本性，饋電點(diǎn)阻抗（與約為73Ω的單個(gè)單元作比較）被增大。由于這個(gè)原因，功率增益不和單元數(shù)目呈正比增長(zhǎng)。當(dāng)單元間距變化時(shí)兩個(gè)單元的增益如圖2所示。盡管當(dāng)端到端間隔在0.4λ~0.6λ范圍時(shí)增益最大，使用這一數(shù)量級(jí)的間距搭建起來(lái)不方便，并且對(duì)兩個(gè)單元饋電時(shí)帶來(lái)問(wèn)題。結(jié)果，共線(xiàn)單元幾乎總是以它們的兩端挨得非常近的方式工作。在導(dǎo)線(xiàn)天線(xiàn)中，通常在兩者之間只有一個(gè)張力絕緣子。

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圖2 作為相鄰端點(diǎn)間距的函數(shù)的兩個(gè)共線(xiàn)λ／2單元的增益

在相鄰單元的末端間距很小條件下，假定使用12號(hào)銅導(dǎo)線(xiàn)，共線(xiàn)陣列相對(duì)于自由空間偶極天線(xiàn)的功率增益的理論值近似如下：

2個(gè)共線(xiàn)單元﹣--1.6 dB

3個(gè)共線(xiàn)單元﹣-3.1 dB

4個(gè)共線(xiàn)單元﹣-3.9dB

超過(guò)4個(gè)單元很少使用。

方向性

共線(xiàn)陣列的方向性，在包含陣列軸的平面內(nèi)，隨長(zhǎng)度增加。當(dāng)使用多于兩個(gè)單元時(shí)，方向圖上出現(xiàn)小的副瓣，但是這些副瓣的幅度足夠低以至于它們常常是不重要的。在與陣列成直角的平面上，無(wú)論單元數(shù)是多少，方向圖是個(gè)圓。因此，共線(xiàn)操作只影響 E 平面的方向性，即包含天線(xiàn)的平面。

當(dāng)一個(gè)共線(xiàn)陣列的單元垂直放置的時(shí)候，天線(xiàn)在所有幾何方向上輻射相等。這樣堆疊的共線(xiàn)單元陣列傾向于把輻射約束在低仰角內(nèi)。

如果共線(xiàn)單元呈水平放置，在與陣列成直角的垂直平面上的方向圖與個(gè)位于同一高度的簡(jiǎn)單λ/2天線(xiàn)的垂直方向圖相同。

2單元陣列

最簡(jiǎn)單且最流行的共線(xiàn)陣列使用兩個(gè)單元，如圖3所示。該系統(tǒng)通常被認(rèn)作為同相雙半波振子。包含導(dǎo)線(xiàn)軸的平面上的方向圖如圖4所示，圖上疊加了偶極天線(xiàn)和2、3、4單元共線(xiàn)陣的方向圖。根據(jù)導(dǎo)體尺寸，高度及類(lèi)似的因素，線(xiàn)天線(xiàn)的饋電點(diǎn)阻抗可以預(yù)計(jì)在4~6 k Ω范圍內(nèi)。

如果天線(xiàn)是由具有低 λ/dia 比（波長(zhǎng)對(duì)直徑的比值）的管子做成，低電阻值1000Ω是典型值。系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)于普通長(zhǎng)度具有可忽略損耗的開(kāi)路調(diào)諧線(xiàn)饋電，或者如果需要可以使用匹配段。

如果使用了在某種程度上短于λ/2的單元，那么可以采用以略微降低增益為代價(jià)的額外的匹配策略。當(dāng)單元縮短的時(shí)候，會(huì)發(fā)生兩件事﹣﹣饋電點(diǎn)阻抗降低且阻抗具有可以用簡(jiǎn)單的串聯(lián)電容調(diào)諧的感性電抗，如圖3( B ）所示。

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圖3 ( A ）為2單元共線(xiàn)陣列（同相雙半波振子）。所示的傳輸線(xiàn)將作為調(diào)諧線(xiàn)工作。匹配段可以被替代，且如果需要的話(huà)，可以使用非諧振線(xiàn)，如（ B ）所示，匹配部分是兩個(gè)串聯(lián)電容。

