浅析低频共线阵列天线

共线阵总是以单元同相的方式工作（如果使该阵列中的单元变为异相，系统简单地变成谐波型天线系统）。

一个共线阵是个宽边辐射器，最大辐射方向位于天线电线右边的角度上。

馈电点阻抗

对于两个同相共线单元的馈电点阻抗如图1所示。馈电点阻抗随着天线邻近的端点间隔增大而减小，并在间隔位于0.4λ~0.6λ较宽的范围内经历最小值。因为这一最小值比独立天线所取到的最小值并不小多少，所以它的增益并不超过非耦合天线的增益。具体来说，共线单元所取得的最优功率增益大约为2(3 dB )。当两端间隔很小时（通常的工作方式），增益随之减小。

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图1 在单元中心测得的作为两个同相工作的λ/2自谐振共线天线单元间距的函数的馈电点电阻。

功率增益

由于共线单元之间存在互耦的本性，馈电点阻抗（与约为73Ω的单个单元作比较）被增大。由于这个原因，功率增益不和单元数目呈正比增长。当单元间距变化时两个单元的增益如图2所示。尽管当端到端间隔在0.4λ~0.6λ范围时增益最大，使用这一数量级的间距搭建起来不方便，并且对两个单元馈电时带来问题。结果，共线单元几乎总是以它们的两端挨得非常近的方式工作。在导线天线中，通常在两者之间只有一个张力绝缘子。

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图2 作为相邻端点间距的函数的两个共线λ／2单元的增益

在相邻单元的末端间距很小条件下，假定使用12号铜导线，共线阵列相对于自由空间偶极天线的功率增益的理论值近似如下：

2个共线单元﹣--1.6 dB

3个共线单元﹣-3.1 dB

4个共线单元﹣-3.9dB

超过4个单元很少使用。

方向性

共线阵列的方向性，在包含阵列轴的平面内，随长度增加。当使用多于两个单元时，方向图上出现小的副瓣，但是这些副瓣的幅度足够低以至于它们常常是不重要的。在与阵列成直角的平面上，无论单元数是多少，方向图是个圆。因此，共线操作只影响 E 平面的方向性，即包含天线的平面。

当一个共线阵列的单元垂直放置的时候，天线在所有几何方向上辐射相等。这样堆叠的共线单元阵列倾向于把辐射约束在低仰角内。

如果共线单元呈水平放置，在与阵列成直角的垂直平面上的方向图与个位于同一高度的简单λ/2天线的垂直方向图相同。

2单元阵列

最简单且最流行的共线阵列使用两个单元，如图3所示。该系统通常被认作为同相双半波振子。包含导线轴的平面上的方向图如图4所示，图上叠加了偶极天线和2、3、4单元共线阵的方向图。根据导体尺寸，高度及类似的因素，线天线的馈电点阻抗可以预计在4~6 k Ω范围内。

如果天线是由具有低 λ/dia 比（波长对直径的比值）的管子做成，低电阻值1000Ω是典型值。系统可以通过对于普通长度具有可忽略损耗的开路调谐线馈电，或者如果需要可以使用匹配段。

如果使用了在某种程度上短于λ/2的单元，那么可以采用以略微降低增益为代价的额外的匹配策略。当单元缩短的时候，会发生两件事﹣﹣馈电点阻抗降低且阻抗具有可以用简单的串联电容调谐的感性电抗，如图3( B ）所示。

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图3 ( A ）为2单元共线阵列（同相双半波振子）。所示的传输线将作为调谐线工作。匹配段可以被替代，且如果需要的话，可以使用非谐振线，如（ B ）所示，匹配部分是两个串联电容。

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​图4 对于自由空间偶极天线，2,3和4单元共线阵列的 E 平面方向图。实线对应4单元共线阵，虚线对应3单元共线阵，点线对应2单元共线阵，点虚线对应2偶极天线。

注意这些电容必须与功率电平相适应。像那些在功率放大器中经常使用的小的门把手电容是合适的。举个例子来说，如果一个40m²单元阵列的每一边都从67英寸缩短到58英寸，馈电阻抗从几乎是6000Ω降到大约1012Ω并具有1800Ω感性电抗。可以通过在馈电点处插入25 pF 电容使电抗抵消掉。1012Ω电阻可以通过由450Ω延迟线组成的λ／4匹配段转换为200Ω，然后再用

4:1巴伦转换为50Ω。按照建议缩短阵列降低增益0.5 dB 。

另一种维持增益的策略是使用450Ω的λ／4匹配段，并稍微缩短天线使它具有4000Ω电阻。那么在匹配部分的输入端的阻抗接近50Ω，并可以使用一个简单的1:1巴伦。很多其他的方法是可能的。对于一个2单元共线阵列，自由空间 E 平面的响应如图4所示，将其和下面描述的更为精细的共线阵的响应作比较。

