水平與垂直天線如何選擇天線的種類和選擇

1、水平與垂直天線如何選擇天線的種類和選擇 天線的選擇和設(shè)計是捉 DX 的諸多要件中，最重要也最煞費(fèi)心機(jī)的主要事項。 自有無線電以來，出現(xiàn)過各式各樣的天線，不下數(shù)百種，如馬可尼式、齊伯林式、水平式、垂直式、三角式、四方式等等。有人用旋轉(zhuǎn)定向天線，而呼不到 DX；也有人用屋檐下的雨槽，甚至用舊床的彈簧墊，也能將電波發(fā)射出去。 依目前業(yè)余界流行的天線來看，天線主要可分為“水平式”與“垂直式”二大類。 本文針對其要點(diǎn)，首先依據(jù)各電波放射的特性，再依據(jù)電波在太空及地面反射的情況，將此二類用于短波波段 (即 10 160 公尺波段 )的天線，予以說明。如此分析，才能對癥下藥，以配合各個電臺所需要的條件。 超

2、短波 (VHF/UHF) 波段，主要是件直線傳播，性質(zhì)不同，本文暫不討論。     電波的發(fā)射角度，首先來看看電波的發(fā)射角度。我們知道無線電波能發(fā)射到遠(yuǎn)處，主要是靠 “F”電離層的反射。因此，電波發(fā)射的角度很重要 (平視遠(yuǎn)處地平線的角度為 0°，仰頭垂直向上望的角度為 90°)。根據(jù)多年來科學(xué)家的研究和實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，若以一束 HF 的電波，以 90°的角度向上發(fā)射，“F”層會將此束電波垂直反射回來至原先的發(fā)射地點(diǎn)，結(jié)果是原位不動。電波發(fā)射角度與“F”電離層第一次反射距離的關(guān)系。角度愈小，距離愈遠(yuǎn)。沿地面射出的角度為 0°。若將發(fā)

3、射角度降至 50°經(jīng)過 “F”層第一次反射的電波，可達(dá) 300 650 公里之遙 (此距離是第一次反射的距離，以下均相同 )。再降至 30°，則可達(dá) 600 1200 公里處； 20°時可達(dá) 1000 1500 公里；10°時可達(dá) 1,700 2500 公里。 再將發(fā)射角度降至 3°則第一次反射的距離可達(dá) 2,700 3500 公里。因為地球在赤道的圓周是 40,075.51 公里，所以從地球的某一點(diǎn)至最遠(yuǎn)的一點(diǎn)，即有半個地球之遙 (如從臺中至南美洲的阿根廷)，約為二萬公里。發(fā)射角度如為10°時，電波要跳躍約十次；30°時約

4、二十次；50°時，約四十次才能抵達(dá)目的地。水平天線發(fā)射的電波是“水平波”，垂直天線發(fā)射的是“垂直波”。      在VHF/UHF領(lǐng)域中，接收天線的極性也要和發(fā)射者相同，即水平發(fā)射天線要用水平接收天線；垂直者相同；否則會收聽困難。但是在 HF 領(lǐng)域中 (10 160 公尺波段 )，則不用擔(dān)心極性。電波經(jīng)電離層、山川等多次反射后，其極性已亂成一團(tuán)。所以在接收方面，不論用水平天線、垂直天線，或僅拖一條尾巴，甚至不用天線，也可以收到電訊。水平天線的發(fā)射角度現(xiàn)在談?wù)剺?biāo)準(zhǔn)水平半波天線(偶極天線 )的發(fā)射角度。 A B 是天線架設(shè)離地高度 1/8

5、 波長 (14MHz 為 2.5 公尺高 )，及 1/4 波長 (14MHz 為 5 公尺高 )的情況。電波發(fā)射的角度范圍是 30° 90°。絕大部份的電能向天頂射去，形成浪費(fèi)。只有一小部份電能在 30°處溜出，希望能射向遠(yuǎn)處。天線架設(shè)離地 1/2 波長高的情形 (14MHz 為 10 公尺高 )。角度自 15° 45°主力在 30°，"F" 電離層第一次反射的路程達(dá) 300 1,800 公里，電波散布面積相當(dāng)廣闊。降低水平天線發(fā)射角度的方法欲使水平架設(shè)的單線半波天線、或是定向的八木天線的發(fā)射角度降低，最有效方法是

6、在原先的一根天線上方 (距離 1/4 波長 )，疊置另一根同樣天線 (STACKING)，并輸以相同相位 (IN PHASE) 的電能。這般的裝置可將有用的波瓣發(fā)射角度降至 8° 28°。如想要將角度再降低，可在此二根天線上方，離最高的一根 1/4 波長處，再加裝一根，亦輸以相同相位電能。三根重疊者，角度可降至 5° 15°；再加一根，共四根時，角度可降至 3° 12°。此種設(shè)計在 VHF/HF 天線中甚為普遍；在 HF 領(lǐng)域中雖不多見，但亦有不少有能力的火腿，在院子或牧場中，豎起 40 公尺高的鐵塔，每隔10 公尺掛上一根八木天線。