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?圖4 對(duì)于自由空間偶極天線(xiàn)，2,3和4單元共線(xiàn)陣列的 E 平面方向圖。實(shí)線(xiàn)對(duì)應(yīng)4單元共線(xiàn)陣，虛線(xiàn)對(duì)應(yīng)3單元共線(xiàn)陣，點(diǎn)線(xiàn)對(duì)應(yīng)2單元共線(xiàn)陣，點(diǎn)虛線(xiàn)對(duì)應(yīng)2偶極天線(xiàn)。

注意這些電容必須與功率電平相適應(yīng)。像那些在功率放大器中經(jīng)常使用的小的門(mén)把手電容是合適的。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)40m2單元陣列的每一邊都從67英寸縮短到58英寸，饋電阻抗從幾乎是6000Ω降到大約1012Ω并具有1800Ω感性電抗?？梢酝ㄟ^(guò)在饋電點(diǎn)處插入25 pF 電容使電抗抵消掉。1012Ω電阻可以通過(guò)由450Ω延遲線(xiàn)組成的λ／4匹配段轉(zhuǎn)換為200Ω，然后再用

4:1巴倫轉(zhuǎn)換為50Ω。按照建議縮短陣列降低增益0.5 dB 。

另一種維持增益的策略是使用450Ω的λ／4匹配段，并稍微縮短天線(xiàn)使它具有4000Ω電阻。那么在匹配部分的輸入端的阻抗接近50Ω，并可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的1:1巴倫。很多其他的方法是可能的。對(duì)于一個(gè)2單元共線(xiàn)陣列，自由空間 E 平面的響應(yīng)如圖4所示，將其和下面描述的更為精細(xì)的共線(xiàn)陣的響應(yīng)作比較。

3單元和4單元陣

在一根長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)上，電流流動(dòng)的方向每隔λ/2長(zhǎng)度反轉(zhuǎn)。結(jié)果，共線(xiàn)單元不能簡(jiǎn)單地端對(duì)端連接；要使所有單元中的電流沿同一方向流動(dòng)，必須采取一些措施。當(dāng)使用兩個(gè)以上共線(xiàn)單元的時(shí)候，為了使所有單元上的電流同相，有必要連接相鄰單元間的定相短截線(xiàn)。在圖5（A）中，在兩個(gè)左手單元上的電流方向是正確的，因?yàn)槎搪返摩?4傳輸線(xiàn)（短截線(xiàn)）連接在它們之間。

這個(gè)短截線(xiàn)可能被簡(jiǎn)單地看作一根折疊回自身來(lái)消掉輻射的長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)天線(xiàn)可替代的λ/2部分。圖5A中傳輸線(xiàn)的右側(cè)部分具有總長(zhǎng)度三個(gè)半波長(zhǎng)，中心半波被折疊回來(lái)形成一個(gè)λ/4相位反轉(zhuǎn)短截線(xiàn)。在這種安排中，關(guān)于饋電點(diǎn)阻抗沒(méi)有數(shù)據(jù)可得到，但是各種考慮表明它應(yīng)該超過(guò)1000Ω。

對(duì)3個(gè)共線(xiàn)單元饋電的另一種可選擇的方法如圖5B所示。在這種情況下，功率在中間單元的中心處施加，并且在該單元和兩個(gè)外側(cè)單元之間采用相位反轉(zhuǎn)短截線(xiàn)。該情況下在饋電點(diǎn)處的阻抗超過(guò)300Ω，并且提供對(duì)300Ω線(xiàn)的近似匹配。

當(dāng)采用600Ω線(xiàn)的時(shí)候， SWR 小于2:1，這種類(lèi)型的中心饋電在某種程度上比圖5A的裝置更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橄到y(tǒng)總體上是平衡的。這保證單元間更均勻的功率分配。在圖5A中，右側(cè)的單元有可能在某種程度上比其他兩個(gè)單元接收到更少的功率，因?yàn)橐徊糠州斎牍β试谒竭_(dá)位于很偏右邊的單元之前，被中間單元輻射掉了。