3单元和4单元阵

在一根长导线上，电流流动的方向每隔λ/2长度反转。结果，共线单元不能简单地端对端连接；要使所有单元中的电流沿同一方向流动，必须采取一些措施。当使用两个以上共线单元的时候，为了使所有单元上的电流同相，有必要连接相邻单元间的定相短截线。在图5（A）中，在两个左手单元上的电流方向是正确的，因为短路的λ/4传输线（短截线）连接在它们之间。

这个短截线可能被简单地看作一根折叠回自身来消掉辐射的长导线天线可替代的λ/2部分。图5A中传输线的右侧部分具有总长度三个半波长，中心半波被折叠回来形成一个λ/4相位反转短截线。在这种安排中，关于馈电点阻抗没有数据可得到，但是各种考虑表明它应该超过1000Ω。

对3个共线单元馈电的另一种可选择的方法如图5B所示。在这种情况下，功率在中间单元的中心处施加，并且在该单元和两个外侧单元之间采用相位反转短截线。该情况下在馈电点处的阻抗超过300Ω，并且提供对300Ω线的近似匹配。

当采用600Ω线的时候， SWR 小于2:1，这种类型的中心馈电在某种程度上比图5A的装置更有优势，因为系统总体上是平衡的。这保证单元间更均匀的功率分配。在图5A中，右侧的单元有可能在某种程度上比其他两个单元接收到更少的功率，因为一部分输入功率在它到达位于很偏右边的单元之前，被中间单元辐射掉了。

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图5 3单元、4单元共线阵的布局图。对3单元阵馈电的替代方法如（ A ）和（ B ）所示。这些图也显示了天线单元和调相短截线的电流分布。通过使用适当的匹配部分，一根匹配传输线可以替代调谐线。

一个4单元阵列如图5( C ）所示。如图显示，当在中心单元之间馈电时，系统是对称的。在3单元情况下，无法得到关于馈电点阻抗的数据。然而，具有600Ω线的 SWR 会大大超过2:1。

图4比较了2,3,4单元阵列的方向图。共线阵列可以扩展到大于4个单元的情况。然而，简单的2单元共线阵是使用最频繁的类型，因为它适合多频带工作。使用的两个共线单元很少超过两个，因为从其他类型的阵列可以得到更多增益。

调试

在任何所述的共线系统中，以英尺为单位的辐射单元的长度可以从公式468/fMHz中找到。如果短接线是裸线（阻抗为500~600Ω)，你可以在对于λ/4线的公式中假定速度因子为0.975。通常，没必要在线调试。然而，如果需要，当系统具有两个以上单元时，可以采用下面的步骤。

断开所有短截线和所有除了与传输线直接相连的单元（在图5B所示的馈电情况，只剩下连接到线的中心单元）。使用还连着的单元。当合适的长度确定下来之后，把所有其他的单元切到相同的长度。使定相短截线稍长，并使用短路棒来调整它们的长度。把单元连接到短截线，调整短截线谐振，就像短路棒上最大电流表明的那样或者由传输线上的 SWR 表明。如果使用3个或4个以上单元，最后一次添加2个单元（阵列的一端一个）,每次添加一对新单元之前，调整系统谐振。

扩展的双 Zepp

在简单的双共线单元系统中，伴随更宽的间距获得更高增益的一种方法是使单元稍微长于λ/2。如图6所示，这增加了两个在导线末端的同相λ/2部分之间的间隔。中心部分携带反向电流，但是如果这部分较短，电流就较小；它只代表λ/2天线部分的外端。因为电流小，长度短，所以从中心的辐射小。每个单元的最优长度为0.64λ。长度更长的时候，系统趋向于表现得像长导线天线一样，并且增益降低。

这个系统被称作扩展的双 Zepp 。相对λ/2偶极天线的增益近似为3 dB ，作为比较，对于双共线λ/2偶极天线为1.6 dB 。在包含天线轴的平面上的方向图如图8-46所示。对于所有其他共线阵的情况，位于天线右侧角的平面上的自由空间方向图和2/2天线的一样﹣﹣圆。

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图6 拓展的双 Zepp 。该系统给出了比两个波长大小的共线单元稍微更多的增益。

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图7 对于图6的拓展双 Zepp 的 E 平面方向图。这也是当单元水平时的水平方向图。单元的轴沿90°~270°线。阵列的自由空间增益近似为4.95 dBi 。

​该天线在工作频率不谐振，以至于馈电点阻抗较复杂 R ± jX 。对于一个40 m 双扩展 Zepp ，馈电点阻抗在频带上的变化的一个典型例子如图8所示。该天线通常用裸线传输线馈到一个天线调谐器。当然可能有其他的匹配装置。下面就是一种把馈电点阻抗变换到450Ω，并消除副瓣的方法。

