关于增益的几个知识全面讲解

电子发烧友网工程师 发表于 2017-12-29 11:02:01 收藏 已收藏
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关于增益的几个知识全面讲解

电子发烧友网工程师 发表于 2017-12-29 11:02:01

一、关于增益:

电波是一种能量,根据能量守恒定律,高增益天线并不是把电波的总能量增强了,而是把电波集中到较窄的某一空间,在该空间的电波密度得到加强。低增益天线把电波散射到较广的空间。

最合适的比喻就是手电筒,天线相当与手电筒的反射镜,调整手电筒反射镜,可能让光线聚焦在一个较小的点上,你会发现被照射的这个点很亮,但周边比较暗,适合看较远物品,视野窄;把手电筒调到散光状态,周边光线强度都比较平均,适合看近距离物品,视野广。

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光波能量守恒,在同一条件下,手电筒的反射镜并没有改变灯泡的自身的发光亮度。

电波的也一样,天线并没有改变发射机的功率,更加没有放大发射机的功率。

二、关于发射(仰)角

1、短波

天线的发射角主要包括水平发射角和垂直发射角,在这一小节,我们只讨论水平发射角(也就是我们短波通信中常叫的“发射仰角”)。

短波通联,要玩的痛快,就必须掌握发射仰角与波瓣一些常识,楼主已经分析的很透彻,在这里用通俗的方式描述一下,天线发射仰角越小,通过电离层一次发射跳跃的距离越远,适合远距离通信,一般情况下,发射仰角小于30度的天线适合远距离DX通信,如高架设的多单元短波八木天线,但近距离通信会出现盲区,这类天线不适合国内(省内)通联。

我们会发现,国内通联,高发射仰角的倒V天线,综合效果往往会比高增益的八木天线效果好,斜拉天线仰角更大,通常500公里以内的短波无盲区通信会使用。

我的个人经验:发射仰角的30-60度的适合国内中短距离通联,发射仰角的小于30度的适合远距离DX,发射仰角的小于20度的,适合猎奇,如南美东岸。

天线架设高度与发射仰角(增益)有很大关系,默认情况,天线的设计增益参考高度都是1/2波长高度,比如,一个设计发射仰角为25度(增益为12dbi)的对数周期短波天线,如果架设高度只有1/4波长高度,发射仰角可能会变成40度,增益也会降到大概9dbi;如果架设高度达到1个波长高度,发射仰角可能会变成小于20度,增益也会增加到13dbi以上。

条件好的比赛基地,通常会使用可升降塔来安装定向天线,这样不单是因为防风的问题,更主要因数是参赛者可以按照通联的目的地距离,升降天线高度,来改变天线增益和发射仰角,达到通联不同地区的目的。

关于波瓣,楼主说的非常清晰了,通常,短波天线的架设高度和波瓣数量有很大关系,架设高度大于1/2波长时,波瓣会增加,大于1个波长时,波瓣会变的尖锐,多个尖锐波瓣对于DX主叫是一件好事,通常会有很好的收获,滩主很容易就做成了,这种方式我们通常笑话是“对多个特定地区播种”。

多波瓣分为水平多波瓣和垂直多波瓣,这里就不再深入了。

2、超短波(U/V段)

在U/V段,通常采用垂直极化方式,视距传播,发射角一般有两个含义,一是水平发射角、一个是垂直发射角。

全方向的GP天线垂直发射角是360度,水平发射角因为增益不同而不同,增益越大,水平发射角越小,假如是一个增益10dbi的玻璃钢天线,水平发射角大约是25度,U/V段GP天线主要通过改变水平方向上的电波密度,实现改变增益。

对数周期天线具有较强的方向性,垂直发射角跟对数周期天线的单元数目关系最大,水平发射角次之,一个12单元的U段八木,垂直发射角发射角大约是30度,水平发射角35度,U/V段对数周期天线主要通过改变垂直方向上的电波密度,实现改变增益。

对于使用U/V段中继,了解垂直发射角与水平发射角非常有必要。

架设在城市高楼的中继台,为了确保中短距离的中继效果,一般会选择较低增益的玻璃钢天线(约6DBI),因为低增益GP天线的水平发射角较大,减少了近距离中继盲区。

一般高山中继会采用高增益玻璃钢天线(大于10DBI),较小的水平发射角,满足了中远距离的中继通信需要。

对于使用中继的电台,天线的选型也一样,经常在中继台5公里范围内上中继的电台,尽量使用低增益,较大水平发射角的天线,如果使用高增益GP天线,会出现中继覆盖盲区,效果反而会变差。对于经常使用30公里以上远程中继的电台,建议使用高增益的天线。

三、关于天线阵

兜了一个大圈,才回到本贴主题,简直是唐僧再世。。。

先来看看天线阵的几种组阵方法:

1、等幅并行馈电组阵:

用于同一指向、同一结构的天线组阵,各单元天线输出的功率相同、相位相同,同方向的增益加大,这是我们业余无线电常用的组阵方法。

2、中央串行馈电组阵:

用于同一结构的天线组阵,各单元天线的功率和相位对应,用于分解承受大功率,如电视发射塔天线、雷达天线等。

3、总线馈电组阵:

用于多个方向天线组阵,各单元天线的功率和相位不同,可以根据控制系统进行分配。

再来看看我们生活应用最广的天线阵:

1、电视信号接收天线阵:

我们要接收不同方向电视发射站的信号,往往需要多个不同方向的八木天线接收,通过合路器连接到电视机,往往还包括VHF、UHF不同频率的天线进行合路,最典型的案例就是在深圳了,周遍各方向有数十个电视发射站信号,包括深圳、香港、珠三角等地。

在我们工作室,要接收时下最流行的地面数字高请电视,我使用三个八木天线进行合路,一个7单元水平极化八木天线接收深圳台节目(正东方向,706MHZ);用了一个5单元垂直极化八木天线接收央视高清节目(正东方向,786MHZ,真不明白电视台采用垂直极化发射的目的,估计不想太多人看到,影响有线电视的生意);用了一个3单元4阵列的水平极化八木阵(同方向中央串行馈电组阵)用于接收香港高清信号(东南方向,586、602、650MHZ)。三个天线合路到一个数字接收机,苦难重重,两个或三个天线可能同时接收到同一发射站信号,出现信号抵消想象,采用了物理隔离办法(阻挡非接收方向)、滤波隔离(只允许某一频率通过),终于把能收到的22个地面无线高清节目通过一根馈线全部拿下。

这个小试验,是一个大的“总线馈电”天线阵中还包括了一个“串行馈电”子天线阵,可以看出采用“总线馈电组阵”的难度比较大,影响因数比较复杂。

2、蜂窝移动电话天线阵:

蜂窝移动是贝尔实验最伟大的发明,改变了整个世界的生活方式,蜂窝移动电话系统的核心之一就是数字控制天线阵,整个蜂窝系统其实就是一个庞大的数以万计的蜂窝天线阵,这是一项非常成熟的应用技术,在这里,我们只简单解剖一下单个基站天线阵的情况。

现在的蜂窝移动基站一般由多个天线组成,每个天线有一定的发射角,有低容量的120度3天线阵基站,也有高容量的60度6天线阵基站,甚至更多的,等等。360度多天线系统,主要功能有二,一是解决数据通信用户容量问题,二是解决了天线增益与信噪比问题,我们来看看用户位置与基站天线的选择,系统是通过计算机软件控制,根据用户到基站各天线之间的信号强度,电子合路切换,选择所需的天线。

蜂窝移动的天线阵技术虽然很成熟,但要在我们业余无线电里应用,难度还是非常大,假如我们想做一套4个或六个方向的360度覆盖的八木阵,通过计算机,根据来源信号强度来控制所需的收发天线,需要投入资金不是一般个人能承受的。

问题1:用两个4单元八木组成天线阵,指向一个方向。

技术上完全可行,减去功分合路器等中间环节的损耗,会增加大约3dbi的增益,同时发射角变小,波瓣变尖。相对来说能通到的更远的电台,除此之外,也会带来很多的副作用:一是带宽减小,二是SWR增大,三是阻抗匹配难度增加,四是需要更精准的转向器。

算了一下这笔帐,还不如做一个6单元八木天线来的直接,效果和这个阵列相当,但轻松多了。

以下这些情况使用这种方式,成本很合算:一是八木天线到达一定的单元极限,电性能和物理性能都不允许增加单元了,二是高波段的八木,如6米波、2米波等,阵列难度和成本都很低;三是高带宽的对数周期天线,14-30MHZ对数周期天线要增加3dbi增益,需要增加约2.5倍的材料,而且主梁会过长,物理性能无法保障,所以做成阵列的成本更低。

问题2:用两个4单元八木冲着不同的方向,但是使用一个转向机。

这个问题有点复杂了,在回答这个问题之前,我在上面举了两个例子,电视接收天线阵和蜂窝移动天线阵,要实现不同方向的天线阵合路功分控制,会带来很多的副面影响,只有蜂窝移动通过数字控制技术真正解决了这个问题,我们业余无线电不建议采用这方式,除非你有海量的资金或庞大技术力量,研发出强大的信号分配控制系统。

不过,假如我有两个你那样的八木,尝试一下也不坏。

问题3:想在比赛中通过调整天线系统来加强20米波段的成绩。

这个问题变得简单了,作为比赛电台,最有效的办法是配置一个10至40米电动可升降铁塔,根据通联目的地需求,调整铁塔高度,改变天线增益和仰角,铁塔就是一个天线增益调整器,非常凑效。

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