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圖5 3單元、4單元共線(xiàn)陣的布局圖。對(duì)3單元陣饋電的替代方法如（ A ）和（ B ）所示。這些圖也顯示了天線(xiàn)單元和調(diào)相短截線(xiàn)的電流分布。通過(guò)使用適當(dāng)?shù)钠ヅ洳糠郑桓ヅ鋫鬏斁€(xiàn)可以替代調(diào)諧線(xiàn)。

一個(gè)4單元陣列如圖5( C ）所示。如圖顯示，當(dāng)在中心單元之間饋電時(shí)，系統(tǒng)是對(duì)稱(chēng)的。在3單元情況下，無(wú)法得到關(guān)于饋電點(diǎn)阻抗的數(shù)據(jù)。然而，具有600Ω線(xiàn)的 SWR 會(huì)大大超過(guò)2:1。

圖4比較了2,3,4單元陣列的方向圖。共線(xiàn)陣列可以擴(kuò)展到大于4個(gè)單元的情況。然而，簡(jiǎn)單的2單元共線(xiàn)陣是使用最頻繁的類(lèi)型，因?yàn)樗m合多頻帶工作。使用的兩個(gè)共線(xiàn)單元很少超過(guò)兩個(gè)，因?yàn)閺钠渌?lèi)型的陣列可以得到更多增益。

調(diào)試

在任何所述的共線(xiàn)系統(tǒng)中，以英尺為單位的輻射單元的長(zhǎng)度可以從公式468/fMHz中找到。如果短接線(xiàn)是裸線(xiàn)（阻抗為500~600Ω)，你可以在對(duì)于λ/4線(xiàn)的公式中假定速度因子為0.975。通常，沒(méi)必要在線(xiàn)調(diào)試。然而，如果需要，當(dāng)系統(tǒng)具有兩個(gè)以上單元時(shí)，可以采用下面的步驟。

斷開(kāi)所有短截線(xiàn)和所有除了與傳輸線(xiàn)直接相連的單元（在圖5B所示的饋電情況，只剩下連接到線(xiàn)的中心單元）。使用還連著的單元。當(dāng)合適的長(zhǎng)度確定下來(lái)之后，把所有其他的單元切到相同的長(zhǎng)度。使定相短截線(xiàn)稍長(zhǎng)，并使用短路棒來(lái)調(diào)整它們的長(zhǎng)度。把單元連接到短截線(xiàn)，調(diào)整短截線(xiàn)諧振，就像短路棒上最大電流表明的那樣或者由傳輸線(xiàn)上的 SWR 表明。如果使用3個(gè)或4個(gè)以上單元，最后一次添加2個(gè)單元（陣列的一端一個(gè)）,每次添加一對(duì)新單元之前，調(diào)整系統(tǒng)諧振。

擴(kuò)展的雙 Zepp

在簡(jiǎn)單的雙共線(xiàn)單元系統(tǒng)中，伴隨更寬的間距獲得更高增益的一種方法是使單元稍微長(zhǎng)于λ/2。如圖6所示，這增加了兩個(gè)在導(dǎo)線(xiàn)末端的同相λ/2部分之間的間隔。中心部分?jǐn)y帶反向電流，但是如果這部分較短，電流就較??；它只代表λ/2天線(xiàn)部分的外端。因?yàn)殡娏餍?，長(zhǎng)度短，所以從中心的輻射小。每個(gè)單元的最優(yōu)長(zhǎng)度為0.64λ。長(zhǎng)度更長(zhǎng)的時(shí)候，系統(tǒng)趨向于表現(xiàn)得像長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)天線(xiàn)一樣，并且增益降低。

這個(gè)系統(tǒng)被稱(chēng)作擴(kuò)展的雙 Zepp 。相對(duì)λ/2偶極天線(xiàn)的增益近似為3 dB ，作為比較，對(duì)于雙共線(xiàn)λ/2偶極天線(xiàn)為1.6 dB 。在包含天線(xiàn)軸的平面上的方向圖如圖8-46所示。對(duì)于所有其他共線(xiàn)陣的情況，位于天線(xiàn)右側(cè)角的平面上的自由空間方向圖和2/2天線(xiàn)的一樣﹣﹣圓。

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圖6 拓展的雙 Zepp 。該系統(tǒng)給出了比兩個(gè)波長(zhǎng)大小的共線(xiàn)單元稍微更多的增益。