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图8 一根自由空间的40 m 扩展双 Zepp 天线的馈电点阻性和容性阻抗。

一种改进的扩展型双 ZEPP 天线

如果用于支撑天线的空间允许大于λ/2，那么可以用单导线的共线阵列这种简单的形式就能获得相当明显的增益。这种扩展双 Zepp ( DEZepp ）天线已经在业余爱好者中使用很长时间。

提升一个标准的扩展双 Zepp 天线性能的关键，是改善电流的分布，其中一个最简单的办法是在导线中接入一个电抗，可以是电感或者电容。串联电容器通常可以有较高的 Q 值和较小的损耗。在尽可能少用器件的条件下，其中任何一种都是值得选择使用的。

在7MHz频率上开始调试时，可以只使用两个电容器，天线的两边各一个。电容的取值和位置可以变化，以观察发生的现象。很快就可以清楚，在馈点的电抗通过调整电容器的值可以消除掉，使天线在整个波段如同只有电阻一样。通过改变电容器的位置和电容值，使天线发生谐振，天线馈点的电阻值也跟着从小于150Ω到超过1500Ω产生变化。

有几种有趣的组合可以设计出来，最终这里选择的是如图9所示的天线，它长度170英寸，两个9.1 pF 的电容器在天线两臂距离中25英尺的位置。天线用450Ω传输线和一个9:1三磁芯的 Guanella 类型巴伦来馈电，转换为发射机所要求的50Ω。传输线的长度可以任意，工作时具有很低的 SWR 。

这个天线所有要讨论的就是这些了。图10的辐射图形中也叠加了一个标准的 DEZepp 天线作为比较，旁瓣减少到20 dB 以下，主瓣在3 dB 点的宽度是43°，而原来的 DEZepp 只有35°。这个天线使得一个偶极天线能获得大于50°的宽度，而主瓣的增益仅仅比原来的 DEZepp 天线下降了0.2 dB 。

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图9 改进型的N6LF扩展双 Zepp 天线原理。整个长度是

170英尺，在天线两边距离中心25英尺的位置各有一个9.1 pF 的电容器。

图10 N6LF扩展双 Zepp 天线的方位辐射图（实线），与经典的扩展双 Zepp 天线（点划线）作了比较。改进后天线的主瓣比经典型的稍微宽一些，旁瓣的压制也更好些。

​实验结果

该天线用＃14号导线和两个各3.5英寸长的 RG -213电缆构成的电容器来制作，见图11A。要注意仔细地处理好电容器的防潮密封。在馈入1.5kW功率时电容器两端的电压大约为2000V，所以任何的电晕发生都有可能损坏电容器。

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图11 用 RG -213同轴电缆构成的串联电容器详细结构。在（ A ）中是N6LF所采用的方案；在（ B ）是一个对密封电容器以提高防潮性能的一种推荐办法，就是加上一段有盖子的 PVC 管。

可以用硅胶来密封，将同轴电缆两端密封好，最后再用塑料胶布包扎紧密。图中所画的焊点是为了防止潮气通过编织网渗透进去，并固定住芯线导体。对于需要长期在室外气候下使用来说这些都是非常重要的细节。还有一个更好的办法是将电容器放到一个两端带盖子的一段 PVC 管里面，见图11( B )。

注意，不是所有的 RG -8类型电缆都具有相同的每英尺电容值，另外末端效应也会稍微增加电容量。如有可能，应该用电容表来修剪调整电容器，不过它并不需要太精确，已经检验过电容值变化±10％后的影响情况，发现天线依然能工作得很好。

得到的这些结果与用计算机建模预测的非常接近。图12就给出了整个波段的 SWR 实测值，这些测量采用鸟牌（ Bird ）的双向功率表，最差的 SWR =1.35，是在波段的边缘。

​图12 N6LF DEZepp 天线在整个40 m 波段的实测 SWR 曲线。

Dick Ives /W71SV架设了一根80 m 波段的这种天线，如图13( A ）所示。串联电容器是17 pF 。由于他对 CW 不感兴趣，所以 Dick 就将最低 SWR 调整到波段的高端，如图中给出的 SWR 曲线那样（见图13B)。该天线还可以调谐到更低一些的频率工作，整个波段 SWR <2:1，如虚线所示。

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图13 75/80 m 波段改进型的扩展双 Zepp 天线，采用 NEC Wires 设计。( A ）是天线的原理图，( B ）是跨过75/80 m 整个波段的 SWR 曲线。实线是W71SV的天线测量曲线，它的 SWR 最．小值通过修剪调整到波段的高端，点划线是将最小 SWR 设在3.8 MHz 频率上所计算出来的响应曲线。

这种天线提供了较宽的工作带宽，以及在整个75/80 m 波段中等的增益，并非有很多的天线可以像它一样，简单的单线结构就能提供如此好的性能。