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天线堆叠的方法

本文章转自:http://www.qsl.net/bv3fg/


 

Array Antenna 的元件数目与天线增益有一个共通的特性,那就是天线增益的增加量会 随著元件数目增多而减少。通常元件数目在 6 个元件以内,每增加一个元件,天线增 益都能有明显的增加,然后增量渐趋缓慢。例如单一个 Dipole 为 0 dBD,两个元件的 Yagi 略小于 3 dBD,六元件约为 8.8 dBD,12 元件约为 12 dBD,所以 Yagi 天线的 增益到了实际製作的极限后(天线长度增加所产生的结构、架设、旋转半径、风阻等问 题),要在同一支天线上明显的增加增益便显得相当的困难(例如天线长度为 5 λ约 可达到 15 dBD,若要再增加 2 dB 则天线长度大约要增加到 8 λ)。此时增加天线增 益最有效的方法就是再做相同的天线将其堆叠使用,通常 2 支 Yagi 天线堆叠可以比 单一支相同的 Yagi 天线增加 2~3 dB。相同的,随著堆叠数量的增多,增益的增加量 也是渐趋缓慢。就业馀通信而言,将 4 支天线堆叠起来大概算是投资报酬比的极限了 ,如果是为了 EME ( Earth to Moom to Earth ) 通信,大概也很少超过 16 支天线的 堆叠。

天线堆叠时必须考虑的问题:

堆叠方式:不同的堆叠方式及距离会有不同的辐射场形、天线增益。

相位:
除非是要用相位来控制天线的辐射场形,否则一般来说保持天线同相才会有最好 的效果。相位的控制通常与天线间的馈电线长度以及馈电方法有关。

阻抗匹配:
天线之间的互感会影响原先单一支天线时的阻抗(视距离而定),天线并联会使 阻抗变为一半。

结构、架设等问题:当然变得更加複杂,但这不是本文所要讨论的重点。
名词解释

天线长度:
本文中所提到的天线长度是指 Boom Length,就是指承载反射元件、辐射元件、 及导波元件的主杆长度。

波长(λ):
本文所指的波长是指电波在介质中的波长。例如指天线间的距离为 1/2 λ,因 为彼此间的介质为空气,所以 波长=光在真空中的速度/频率 。而在 说明同轴电缆的长度为 1/4 λ时,因为电波在同轴电缆中速度变慢,因此要考 虑速度因子 ( Velocity Factor, VF ),也就是说 电波在同轴电缆中的波 长=(光在真空中的速度 * VF )/频率 。
通常 50Ω同轴电缆的 VF 为 0.66~0.67,但有些同轴电缆会有比较特别的 VF,所以 使用之前还是要查表比较保险。

同频段天线的堆叠

堆叠方式

首先介绍两支相同天线的堆叠方法。图一所示为堆叠以后的正视图,堆叠以后的效果 都是与单一支天线来比较。

Frames of 2 Antenna Stacking
图一 (A) 所示为两支天线水平架设上下堆叠,这可以压低辐射仰角但不会缩小水平 方向的半值角。图一 (C) 为垂直架设左右堆叠,这不会改变辐射仰角但会缩小水平 方向的半值角,使得指向性更加尖锐。

图一 (B) 所示为两支天线水平架设左右堆叠,这不会改变辐射仰角,但会缩小水平 方向的半值角,使得指向性更加尖锐。图一 (D) 为垂直架设上下堆叠,这会使辐射 仰角变小但不会改变水平方向的半值角,不影响指向性。

至于四支天线的堆叠的方式如图二所示,要分析整个的效应比较複杂但可以用两支天 线的堆叠效应来推测,在此不做深入的讨论。

Frames of 4 Antenna Stacking

天线的距离

对图一 (A)、(C) 的堆叠方式来说,两支天线的距离最好在 1/2 λ到 1 λ之间,能 相距 1 λ当然最好,但是实际上相距 5/8 λ也不会太差。但是如果天线很长,两者 的距离最好拉大到天线长度的一半以上以减少彼此的影响。基本上来说,相距越远增 益越大,副波办 ( Side Lobes ) 也比较多,但增益最大不会超过 3 dB;相距越近 则堆叠所产生的增益越小,不过副波瓣会比较少。