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圖7 對(duì)于圖6的拓展雙 Zepp 的 E 平面方向圖。這也是當(dāng)單元水平時(shí)的水平方向圖。單元的軸沿90°~270°線(xiàn)。陣列的自由空間增益近似為4.95 dBi 。

?該天線(xiàn)在工作頻率不諧振，以至于饋電點(diǎn)阻抗較復(fù)雜 R ± jX 。對(duì)于一個(gè)40 m 雙擴(kuò)展 Zepp ，饋電點(diǎn)阻抗在頻帶上的變化的一個(gè)典型例子如圖8所示。該天線(xiàn)通常用裸線(xiàn)傳輸線(xiàn)饋到一個(gè)天線(xiàn)調(diào)諧器。當(dāng)然可能有其他的匹配裝置。下面就是一種把饋電點(diǎn)阻抗變換到450Ω，并消除副瓣的方法。

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圖8 一根自由空間的40 m 擴(kuò)展雙 Zepp 天線(xiàn)的饋電點(diǎn)阻性和容性阻抗。

一種改進(jìn)的擴(kuò)展型雙 ZEPP 天線(xiàn)

如果用于支撐天線(xiàn)的空間允許大于λ/2，那么可以用單導(dǎo)線(xiàn)的共線(xiàn)陣列這種簡(jiǎn)單的形式就能獲得相當(dāng)明顯的增益。這種擴(kuò)展雙 Zepp ( DEZepp ）天線(xiàn)已經(jīng)在業(yè)余愛(ài)好者中使用很長(zhǎng)時(shí)間。

提升一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展雙 Zepp 天線(xiàn)性能的關(guān)鍵，是改善電流的分布，其中一個(gè)最簡(jiǎn)單的辦法是在導(dǎo)線(xiàn)中接入一個(gè)電抗，可以是電感或者電容。串聯(lián)電容器通?？梢杂休^高的 Q 值和較小的損耗。在盡可能少用器件的條件下，其中任何一種都是值得選擇使用的。

在7MHz頻率上開(kāi)始調(diào)試時(shí)，可以只使用兩個(gè)電容器，天線(xiàn)的兩邊各一個(gè)。電容的取值和位置可以變化，以觀(guān)察發(fā)生的現(xiàn)象。很快就可以清楚，在饋點(diǎn)的電抗通過(guò)調(diào)整電容器的值可以消除掉，使天線(xiàn)在整個(gè)波段如同只有電阻一樣。通過(guò)改變電容器的位置和電容值，使天線(xiàn)發(fā)生諧振，天線(xiàn)饋點(diǎn)的電阻值也跟著從小于150Ω到超過(guò)1500Ω產(chǎn)生變化。

有幾種有趣的組合可以設(shè)計(jì)出來(lái)，最終這里選擇的是如圖9所示的天線(xiàn)，它長(zhǎng)度170英寸，兩個(gè)9.1 pF 的電容器在天線(xiàn)兩臂距離中25英尺的位置。天線(xiàn)用450Ω?jìng)鬏斁€(xiàn)和一個(gè)9:1三磁芯的 Guanella 類(lèi)型巴倫來(lái)饋電，轉(zhuǎn)換為發(fā)射機(jī)所要求的50Ω。傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度可以任意，工作時(shí)具有很低的 SWR 。

這個(gè)天線(xiàn)所有要討論的就是這些了。圖10的輻射圖形中也疊加了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 DEZepp 天線(xiàn)作為比較，旁瓣減少到20 dB 以下，主瓣在3 dB 點(diǎn)的寬度是43°，而原來(lái)的 DEZepp 只有35°。這個(gè)天線(xiàn)使得一個(gè)偶極天線(xiàn)能獲得大于50°的寬度，而主瓣的增益僅僅比原來(lái)的 DEZepp 天線(xiàn)下降了0.2 dB 。

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圖9 改進(jìn)型的N6LF擴(kuò)展雙 Zepp 天線(xiàn)原理。整個(gè)長(zhǎng)度是

