天線手冊(Antenna Handbook)

天線基本概念

天線是FM DX的耳朵，微弱的電波從天線經過饋線進入接收機，才能讓我們聽到遠方電臺的聲音。一個接收系統的好壞，天線占了一半。我們希望天線能有高的增益，把微弱的信號變得響亮，我們希望天線能有一定的選擇能力，把傳呼臺干擾和本地強臺擋在外面，我們希望天饋系統盡量減小損耗，把每一微伏的信號都送到接收機的前端。
對于大多數使用便攜式收音機來收聽FM DX的人說，他們的天線也許只是收音機上的拉桿天線，這樣的天線雖然簡單方便，但是對于FM DX來說，無論如何是不夠的，盡管拜電離層的恩賜，這樣的天線系統也不是沒有可能接收到DX信號。
我將介紹一些常見而且容易自制的天線，這些天線能夠用我們日常生活中容易得到的材料制作。我會逐一制作這些天線，將制作的過程拍成照片，并給出盡可能詳細的尺寸數據。盡管我在制作過程中會動用天線分析儀甚至是綜合測試儀等設備，但是我將告訴讀者不使用這些昂貴儀器的調試方法。至少，完全按照我的材料、尺寸總不會錯。

天線電波

在講天線之前，不能不先提一提電波。我們制作天線的目的是為了捕捉電波，因此，在考慮天線的問題之前，絕對有必要先研究一下電波的問題。FM廣播波段，頻率上是從87.5MHz到108MHz，對應的波長是3.4米到2.7米，一般稱做3米波段，是VHF（Very High Frequency）的一段。這個波段以下，54MHz到87.5MHz是電視廣播波段，以上，108MHz到136MHz是航空通訊波段。VHF波段的電波傳播，主要有三種途徑：

天線直接波

這是指從發射天線到接收天線之間，不經過任何發射，直接到達，電波就象一束光一樣，所以有人稱它為視線傳播。視線傳播這個名字也表明了這種傳播方式能夠傳播的距離不遠。這有兩個原因，首先是電波從發射點出發，其能量是以冪級數遞減的，而接收機要能良好地解調出廣播，需要一定的信號強度。所以太遠的地方，信號太弱，不足以解調。如果只是這個原因，那么拼命提高發射功率或增加接收天線的增益，也許就可以擴大收聽的范圍了。但是，還有一個重要的問題是，地球是圓的，在地球上任何一點發出的電波，按直線前進的方向，最終將離開地球射向天空。主要是由于第二個原因，一般地講，地面上一個發射臺發出的直線波，只能傳播到70km遠處地面上的接收處。如果雙方的高度增加，那么這個距離還可以增加，但總是有限的。所以，70km，是本地收聽的極限，實際上，由于山脈、丘陵、房屋的阻擋、反射，這個距離還要大打折扣，一般可以估計的距離是35km。

電離層發射波

這是指電波通過電離層的發射達到接收方。這里面的名堂很多。電離層本身是有多個層次的，支持短波（1.8MHz到30MHz）反射的電離層是F1和F2 層。F1和F2并不是甘心反射所有的無線電波，它們能反射的最高頻率是有限的，超過這個頻率的電波完全得不到反射，而是穿過電離層射向太空。如果沒有這個特性，那么通訊衛星就不可能存在了，通訊衛星就是在電離層外工作的。這個最高頻率叫作MUF（Max Usable Frequency）。 MUF與很多因素有關，主要是和太陽黑子活躍程度以及季節有關。太陽黑子活躍，MUF就高，天氣熱，MUF也高。MUF最高能高到多少呢？一般在太陽黑子活躍期的夏天，MUF在20MHz到 40MHz之間，很少超過50MHz。在低的時候甚至會低到10MHz以下。但是在太陽黑子異常活躍的時候，MUF也有可能偶然達到100MHz。這時候，就有可能通過F層發射收到DX FM了。但是這不是FM DX的主要形式，FM DX主要是通過另外一個電離層E層。本來E層的出現是破壞F層，所以我們不妨記F層為Friend層，E層為Enemy層。但是Es層的出現，卻會形成一個短期內密度極高的反射層。反射層的密度高，意味著能更好地反射電波。所以Es層開通的時候，DX電臺的信號會異常地強。在6米和10米業余波段工作的業余電臺都知道， Es層開通的時候，很小的功率，甚至5W，也有可能做DX聯絡。Es的開通，主要是提供了 800km以內電波的傳播路徑。由于信號很強，其實很多時候并不需要很好的設備就可以接收，需要的是耐心和運氣。除了這兩種反射，FM DX還有可能通過對流層反射和流星余跡到達你的接收機。

