什么是全向天線？全向天線的應用和種類

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作者：Basu

從字面上看，全向天線是一種向所有方向均勻輻射的天線。但實際上，"全向 "一詞需要結(jié)合通信應用場景來理解。例如，對于自由空間中的天線（如低地球軌道衛(wèi)星上的天線），人們可能希望它在三維空間中向所有方向均勻輻射，而對于地面高頻站，人們則希望它在方位角（水平面）周圍的所有方向（360°）均勻輻射。

典型的全向方位角瓣圖

在低地軌道衛(wèi)星使用的地面站天線的另一種情況下，人們希望全向天線不僅能覆蓋方位角 360°，而且能覆蓋地面以上的所有仰角，從而在地球上空產(chǎn)生半球形的圓頂輻射模式。

全向天線的分類并非基于任何特定的天線設(shè)計結(jié)構(gòu)，而是根據(jù)其產(chǎn)生的輻射模式進行分類。根據(jù)上述介紹，人們可能會期望在所需方向上的增益大小是完全一致的，但并非所有類型的全向天線都能做到這一點?？赡軙幸恍┢?，因此根據(jù)不同的應用，也可以接受非常接近全向的輻射模式。這就引出了增益波紋一詞。這個術(shù)語設(shè)定了不同方向增益變化的可接受性極限，而理論上人們期望的是完美的均勻性。通常情況下，2-3 dB 的增益紋波是可以接受的，不過，根據(jù)通信應用的不同，這一限制可能會稍小或稍大。

下面讓我們來研究并介紹幾種常用于各種無線電通信應用的典型全向天線。

馬可尼 1/4λ （單極子）天線

馬可尼單極子天線也俗稱垂直平面天線。輻射元件的長度通常為 1/4λ 并垂直定向。當發(fā)射機驅(qū)動輻射元件時，它利用地面作為反極板和輻射元件上產(chǎn)生的電場的返回路徑。中頻（MF）無線電廣播站使用的就是這種實用天線的一個例子。作為中程本地廣播電臺，它們需要沿方位角平面提供全向服務覆蓋。此外，垂直單極天線的另一個優(yōu)點是，由于它能產(chǎn)生垂直極化輻射模式，因此與任何水平極化天線相比，它能提供更好的面波（地波）覆蓋。

對于這種類型的天線來說，重要的是架設(shè)天線的地面要有良好的土壤特性（導電性和介電常數(shù)）。但這并不總是可能的。因此，大多數(shù)單極地平面天線都使用人工地增強技術(shù)來提高效率和性能。通常情況下，幾乎所有的安裝都會在天線周圍鋪設(shè)一組金屬絲或金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這些天線可以鋪設(shè)在地表上，也可以埋在土壤下面一點。這就起到了人工地平面的作用，其半徑通常為單極子底座周圍的 1/4 λ。

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業(yè)余無線電業(yè)余愛好者經(jīng)常在高頻波段以及甚VHF/UHF(高頻/超高頻)全向地面無線電通信中非常有效地使用垂直地平面天線。這種天線結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，不需要天線旋轉(zhuǎn)器，在無線電業(yè)余愛好者中頗受歡迎。在這些頻段上，這種天線可以有效利用由徑向?qū)w組成的人工地平面，而無需絕對接地。因此，不需要安裝在實際地面附近。

只要單極天線與人造地面徑向系統(tǒng)集成在一起，它就可以在任何地方或地面以上任何高度順利安裝。高頻天線可以安裝在建筑物的屋頂上，并在屋頂上鋪設(shè)輻射線，而甚高頻/超高頻天線則可以安裝在桅桿上，并在垂直元件附近的底座上連接輻射桿。這種天線的輻射模式在方位角上是真正的全向的，而在仰角上則提供了廣泛的仰角覆蓋，在 90° 仰角處有一個很深的無效點。

這種天線有多種變體，一些變體的輻射元件長度與 1/4λ 版本不同。其中一個非常流行的版本是帶有 5/8λ 長度輻射器的垂直單極。對于普通的高頻業(yè)余無線電愛好者來說，這種結(jié)構(gòu)可能有點過高，但在 6 米、2 米、70 厘米波段以及更遠的波段上則完全可以承受。5/8λ 垂直天線的優(yōu)點是增益較高，具有全向方位模式，在仰角平面上的壓縮較大，因此更適合低起飛角輻射的 DX 操作。這兩種天線變體都是諧振單頻駐波型天線。當然，它們也可以通過適當使用陷波器變成多波段天線。