170英尺，在天線(xiàn)兩邊距離中心25英尺的位置各有一個(gè)9.1 pF 的電容器。

圖10 N6LF擴(kuò)展雙 Zepp 天線(xiàn)的方位輻射圖（實(shí)線(xiàn)），與經(jīng)典的擴(kuò)展雙 Zepp 天線(xiàn)（點(diǎn)劃線(xiàn)）作了比較。改進(jìn)后天線(xiàn)的主瓣比經(jīng)典型的稍微寬一些，旁瓣的壓制也更好些。

?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該天線(xiàn)用＃14號(hào)導(dǎo)線(xiàn)和兩個(gè)各3.5英寸長(zhǎng)的 RG -213電纜構(gòu)成的電容器來(lái)制作，見(jiàn)圖11A。要注意仔細(xì)地處理好電容器的防潮密封。在饋入1.5kW功率時(shí)電容器兩端的電壓大約為2000V，所以任何的電暈發(fā)生都有可能損壞電容器。

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圖11 用 RG -213同軸電纜構(gòu)成的串聯(lián)電容器詳細(xì)結(jié)構(gòu)。在（ A ）中是N6LF所采用的方案；在（ B ）是一個(gè)對(duì)密封電容器以提高防潮性能的一種推薦辦法，就是加上一段有蓋子的 PVC 管。

可以用硅膠來(lái)密封，將同軸電纜兩端密封好，最后再用塑料膠布包扎緊密。圖中所畫(huà)的焊點(diǎn)是為了防止潮氣通過(guò)編織網(wǎng)滲透進(jìn)去，并固定住芯線(xiàn)導(dǎo)體。對(duì)于需要長(zhǎng)期在室外氣候下使用來(lái)說(shuō)這些都是非常重要的細(xì)節(jié)。還有一個(gè)更好的辦法是將電容器放到一個(gè)兩端帶蓋子的一段 PVC 管里面，見(jiàn)圖11( B )。

注意，不是所有的 RG -8類(lèi)型電纜都具有相同的每英尺電容值，另外末端效應(yīng)也會(huì)稍微增加電容量。如有可能，應(yīng)該用電容表來(lái)修剪調(diào)整電容器，不過(guò)它并不需要太精確，已經(jīng)檢驗(yàn)過(guò)電容值變化±10％后的影響情況，發(fā)現(xiàn)天線(xiàn)依然能工作得很好。

得到的這些結(jié)果與用計(jì)算機(jī)建模預(yù)測(cè)的非常接近。圖12就給出了整個(gè)波段的 SWR 實(shí)測(cè)值，這些測(cè)量采用鳥(niǎo)牌（ Bird ）的雙向功率表，最差的 SWR =1.35，是在波段的邊緣。

?圖12 N6LF DEZepp 天線(xiàn)在整個(gè)40 m 波段的實(shí)測(cè) SWR 曲線(xiàn)。

Dick Ives /W71SV架設(shè)了一根80 m 波段的這種天線(xiàn)，如圖13( A ）所示。串聯(lián)電容器是17 pF 。由于他對(duì) CW 不感興趣，所以 Dick 就將最低 SWR 調(diào)整到波段的高端，如圖中給出的 SWR 曲線(xiàn)那樣（見(jiàn)圖13B)。該天線(xiàn)還可以調(diào)諧到更低一些的頻率工作，整個(gè)波段 SWR <2:1，如虛線(xiàn)所示。

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圖13 75/80 m 波段改進(jìn)型的擴(kuò)展雙 Zepp 天線(xiàn)，采用 NEC Wires 設(shè)計(jì)。( A ）是天線(xiàn)的原理圖，( B ）是跨過(guò)75/80 m 整個(gè)波段的 SWR 曲線(xiàn)。實(shí)線(xiàn)是W71SV的天線(xiàn)測(cè)量曲線(xiàn)，它的 SWR 最．小值通過(guò)修剪調(diào)整到波段的高端，點(diǎn)劃線(xiàn)是將最小 SWR 設(shè)在3.8 MHz 頻率上所計(jì)算出來(lái)的響應(yīng)曲線(xiàn)。

這種天線(xiàn)提供了較寬的工作帶寬，以及在整個(gè)75/80 m 波段中等的增益，并非有很多的天線(xiàn)可以像它一樣，簡(jiǎn)單的單線(xiàn)結(jié)構(gòu)就能提供如此好的性能。