7、有些設(shè)計是四根天線同時、同方向轉(zhuǎn)動，而鐵塔固定不動。有些則將天線固定在鐵塔上，變換方向時，整座鐵塔連天線一起轉(zhuǎn)動。龐然巨物，聲勢浩大，羨煞僅用單根簡單天線，如筆者般的火腿們。    垂直天線的發(fā)射角度。窮人也有窮福。另一降低發(fā)射角度，簡單經(jīng)濟(jì)而有效的方法是，采用垂直天線，因為垂直天線具有低發(fā)射角度的天性。四種不同長度的垂直天線發(fā)射角度。1/4 波長天線發(fā)射角度，自 10° 55°。3/8 波長，角度是8° 40°。1/2 波長，角度更降至 3° 27°，雖在主瓣的上方出現(xiàn)一小波瓣，但無傷元?dú)狻＝档痛怪碧炀€

8、發(fā)射角度的方法。在 1/4 波長天線上方多加一節(jié) 1/2 波長，可將電波射角降至 3° 20°，并可獲得 3.2dB 的增益。二根 1/2 波長天線，射角再降至 3° 15°，有4.3dB 增益?；⌒翁摼€是電流分布狀況，箭頭表示電流方向。上下二根天線的電流，經(jīng)相位變換后，成同一方向，相互加強(qiáng)，乃有增益。       重疊式垂直天線，前文說過，既然將水平架設(shè)的天線重疊起來，可以降低它的發(fā)射角度，同理，將垂直天線重疊，也可降低它的發(fā)射角度，但由于構(gòu)造不同，重疊的方式也就不一樣。 垂直天線重疊的方式，是在原來的

9、天線近天的一端，如接一條半個波長的導(dǎo)體 (線或管)，并在二者之間，加裝一只”相位變換尾巴“(PHASE REVERSING STUB)，以求此二節(jié)的天線所發(fā)出的電波相位相同。 在相位相同時，兩者的電能相加；相位相反時，互相抵消。這樣結(jié)構(gòu)的天線，稱之為”同線重疊式天線”(COLLINEAR 或 COLLINEAR STACKING)?？蓪l(fā)射角度降低至 3° 20°并有 3.2dB 的增益 (GAIN)。這條天線總長度雖然是 1- 1/4 波長之長，但不能稱為“1- 1/4 波長天線”，因為其構(gòu)造與作用和簡單一條線截至 1-1/4 波長不同，為避免誤解，不妨嚕嗦些，稱之為“1

10、/4 波長的垂直天線重疊上一段半波部份”。 在學(xué)理上講，要獲得 3.2dB 的增益，重疊式天線要有三個半波的天線相連才行?，F(xiàn)在只有 1-1/4 波長的長度，而能有同樣的增益，是因為垂直天線利用地面的反射，所以可將長度減半。更進(jìn)一步說明，假如將天線豎立在一面鏡子上，看起來天線的長度便增加一倍。在電波上來講，地球便相當(dāng)于一面鏡子。 同線重疊式的天線，可重疊再重疊。如在上述 1-1/4 波長的天線上方，再加接一根同相位的半波天線，其發(fā)射角度可再降至 3° 15°，增益可有 4.3dB。話說回來，雖然重疊式的垂直天線很容易獲得低發(fā)射角度，但在實(shí)際架設(shè)上，要豎立一根數(shù)十公尺高的金屬管

11、子和線，以用于 HF 被段，可不如想像中容易。再者，重疊天線每一段和相位變換的尾巴，都要諧振，調(diào)整起來，要花數(shù)倍功夫和耐心。如要用于多波段，更要特別設(shè)計。       綜合起來，水平和垂直天線，各有千秋。比較起來，可列出以下的優(yōu)缺點(diǎn)：垂直天線容易獲得較低的發(fā)射角度，一根安裝在地面上 1/4 波長的垂直天線，其主波的發(fā)射角度已是 30° (波瓣自 10 ° 55° )。水平的單根半波天線要架設(shè)到離地面半個波長高 (14MHz為10 公尺 )，才能達(dá)到相同的角度。垂直天線制造容易，安裝簡單即使要豎立20 公尺高的垂直天