用于地面通信的全向天線

下面簡要介紹其他一些用于地面通信的全向天線，這些天線具有具有不同程度的增益和仰角瓣壓縮的全向方位角模式。

垂直偶極子

水平偶極子可能是最常見的天線類型之一。它的中心是一根 1/2λ 長的導線。它是一種高效諧振天線，可在水平配置中產(chǎn)生水平極化雙向輻射模式。不過，偶極子也可以垂直定向。這將產(chǎn)生全向方位角模式，非常適合地面通信。雖然垂直偶極子在結(jié)構(gòu)上可能比較高，不適合無線電業(yè)余愛好者在大多數(shù)高頻頻段上實際使用，但其物理尺寸完全可以在甚高頻/超高頻頻段上使用。垂直偶極子的極化是垂直的。

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普通模式螺旋天線

螺旋天線經(jīng)常用于各種VHF/UHF(高頻/超高頻)應用。根據(jù)螺旋天線的物理尺寸，它既可以沿軸線輻射，也可以與軸線正交（寬邊）輻射。這兩種不同的模式（取決于設(shè)計）分別稱為軸向模式和普通模式。普通模式螺旋的軸線位于垂直方向，可作為全向天線使用。這種天線的優(yōu)點是，在增益相同的情況下，它的物理長度比單極天線小，或者可以通過增加螺旋的匝數(shù)來增加螺旋的長度，從而獲得更高的增益。

J-Pole 天線

這基本上是一種半波偶極子天線，垂直方向，在底端驅(qū)動，而不是像普通偶極子那樣在中間驅(qū)動。在末端驅(qū)動偶極子的問題是，末端的饋電點阻抗極高，因此很難實現(xiàn)阻抗匹配以有效傳輸功率。J-Pole 天線采用了一種巧妙的技術(shù)來規(guī)避這一問題。它在偶極子的下端增加了另一個 1/4λ 部分，并在靠近第一部分的地方增加了一個平行導體。這個較低的部分現(xiàn)在就像一條 1/4λ 的傳輸線。下部的底端短接在一起。這使得 1/4λ 底端部分在偶極子上端部分呈現(xiàn)出完美的高匹配阻抗。因此，J-Pole 的總垂直長度為 3/4λ。發(fā)射機的饋線連接在一個合適的位置，略高于結(jié)構(gòu)的底部，在這里可以實現(xiàn)良好的阻抗匹配。這種天線增益高，起飛角小，適用于 DX。

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上圖A是一個J-Pole 天線實例，B是用直徑3-10mm的銅線或銅管制作的J-Pole 天線（適用于大功率）。

Slim-Jim 天線

Slim-Jim 是 J-Pole 的一種變體。長度相同，增益和全向輻射模式也相同。Slim-Jim 可視為折疊偶極子（而非簡單偶極子），其高阻抗端采用與 J-Pole 相同的方法（1/4λ 短接 TL 部分）進行驅(qū)動。Slim-Jim 的物理結(jié)構(gòu)允許使用一段明線傳輸線或一段 300Ω 或 450Ω 傳輸線來構(gòu)建它，因此它絕對輕巧便攜。

垂直共線陣列天線

從技術(shù)上講，這是一種堆疊式天線陣列。它就像將一個或多個 1/2λ 長度的垂直偶極子級聯(lián)在一個普通的 1/4λ 垂直單極子天線上方。下單極子的上端驅(qū)動下一個上偶極子的下端。然而，在單極子和上偶極子的交界點之間需要引入 180° 的相移。這可以通過多種方法實現(xiàn)，但最簡單的方法是使用 1/4λ 長的傳輸線作為平行存根，并在遠端短接。這就是所需的移相器。即使在單極子上方使用一個偶極子部分，這也是一種出色的天線。它在方位角上具有極佳的全向模式，增益大，起飛角小，DX 效果非常好。在第一個偶極子部分的頂部增加一個以上的偶極子可以產(chǎn)生很高的增益，但對于高頻來說可能并不實際可行。不過，多節(jié)垂直共線天線常用于甚高頻，特別是尺寸比較實用的超高頻。

Open Sleeve 多波段垂直天線

Open Sleeve 垂直天線是一種多頻段天線，它巧妙地利用了緊密間隔導體之間的相互感應特性。從結(jié)構(gòu)上看，這種天線有一個正常的垂直輻射器，其長度的大小是為了在感興趣的最低頻段產(chǎn)生共鳴。這是主要的驅(qū)動元件，在底部與接地系統(tǒng)或一組輻射器一起饋電，類似于經(jīng)典的垂直單極。其他幾個可在不同較高頻段產(chǎn)生共鳴的元件與驅(qū)動元件平行放置，距離非常近，以實現(xiàn)緊密的感應耦合。當激勵頻段變?yōu)楦哳l率時，主驅(qū)動元件不再產(chǎn)生諧振，饋電點阻抗幅值升高，成為無源元件。因此，感應耦合元件的有效并聯(lián)負載阻抗現(xiàn)在決定了饋電點阻抗，并反映出諧振狀態(tài)。

