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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(shí)際上，"全向 "一詞需要結(jié)合通信應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)理解。例如，對(duì)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(duì)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(jì)結(jié)構(gòu)，而是根據(jù)其產(chǎn)生的輻射模式進(jìn)行分類。根據(jù)上述介紹，人們可能會(huì)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(diǎn)?？赡軙?huì)有一些偏差，因此根據(jù)不同的應(yīng)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(gè)術(shù)語(yǔ)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(guò)，根據(jù)通信應(yīng)用的不同，這一限制可能會(huì)稍小或稍大。

下面讓我們來(lái)研究并介紹幾種常用于各種無(wú)線電通信應(yīng)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(zhǎng)度通常為 1/4λ 并垂直定向。當(dāng)發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)輻射元件時(shí)，它利用地面作為反極板和輻射元件上產(chǎn)生的電場(chǎng)的返回路徑。中頻（MF）無(wú)線電廣播站使用的就是這種實(shí)用天線的一個(gè)例子。作為中程本地廣播電臺(tái)，它們需要沿方位角平面提供全向服務(wù)覆蓋。此外，垂直單極天線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(duì)于這種類型的天線來(lái)說(shuō)，重要的是架設(shè)天線的地面要有良好的土壤特性（導(dǎo)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(qiáng)技術(shù)來(lái)提高效率和性能。通常情況下，幾乎所有的安裝都會(huì)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(diǎn)。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。

配圖來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

業(yè)余無(wú)線電業(yè)余愛(ài)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(wú)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(jiǎn)單，易于制作，不需要天線旋轉(zhuǎn)器，在無(wú)線電業(yè)余愛(ài)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(wú)需絕對(duì)接地。因此，不需要安裝在實(shí)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(gè)很深的無(wú)效點(diǎn)。

這種天線有多種變體，一些變體的輻射元件長(zhǎng)度與 1/4λ 版本不同。其中一個(gè)非常流行的版本是帶有 5/8λ 長(zhǎng)度輻射器的垂直單極。對(duì)于普通的高頻業(yè)余無(wú)線電愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)可能有點(diǎn)過(guò)高，但在 6 米、2 米、70 厘米波段以及更遠(yuǎn)的波段上則完全可以承受。5/8λ 垂直天線的優(yōu)點(diǎn)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(dāng)然，它們也可以通過(guò)適當(dāng)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(jiǎn)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(jiàn)的天線類型之一。它的中心是一根 1/2λ 長(zhǎng)的導(dǎo)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(guò)，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(wú)線電業(yè)余愛(ài)好者在大多數(shù)高頻頻段上實(shí)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(yīng)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(jì)）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(diǎn)是，在增益相同的情況下，它的物理長(zhǎng)度比單極天線小，或者可以通過(guò)增加螺旋的匝數(shù)來(lái)增加螺旋的長(zhǎng)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(dòng)，而不是像普通偶極子那樣在中間驅(qū)動(dòng)。在末端驅(qū)動(dòng)偶極子的問(wèn)題是，末端的饋電點(diǎn)阻抗極高，因此很難實(shí)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(lái)規(guī)避這一問(wèn)題。它在偶極子的下端增加了另一個(gè) 1/4λ 部分，并在靠近第一部分的地方增加了一個(gè)平行導(dǎo)體。這個(gè)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(zhǎng)度為 3/4λ。發(fā)射機(jī)的饋線連接在一個(gè)合適的位置，略高于結(jié)構(gòu)的底部，在這里可以實(shí)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(gè)J-Pole 天線實(shí)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(zhǎng)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(jiǎn)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(jìn)行驅(qū)動(dòng)。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(lái)構(gòu)建它，因此它絕對(duì)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(gè)或多個(gè) 1/2λ 長(zhǎng)度的垂直偶極子級(jí)聯(lián)在一個(gè)普通的 1/4λ 垂直單極子天線上方。下單極子的上端驅(qū)動(dòng)下一個(gè)上偶極子的下端。然而，在單極子和上偶極子的交界點(diǎn)之間需要引入 180° 的相移。這可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)，但最簡(jiǎn)單的方法是使用 1/4λ 長(zhǎng)的傳輸線作為平行存根，并在遠(yuǎn)端短接。這就是所需的移相器。即使在單極子上方使用一個(gè)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(gè)偶極子部分的頂部增加一個(gè)以上的偶極子可以產(chǎn)生很高的增益，但對(duì)于高頻來(lái)說(shuō)可能并不實(shí)際可行。不過(guò)，多節(jié)垂直共線天線常用于甚高頻，特別是尺寸比較實(shí)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(dǎo)體之間的相互感應(yīng)特性。從結(jié)構(gòu)上看，這種天線有一個(gè)正常的垂直輻射器，其長(zhǎng)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(dòng)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(gè)可在不同較高頻段產(chǎn)生共鳴的元件與驅(qū)動(dòng)元件平行放置，距離非常近，以實(shí)現(xiàn)緊密的感應(yīng)耦合。當(dāng)激勵(lì)頻段變?yōu)楦哳l率時(shí)，主驅(qū)動(dòng)元件不再產(chǎn)生諧振，饋電點(diǎn)阻抗幅值升高，成為無(wú)源元件。因此，感應(yīng)耦合元件的有效并聯(lián)負(fù)載阻抗現(xiàn)在決定了饋電點(diǎn)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(guò)幾個(gè)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(chǎng)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(shí)心的，而是由緊密間隔的導(dǎo)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(yīng)用相比，用于低地軌道衛(wèi)星的固定全向天線有一些獨(dú)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(méi)有明顯的凹陷或無(wú)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(jī)載天線之間的極化不匹配問(wèn)題。

除了少數(shù)衛(wèi)星外，大多數(shù)LEO衛(wèi)星沒(méi)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(dòng)時(shí)不斷滾動(dòng)、俯仰和翻滾造成的。

下面簡(jiǎn)要介紹業(yè)余無(wú)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(jiān)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(dǎo)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(gè)防風(fēng)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(yùn)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(duì)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(gè)偶極子組成，取向?yàn)?90%deg;在交叉偶極子配置中彼此相對(duì)。兩個(gè)偶極子同時(shí)驅(qū)動(dòng)，但具有 90° 的相位差，通常使用 1/4λ 相位線束實(shí)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(gè)適當(dāng)長(zhǎng)度的交叉導(dǎo)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(gè)交叉導(dǎo)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(jiàn)，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(lái)源于其原產(chǎn)地在德國(guó)林登布拉德市。Lindenblad 天線早在第二次世界大戰(zhàn)之前就已問(wèn)世，具有圓極化全向模式。最初的天線由三個(gè)相互傾斜的折疊偶極子組成，彼此成 120°，放置在一個(gè)圓圈內(nèi)。所有三個(gè)折疊偶極子都是通過(guò)復(fù)雜的相位線束饋電的驅(qū)動(dòng)元件，以實(shí)現(xiàn)所需的相位關(guān)系。匹配傳輸線的饋電點(diǎn)阻抗變換也相對(duì)復(fù)雜。

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