12、線，也不需要拉索 (GUY WIRE) 固定，而自立式的 (SELF-SUPPORTING) 金屬管，也不是難事。垂直天線占地面積不廣雖然要用多條地線 (RADIALS)，像樹根一樣向四方散開，但這些地線不需要拉直，可以沿地形、屋頂、墻壁，彎曲上下，也不一定要向四方平均散開，即使所有的地線都傾向一個方向，也不太影響效率。最近市上發(fā)展出多種半波垂直天線 (VERTICAL DIPOLE)，無需用樹根式的地線網(wǎng)，不論在效率及架設(shè)方面，都更為優(yōu)良和方便。垂直天線沒有方向性垂直天線另一優(yōu)點(diǎn)是沒有方向性，一聲CQ，可八面四方 360°發(fā)射出去；同理，躲在天涯地角的DX在呼叫時，也不會因為自己的

13、天線，朝向反方向而失之交臂。因此，很多電臺在安裝強(qiáng)大的定向天線之外，亦多加裝一條垂直天線，作為“監(jiān)聽”之用，以防稀有的DX漏網(wǎng)。垂直天線也可構(gòu)成定向天線：變換電波相位來變更發(fā)射方向的垂直天線。垂直天線也可以采用二根，放置在相隔1/4 波長之處，以構(gòu)成定向天線，再用開關(guān)，將電波向前或向后切換方向，這種天線稱為變相位的垂直天線 (PHASED VERTICALS)。其電波發(fā)出的面積，可達(dá)120°之廣。并且有3dB 的增益，加上低發(fā)射角度的優(yōu)勢，捉起DX來，可直追三元件的八木天線。假如使用三根垂直天線，各相距 1/4 波長距離，用選擇開關(guān)來控制其發(fā)射方向，每一方向 120°，三個

14、方向便是360°，也就是廣及全球各地。這種用電來轉(zhuǎn)換方向的方式，優(yōu)點(diǎn)是迅速，舉手之勞去轉(zhuǎn)開關(guān)而已，沒有機(jī)械磨損，可靠性高。用過旋轉(zhuǎn)器的同好，一定曾經(jīng)體會到將天線轉(zhuǎn)一圈時，雖然只有一分鐘之久，可是在捉 DX 時，卻猶比一年還長，就怕這守候多年的DX 機(jī)會不再。筆者曾用過四根的PHASED VERTICALS，相當(dāng)滿意。垂直天線發(fā)射的是垂直波，對電視的影響不太大，因為電視是水平波。有說垂直天線會影響廣播收音，這并不是由于垂直波的關(guān)系，而是垂直天線發(fā)出的電波角度低，且強(qiáng)而有力所致。垂直天線較易受雜音影響垂直天線在收聽方面，似對下雨、下雪、及鄰近電器所造成的噪雜音，易受到影響。垂直天線一定要

15、有良好的地線系統(tǒng)水平及垂直半波天線，不需要良好的地線系統(tǒng)來幫助電波的發(fā)射；1/4 波長的垂直天線則一定要有良好的地線系統(tǒng)。水平天線可加裝輔助元件使電波集中于某一方向，成為高增益的定向天線水平天線可加裝輔助元件如反射元件 (REFLECTOR)，和引導(dǎo)元件 (DIRECTOR)，使電波集中于某一方向，以求增益。此即所謂八木 (YAGI) 天線，以紀(jì)念發(fā)明人八木教授。又因形似魚骨，亦稱之為魚骨天線。八木天線體積重量大，易受天氣影響 一般八木天線由于體積和重量都很大，多限制在14MHz 以上的波段。且易受天氣影響，元件怕大風(fēng)和結(jié)冰而折斷；旋轉(zhuǎn)器因受潮結(jié)冰而不能轉(zhuǎn)動。架置八木天線用的鐵塔和地基 (屋頂

16、)要夠堅固，以備萬一因臺風(fēng)及地震等而倒下時，不致引起慘重的災(zāi)情，及賠償?shù)葐栴}。垂直天線很容易達(dá)到低角度水平天線的發(fā)射角度與生俱來便偏高，難以捉DX。即使將天線高度架到離地一個波長處 (14MHz 的高度是 20 公尺 )，其發(fā)射角度才降至 10° 20°。垂直天線則很容易達(dá)到此角度。如果要水平天線獲得更低的發(fā)射角度，唯一方法是將天線“同相位重疊”。這般的裝置要使用較高和堅固的支柱。個人的經(jīng)驗現(xiàn)在筆者將個人使用的經(jīng)驗寫出來，給火腿諸君參考。      我曾經(jīng)用過不少種類的天線，有水平、垂直、八木、倒 V、及方形的等等。有自制、

