天线基础理论
天线的工作原理
天线本质上是一个能量转换器：它将传输线中的导行电磁波转换为自由空间中的辐射电磁波（发射），或者将空间中的电磁波转换为传输线中的导行波（接收）。
辐射是如何产生的
根据麦克斯韦方程组，时变电流会产生电磁辐射。当交变电流在导体中流动时，导体周围会产生交变的电场和磁场，这些场在空间中以电磁波的形式向外传播。
一根直导线中流过交变电流时，如果导线长度远小于波长，辐射效率极低——大部分能量以热的形式损耗。但当导线长度接近波长的特定比例时（如 1/2 波长），导线上的电流形成驻波分布，辐射效率大大提高，这就是天线谐振的基本原理。
互易原理
天线的一个重要特性是互易性（Reciprocity）：天线作为发射天线时的辐射特性（方向图、增益、阻抗等）与作为接收天线时的特性完全相同。因此，我们分析天线性能时，通常只需要从发射角度来讨论。
辐射模式（方向图）
天线的辐射模式（Radiation Pattern）描述了天线在各个方向上辐射（或接收）电磁能量的相对强度分布，通常用方向图来表示。
常见的辐射模式
- 全向性（Omnidirectional）：在水平面上各个方向辐射强度相同，垂直面上有特定的仰角图案。典型例子：垂直天线、接地平面天线。
- 双向性（Bidirectional）：在两个相反方向上有最大辐射，典型例子：偶极天线。
- 单向性（Unidirectional）：在一个方向上有最大辐射，典型例子：八木天线、抛物面天线。
方向图的关键要素
- 主瓣（Main Lobe）：最大辐射方向所在的瓣
- 副瓣（Side Lobe）：主瓣之外的其他辐射瓣
- 后瓣（Back Lobe）：与主瓣相反方向的辐射瓣
- 半功率波束宽度（HPBW）：主瓣中辐射强度下降 3dB 的角度范围
- 前后比（F/B Ratio）：主瓣与后瓣的功率比，单位为 dB
增益
增益（Gain）是衡量天线在最大辐射方向上集中能量能力的参数。它并不意味着天线"放大"了信号——天线是无源器件，不会增加总辐射功率。增益的本质是通过将某些方向上的辐射能量"压缩"到其他方向来实现的。
增益的单位
- dBi：相对于理想各向同性天线（Isotropic Antenna）的增益。各向同性天线在所有方向上辐射强度相同，增益为 0 dBi。
- dBd：相对于半波偶极天线的增益。半波偶极天线的增益为 2.15 dBi，因此：
$$G_{dBi} = G_{dBd} + 2.15$$
常见天线的增益参考
| 天线类型 | 典型增益 (dBi) |
|---|---|
| 半波偶极天线 | 2.15 |
| 1/4 波长垂直天线 | 2 ~ 3 |
| 3 单元八木天线 | 7 ~ 8 |
| 5 单元八木天线 | 10 ~ 11 |
| 10 单元八木天线 | 13 ~ 14 |
方向性
方向性（Directivity）与增益密切相关，但两者有所不同：
- 方向性只考虑辐射图案的形状，是一个纯几何概念
- 增益还考虑了天线的效率（包括导体损耗、介质损耗等）
$$G = \eta \times D$$
其中 $\eta$ 为天线效率（0 到 1 之间），$D$ 为方向性系数。对于导线天线，效率通常很高（>95%），所以增益和方向性数值非常接近。
极化
极化（Polarization）描述了电磁波电场矢量在空间中的振动方向。
极化类型
- 垂直极化：电场矢量垂直于地面。垂直天线产生垂直极化波。
- 水平极化：电场矢量平行于地面。水平架设的偶极天线产生水平极化波。
- 圆极化：电场矢量随时间旋转，轨迹为圆形。常用于卫星通信。
极化匹配
收发天线的极化应尽量一致：
- 极化完全匹配：无极化损失
- 极化正交（如一方垂直极化，另一方水平极化）：理论上损失无穷大（实际中由于反射、散射等因素，通常损失 20 ~ 30 dB）
- 线极化对圆极化：损失约 3 dB
在 VHF/UHF FM 通信中，通常使用垂直极化（因为车载和手持电台的天线是垂直的）。在 HF SSB/CW 通信中，通常使用水平极化（因为水平偶极天线更易架设，且电离层反射会改变极化方向）。
阻抗与阻抗匹配
天线阻抗
天线的输入阻抗是馈电点处电压与电流的比值，通常是一个复数：
$$Z_{ant} = R + jX$$
- R（电阻部分）：包括辐射电阻（有用的，代表辐射出去的能量）和损耗电阻（无用的，以热量形式损耗）
- X（电抗部分）：当天线不在谐振频率上时，会呈现容性（负值）或感性（正值）电抗