Discone碟形天線

該天線有多種變體，這種天線有多種變體，包括雙碟形和倒碟形。由于其形狀和結(jié)構(gòu)，它是一種帶寬超過幾個倍頻程的寬帶天線。由于其物理尺寸限制，Discone 天線僅適用于 VHF/UHF 或更高頻率。然而，它們也曾在各種場合部署在高頻和中頻頻段上。在HF頻段上，錐形結(jié)構(gòu)不是實心的，而是由緊密間隔的導線組成，形成線籠結(jié)構(gòu)。

全向LEO衛(wèi)星地球站天線

與我們目前討論的地面通信應用相比，用于低地軌道衛(wèi)星的固定全向天線有一些獨特的額外要求。除了必要的全方向方位角覆蓋外，這些天線還必須沿仰角平面在所有方向上都有非常廣闊的覆蓋范圍，在仰角 80° 處沒有明顯的凹陷或無效。其次，這些天線最好能產(chǎn)生圓極化輻射模式，而不是線性極化。這是為了考慮地面站天線與衛(wèi)星機載天線之間的極化不匹配問題。

除了少數(shù)衛(wèi)星外，大多數(shù)LEO衛(wèi)星沒有任何軌道姿態(tài)穩(wěn)定功能，它們通常使用線性極化天線，尤其是在2m鏈路上。然而，70cm鏈路的天線經(jīng)常使用圓極化的“傾斜旋轉(zhuǎn)門”天線。衛(wèi)星天線極化的連續(xù)變化是由于電離層法拉第旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象以及衛(wèi)星在軌道上移動時不斷滾動、俯仰和翻滾造成的。

下面簡要介紹業(yè)余無線電操作員常用的一些流行的全向天線。

四臂螺旋 （QFH） 天線

這是一種堅固的全向天線，通常用于工作的LEO衛(wèi)星。它是一種緊湊的結(jié)構(gòu)，可以很容易地封閉在由合適的非導電塑料材料制成的圓柱形管狀軟管中，在工作頻率下具有低介電損耗。因此，它可以是一個防風雨天線，可以方便地安裝在桅桿上。它不需要平衡徑向或接地系統(tǒng)即可有效運行。QFH天線的輻射方向圖是圓極化的，在方位角平面上是真正的全向的，而在仰角平面上幾乎是全向的。LEO衛(wèi)星工作的整體覆蓋范圍非常好。

旋轉(zhuǎn)門天線

通常，這種天線有兩種變體。正常模式是水平極化的，軸向模式是圓極化的。對于LEO衛(wèi)星工作，使用圓極化軸向模式旋轉(zhuǎn)門天線。它由兩個偶極子組成，取向為 90%deg;在交叉偶極子配置中彼此相對。兩個偶極子同時驅(qū)動，但具有 90° 的相位差，通常使用 1/4λ 相位線束實現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)放置在人造接地平面上方，該接地平面由兩個適當長度的交叉導體組成。由此產(chǎn)生的天線可安裝在桅桿上，并在方位角和地面仰角上產(chǎn)生全向模式。典型旋轉(zhuǎn)門天線的另一種變體是傾斜旋轉(zhuǎn)門，它通常用作許多LEO衛(wèi)星上的圓極化全向天線。

Eggbeater打蛋器天線

與旋轉(zhuǎn)門天線一樣使用交叉偶極子不同，該天線使用交叉全波環(huán)路，類似于典型的廚房打蛋器，因此得名。Eggbeater 天線環(huán)可以是圓形或矩形。它還需要一個交叉導體接地平面，如旋轉(zhuǎn)門。由于全波有源環(huán)路，打蛋器的增益高于旋轉(zhuǎn)門天線的增益。Eggbeater 天線非常常見，廣泛用作 LEO 衛(wèi)星地面站天線，用于全向覆蓋。

Lindenblad 天線

該天線的名字來源于其原產(chǎn)地在德國林登布拉德市。Lindenblad 天線早在第二次世界大戰(zhàn)之前就已問世，具有圓極化全向模式。最初的天線由三個相互傾斜的折疊偶極子組成，彼此成 120°，放置在一個圓圈內(nèi)。所有三個折疊偶極子都是通過復雜的相位線束饋電的驅(qū)動元件，以實現(xiàn)所需的相位關(guān)系。匹配傳輸線的饋電點阻抗變換也相對復雜。

不過，后來又開發(fā)出一種經(jīng)典林登布拉德天線的變體，使用三個寄生偶極子和一個中心放置的垂直驅(qū)動偶極子元件。這種寄生式 Lindenblad 變體相當容易制作，并且與同軸電纜傳輸線具有良好的阻抗匹配。