对图一 (B)、(D) 的堆叠方式来说,两支天线内侧的距离相距为 5/8 λ可以得到最 大的增益。

相位

获得同相位的最简单的方法是使用相同长度的传输线以及相同的馈入方向。如果因为 架设的因素使得两条传输线不等长才会比较好处理,这时我们就必须使两条馈线的长 度相差 1/2 λ的单数倍(相差为 180 °),然后再把馈入的方式反相,最后就可以 得到两支天线同相的效果。

上一段所讲的只是基本原则,然而实际上由于堆叠天线彼此间互感的原因会使得天线 阻抗、电流及电压的分佈与原来天线有所不同,所以除非是平行传输线,并不是任意 等长或相差1/2 λ单数倍的传输线都可以适用。有关这个部份需要比较深难的分析才 能解释清楚,有兴趣的人可以参考 ARRL Antenna Handbook 中 Multielement Arrays 这一章中的说明。对于使用同轴电缆的人而言,只要记住下面的结果即可:

1、保持天线到并联点之间的传输线长度为 1/2 λ的整数倍,或是

2、保持天线到并联点之间的传输线长度为 1/4 λ的单数倍。
图三以折叠偶极的驱动元件来做例子。(A) 为馈线等长的状况,(B) 为馈线不等长的 处理方式。

Feed Method for In Phase

阻抗匹配

对一支谐振的天线而言,它的电抗为 0 所以可以把它视为纯电阻,因此当天线并联 堆叠的时候,整个阻抗就好像电阻并联一样,例如两个阻抗为 50 Ω的天线并联时, 它的阻抗就会变为 25 Ω,因此就需要匹配电路来和无线电机的输出入端获得匹配。

在堆叠天线时最常用的方式是利用一段 1/4 λ的同轴电缆来形成所谓的 Q Section ( Quarter Wave Transformer ),如图四 (A) 所示。由此可知,当我们并联两支天线的 时候,我们是希望 T 形接头的两侧为 100 Ω(并联以后刚好是 50 Ω),而天线的阻 抗为 50 Ω,经过计算必须使用 75 Ω的同轴电缆来形成 Q Section。如图四 (B) 所 示。

Q Section and Matching Method for 2 Antennas Stacking

在堆叠四支天线的时候,我们可以再用 Q Section 的方法来达成阻抗匹配,有趣的是 这时候 Q Match 所需的同轴电缆为 50 Ω,详见图五。同理,16 支天线堆叠所需的同 轴电缆均为 50 Ω。

Matching Method for 4 Antennas Stacking

不同频段天线的堆叠

通常不同频段的天线都是分别馈电,没有彼此的阻抗匹配以及相位问题,所以只要考 虑堆叠方式对每支天线所造成的影响。见图六,虽然有各种不同的的堆叠方法,但是 基本上因为低频段天线的面积比较大,所以我们是把低频段天线当作是高频段天线的 反射面来考量,两支天线当然是尽量远离最好。相对的,只要合理的安排彼此的距离 ,高频段天线对低频段天线所造成的影响并不会太明显,所以在此并不特别讨论。

图六 (A)、(B),这是两支天线彼此影响最大的堆叠方式,但也是最常用的方式。这 会使高频段天线的仰角提高 (A) 或使主波瓣的方向偏离天线方向 (B)。基本的原则 是使两者的距离大于高频段天线的 1/2 λ或高频段天线总长度的 1/2 以上,以比较 大的数值为原则。两者的距离要避免刚好是高频段天线的 1/4 λ的单数倍,因为这会 使高频段天线主波瓣偏离天线方向的程度加剧,两者的距离最好是高频段天线的 1/2 λ的倍数,因为这可以减少天线主波瓣偏离天线方向的程度。

Different Band ANT Stack

图六 (C)、(D) 虽然低频段天线成为高频段天线的大反射面,但因为两者直交所以影 响并不是很大,而图六 (E)、(F) 的排列方式使得彼此的影响减到最小,所以这四种 排列方式对两者之间的距离要求并不严格,基本上就是在你的能力范围内尽量使两者远离。

 


BV3FG / Robert Suen
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