地波和大氣波導

本來來說，理論上VHF是不存在地波的。但是無數的實踐表明，VHF 也存在著某種程度的地波傳播。所以我們能穩定地接收200km左右電臺的信號。江蘇和安徽兩省的業余電臺，每年國慶的時候都進行全省VHF移動通訊實驗，也證明了VHF電波可以在200km左右的距離得到傳播。大氣波導是另外一種可能傳播VHF電波的手段，不過人們研究得還不夠多。
既然存在著這些可能，那么如何知道我收到的信號是以什么方式來的呢？一般來說，如果收到的信號來自70km以內的電臺，基本上可以認為是直接波；如果是 200km以內，而且信號穩定（不一定強），那么大概是地波；如果是800km以內，信號很強，但是極不穩定，而且偶爾才出現，多半是Es層傳播；如果距離更遠，信號很弱，大概是F層或其他形式的電離層傳播了。
知道這些有什么用呢？用處在于幫助我們選擇對天線的要求。比如，F層的傳播有一個特點是越距，大約500km以內的電臺是不可能通過F層的傳播來的，這個距離內的電臺信號只能以Es層來。就象在杭州想要接收***的FM電臺信號，只能PNP（Plug and pray），等 Es層，那么天線就要考慮適合Es層的特點。
還有一個很重要的因素是極化方式，這是很容易被很多愛好者忽略的問題。電波的極化方式有三種：水平極化、垂直極化和圓極化。不管理論上怎么計算，簡單的判斷方法，就是看振子的方向，振子是水平放的就是水平極化，垂直的就是垂直極化，圓極化不用在 FM廣播，可以不管。極化方式之所以重要，是因為要求發射方與接收方的極化方式必須一致，才能有好的接收效果。我國廣播的極化方式是水平極化，所以，接收天線也應水平架設。如果極化方式不一致，會有10dB到20dB的損失。可是，經過電離層的反射過來的電波，早就被反射得七葷八素、顛三倒四，說不定是什么極化方式了。所以，接收DX信號，其實垂直極化也不錯，附帶的一個好處，就是可以削弱本地電臺的影響。

天線的特性

天線共振

任何天線都諧振在一定的頻率上，我們要接收哪個頻率的信號，就希望天線諧振在那個頻率上。天線諧振是對天線最基本的要求，要不然，就沒那么多講究了，隨便扔根線出去不也是天線嘛。
天線的諧振問題涉及到的主要數據是波長及其四分之一。計算波長的公式很簡單，300/f。其中f的單位是MHz，而得到的結果的單位是米。1/4波長是稱作基本振子，如偶極天線是一對基本振子，垂直天線是一根基本振子。
不過天線中的振子的長度并不正好是1/4波長，因為電波在導線中行進的速度與在真空中的不同，一般都要短一些，所以有一個縮短因子。這個因子取決于材料。

天線帶寬

這也是一個重要但容易被忽略的問題。天線是有一定帶寬的，這意味著雖然諧振頻率是一個頻率點，但是在這個頻率點附近一定范圍內，這付天線的性能都是差不多好的。這個范圍就是帶寬。
我們當然希望一付天線的帶寬能覆蓋一定的范圍，最好是我們所收聽的整個FM廣播波段。要不然換個臺還要換天線或者調天線也太麻煩了。
天線的帶寬和天線的型式、結構、材料都有關系。一般來說，振子所用管、線越粗，帶寬越寬；天線增益越高，帶寬越窄。

天線阻抗

天線可以看做是一個諧振回路。一個諧振回路當然有其阻抗。我們對阻抗的要求就是匹配：和天線相連的電路必須有與天線一樣的阻抗。和天線相連的是饋線，饋線的阻抗是確定的，所以我們希望天線的阻抗和饋線一樣。一般生產的饋線，主要是300歐姆、75歐姆和50歐姆三種阻抗，國外過去還有450歐姆和600歐姆阻抗的 饋線。
基本偶極天線的阻抗是75歐姆左右，V型偶極天線是50歐姆左右，基本垂直天線阻抗 50歐姆。其他天線一般阻抗都不是50或75歐姆，那么在把它們與饋線連接之前，需要有一定的手段來做阻抗變換。
天線平衡
對稱的天線是平衡的，如偶極天線、八木天線，而同軸電纜是不平衡的，把這兩者連接起來，就需要解決平衡不平衡轉換的問題。

天線增益

天線是無源器件，但是天線是可以有增益的。這個增益當然是相對增益，是相對于基本偶極天線而言的。FM DX所用的天線，當然希望增益越高越好。不過別忘了，增益高往往伴隨著帶寬窄。
天線方向性
不是所有的天線都有方向性的。便攜式收音機上的拉桿天線就沒有方向性。偶極天線有弱的方向性，八木等定向天線可以得到較好的方向性。好的方向性意外著能夠集中收集所需方向的電波，還有一個重要的能力就是能部分地減弱本地電臺信號的影響。
但是定向天線并不是什么情況下都好。當沒有目標而等待的時候，定向天線就有可能使你錯過天線背面的信號。所以比較合理的方式，是用一個垂直天線和一付定向天線配合使用，用垂直天線等待，聽到信號后，再用定向天線轉過去對準了聽。
天線仰角
天線的仰角是指電波的仰角，而并不是天線振子本身機械上的仰角。仰角反映了天線接收哪個高度角來的電波最強。對于F層傳播，我們希望仰角低，可以傳播地遠，對于 Es層，電波主要是從高處來，我們希望仰角高。
仰角的高低取決于天線型式和架設高度。一般來說，垂直天線具有低仰角，其他天線的仰角隨架設高度變化。

天線架設高度

天線有一個架設高度。這個高度實際上是兩個高度，一個高度我們考慮它的水平面高度，這個高度對于本地信號有些用，對于DX其實用處不大。第二個常常被忽略的高度是地面高度，是指天線到電氣地面的高度。比如架設在鋼筋水泥房頂的天線，雖然房子高有20米，但是天線距房頂只有1米，那么這付天線的高度只是1 米。
天線的高度對不同的天線有不同的影響，一般會影響天線的阻抗和仰角。通常我們認為天線的地面高度應在0.4個波長以上，才比較不受地面的影響。
天線駐波比
最后介紹這個最不被中國的愛好者熟悉的特征。駐波比反映了天饋系統的匹配情況。它是以天線作為發射天線時發射出去和反射回來的能量的比來衡量天線性能的。駐波比是由天饋系統的阻抗決定的。天線的阻抗與饋線的阻抗與接收機的阻抗一致，駐波比就小。駐波比高的天饋系統，信號在饋線中的損失很大。