17、改裝、也有買現(xiàn)成的?，F(xiàn)單由水平和垂直天線來談：多年來，我的電臺裝裝拆拆，QRT的時候，比 QRV多。每次開臺時，總是匆匆忙忙，急于ON AIR。每次QSO的第一根天線，總是一根水平半波單波段，取其制造容易，校正也容易，隨便找屋角或樹干一掛便成，歪歪斜斜也不打緊，可靠性高，電波一定可以發(fā)射出去，只是效率高低的差別而已。 當(dāng)過了一陣QSO癮之后，心里總覺得這根天線不夠理想，捉起DX 來，總落人后，連做夢都想要一根更優(yōu)越的天線；一根三波段三元件十五米高的八木和鐵塔，或更巨形的天線，是理想的目標(biāo)。鑒于自己的能力，和四周的環(huán)境，及“人和”的因素，實(shí)在沒有此福份，退而求其次，只有采用“地平面式”的垂直天線

18、 (GROUND PLANE VERTICAL，或稱 G.P.)。它的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)射角度低，只要四條地網(wǎng) (RADIALS)，輸電容易，架設(shè)簡單，不必大興土木，而且細(xì)細(xì)的一條，直上云霄，也不刺眼。我的興趣是在多波段工作，心理上總覺得自制的天線沒法做科學(xué)的校正，效果必定會差些，叫不到 DX 時，總是歸罪于天線不好，所以干脆買現(xiàn)成的。廠制品各有各的設(shè)計，同一廠商也經(jīng)常在改進(jìn)。 我經(jīng)試用數(shù)種之后，滿意的一根，也是目前使用多年的白胡桃 (BUTTERNUT) 的 HF6V 型六波段的垂直天線。六波段包括 10、15、20、30、 40、80 公尺。 它的地線系統(tǒng) (RADIAL SYSTEM)，設(shè)計得別有

19、心裁。依理，每波段用 4 根，六波段便是 24 根，一堆亂麻，非常難處理。而白胡桃竟能將之簡化為四根，80 公尺和 30 公尺各有各的 4 根。如果對 80 及 30 公尺波段沒有興趣，則只用四根便可。這項聰明的設(shè)計，我奇怪他們不去申請專利權(quán)。我的屋頂離地四公尺高，天線垂直部份的底部，也就離地約五公尺。這個高度據(jù)學(xué)術(shù)界的實(shí)驗，并為業(yè)余界再證實(shí)，是要使 GP 式天線，充分將電能發(fā)射出去的最低高度，此高度與電波發(fā)射角度無關(guān)。 HF6V 的設(shè)計特點(diǎn)是不用“陷波器” (WAVE TRAP) 來分波段，因為截波器會消耗寶貴的發(fā)射電能。其天線的主干夠長，除 30、40、80 公尺波段外，10、15、20

20、公尺波段的長度，最短不低于 1/4 波長，所以能將電能充分發(fā)射出去。我覺得這條天線最強(qiáng)的波段是15 公尺及 20 公尺，多次和十余個電臺同時搶著回答某一電臺的 CQ 呼叫，對方都很快回答我，所以我知道這只 HF6V 的效率相當(dāng)好。猜測這十余電臺之中，一定有人用八木天線、半波天線、垂直天線等。有時遇到遠(yuǎn)地稀有DX 電臺，戰(zhàn)況更加熾烈，長程大炮型的大電臺如猛虎出山，照理說，怎么也輪不到我這小小步槍手，但事實(shí)上并不如此，我的口徑尺寸雖小，托垂直天線低發(fā)射角度之福，射程不比長程大炮差。有次偶然聽到 VS6JR 在 20 米用 CW 叫 CQ，由于他叫 CQ 的時間稍長些，引起很多臺在備戰(zhàn)，美國東部很少

21、聽到香港，大家都在爭取這一新的國家。開始的數(shù)分鐘內(nèi)，我沒叫到他，這時叫他的電臺越來越多。我知道大勢已去，但仍不放棄，繼續(xù)監(jiān)聽，再過數(shù)分鐘，呼叫的電臺更多更擠，連他也分不清誰叫誰。突然間，這 VS6 電臺音息全無，我立刻意識到，他在找沒有 QRM(干擾)的空隙，所以我立刻跟著也在找。找到一空隙之后，以守株待兔之勢，等他出來。果然不出所料，他一叫便給我捉到，雖然我的訊號只有 RST559，但可確知且安心的是，我的訊號既能經(jīng)這根天線射到香港，當(dāng)然也能射到地球任何一角落。這根 HF6V 為我立下不少汗馬功勞，雖然在今天科技日新月異的時代中，已顯得落伍，但仍老當(dāng)益壯，舍不得棄舊換新。 至于垂直天線和單根的半波天線，與八木、方形等定向而有增益的天線相比又如何？這得說實(shí)話，事實(shí)上，無增益的單根天線，是無法和有增益的天線相比的。但話又說回來，單根天線并不是毫無用處，通訊天候良好時，并