常见天线的馈电点阻抗
| 天线类型 | 谐振时馈电点阻抗 |
|---|---|
| 半波偶极天线（中心馈电） | 约 73 Ω |
| 折合偶极天线 | 约 300 Ω |
| 1/4 波长垂直天线（理想接地） | 约 36 Ω |
| 1/4 波长垂直天线（径向线接地） | 约 50 Ω |
为什么要匹配
大多数业余无线电设备和同轴电缆的特征阻抗为 50 Ω。当天线阻抗与馈线阻抗不匹配时：
- 一部分能量在连接处被反射回来，无法有效辐射
- 馈线上产生驻波，增加损耗
- 发射机可能因负载不匹配而降功率保护甚至损坏
匹配方法
- 调整天线尺寸：使天线在工作频率上谐振，呈现接近 50 Ω 的纯电阻阻抗
- 巴伦（Balun）：在不平衡馈线（同轴电缆）和平衡天线（偶极天线）之间进行转换，同时可提供阻抗变换（如 1:1、4:1、9:1）
- 天线调谐器（ATU）：使用 LC 匹配网络在发射机与馈线之间进行阻抗变换
- 伽马匹配（Gamma Match）：常用于八木天线的馈电
- 四分之一波长阻抗变换器：利用 1/4 波长传输线的阻抗变换特性
驻波比（SWR）
驻波比（Standing Wave Ratio, SWR）是衡量阻抗匹配程度的最直观指标。
SWR 的定义
$$SWR = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|}$$
其中 $\Gamma$ 为反射系数。
- SWR = 1:1：完美匹配，无反射
- SWR = 1.5:1：约 4% 的功率被反射，可以接受
- SWR = 2:1：约 11% 的功率被反射，一般认为是可接受的上限
- SWR = 3:1：约 25% 的功率被反射，需要改善
- SWR > 5:1：匹配很差，大多数发射机会自动降功率保护
SWR 的测量
使用 SWR 表（驻波表）或 天线分析仪 来测量。现代天线分析仪（如 NanoVNA）价格低廉，功能强大，是天线制作和调试的必备工具。
关于 SWR 的常见误解
- SWR 高不一定意味着天线性能差——可能只是阻抗不匹配，用调谐器即可解决
- SWR 低不一定意味着天线性能好——一根接了匹配负载的假负载 SWR 完美，但不会辐射任何信号
- 在 HF 频段，馈线损耗较低，SWR 2:1 以下都是完全可以接受的
馈电方式
同轴电缆馈电
最常见的馈电方式。同轴电缆是不平衡传输线，特征阻抗通常为 50 Ω（RG-58、RG-213、LMR-400 等）或 75 Ω（RG-59、RG-11 等）。
常用同轴电缆对比：
| 型号 | 阻抗 | 外径 | 损耗 (dB/100m @ 144MHz) | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| RG-58 | 50 Ω | 5mm | 约 16 | HF 短距离，临时使用 |
| RG-213 | 50 Ω | 10mm | 约 8 | HF/VHF 一般使用 |
| LMR-400 | 50 Ω | 10mm | 约 4 | VHF/UHF 长距离推荐 |
| RG-59 | 75 Ω | 6mm | 约 12 | 阻抗匹配特殊用途 |
选择原则：频率越高、馈线越长，越需要使用低损耗的电缆。在 HF 频段短距离使用 RG-58 即可；在 VHF/UHF 频段或馈线较长时，应使用 LMR-400 或更低损耗的电缆。
平衡馈线馈电
梯形线（Ladder Line）或开放式馈线，阻抗通常为 300 Ω 或 450 Ω。损耗极低，适合在高 SWR 条件下使用。缺点是需要远离金属物体，安装不如同轴电缆方便。常与天线调谐器配合使用。
巴伦的使用
当用同轴电缆（不平衡线）馈电给偶极天线（平衡天线）时，应使用 1:1 巴伦 来抑制馈线外皮上的共模电流。否则：
- 馈线外皮成为天线的一部分，改变辐射方向图
- 可能在操作台附近引入射频干扰（RFI）
- 影响 SWR 测量的准确性
简易的 1:1 扼流巴伦可以用同轴电缆在一个直径约 15cm 的圆柱体上绕 10 圈左右来制作，成本几乎为零，效果却相当不错。
小结
理解以上基础理论后，你就可以开始动手制作天线了。不需要把每个概念都理解得非常透彻——在实际制作和调试的过程中，这些理论会变得越来越直观。接下来的章节将从最简单的偶极天线开始，带你一步步进入天线制作的世界。
贡献者
IUU6