垂直天線
垂直天線是另一類非常常見的天線類型。相比水平架設的偶極天線，垂直天線佔地面積小、全向輻射，而且低角度輻射特性有利於遠距（DX）通信。對於住在公寓或空間有限的火腿來說，垂直天線是一個很好的選擇。
基本原理
1/4 波長垂直天線
最基本的垂直天線是 1/4 波長垂直天線，也稱為「地面平面天線」（Ground Plane Antenna）。它由一根垂直的輻射元件和一組水平（或向下傾斜）的徑向地線組成。
垂直天線可以看作是半波偶極天線的一半，另一半由地面或地線系統「鏡像」提供。
尺寸計算
1/4 波長垂直天線的輻射元件長度：
L（公尺）= 71.25 / f（MHz）
各頻段參考長度：
| 頻段 | 中心頻率 | 輻射元件長度 |
|---|---|---|
| 40m | 7.1 MHz | 10.0 m |
| 20m | 14.15 MHz | 5.0 m |
| 15m | 21.2 MHz | 3.4 m |
| 10m | 28.5 MHz | 2.5 m |
| 2m | 146 MHz | 0.49 m |
| 70cm | 435 MHz | 0.16 m |
電氣特性
- 饋電點阻抗：約 36Ω（含完美地平面），徑向地線向下傾斜 45 度時約 50Ω
- 增益：約 5.15 dBi（含完美地面反射）
- 輻射方向圖：水平面全向（圓形），垂直面低角度輻射
地線系統（Radials）
地線系統是垂直天線性能的關鍵。沒有良好的地線系統，垂直天線的效率會大幅降低。
地線的作用
- 提供射頻電流的回流路徑
- 減少地面損耗
- 穩定天線的阻抗
地線的數量與長度
- 理想情況：120 根 1/4 波長的徑向地線（實際很難達到）
- 良好：32-64 根地線
- 堪用：16 根地線
- 最少：4 根地線（效率會有明顯損失）
經驗法則：增加地線的數量比增加單根地線的長度更有效。32 根各 1/8 波長的地線，可能比 4 根各 1/4 波長的地線效果更好。
升高安裝的地線
如果垂直天線安裝在屋頂或高處，升高的徑向地線只需要 4 根即可獲得不錯的效果。這是因為升高的地線實際上形成了一個類似 Ground Plane 的結構。
商業垂直天線
VHF/UHF 基地台天線
- Diamond X-50：144/430 MHz 雙頻，增益 4.5/7.2 dBi，長度 1.7m，經典款
- Diamond X-300：144/430 MHz 雙頻，增益 6.5/9.0 dBi，長度 3.1m
- Diamond X-510：144/430 MHz 雙頻，增益 8.3/11.7 dBi，長度 5.2m
- Comet GP-3：144/430 MHz 雙頻，類似 X-50 的替代品
HF 垂直天線
- Hustler 系列：模組化設計，可更換不同頻段的線圈
- Diamond CP-6：6 頻段（40/20/15/10/6/2m），免安裝地線
- Comet CHA-250B：寬頻垂直天線，3.5-57 MHz
- Hy-Gain AV-18VS：80-6m 多頻段，需要地線系統
自製垂直天線
VHF/UHF Ground Plane 天線
這是最簡單的自製垂直天線，非常適合新手練習：
材料：
- SO-239 母座 × 1
- 黃銅棒或粗銅線若干
- 同軸電纜
製作方法：
- 計算 1/4 波長長度（例如 146 MHz → 約 49 cm）
- 將一根銅棒焊接在 SO-239 的中心針上，作為垂直輻射元件
- 將 4 根銅棒焊接在 SO-239 的接地端，作為徑向地線
- 地線向下傾斜約 45 度
- 用 NanoVNA 測量並修剪到最佳 SWR
這根天線製作成本不到新台幣 100 元，但效果可以和數百元的商業天線相當。
HF 1/4 波長垂直天線
以 20 公尺頻段（14 MHz）為例：
材料：
- 鋁管或釣竿 × 1（長度約 5 m）
- 電線若干（用於地線）
- 1:1 巴倫或直接饋電
製作方法：
- 將鋁管或纏繞了導線的釣竿垂直架設
- 輻射元件底部接同軸電纜中心導體
- 在底部呈放射狀鋪設至少 16 根地線
- 地線連接到同軸電纜的屏蔽層
- 調整輻射元件長度，使 SWR 最低
垂直天線的優缺點
優點
- 全向輻射：不需要旋轉，360 度都能通信
- 低角度輻射：天生適合 DX 通信
- 佔地面積小：特別是 HF 頻段，比偶極天線佔地少
- 安裝簡單：不需要兩個支撐點
缺點
- 需要地線系統：HF 垂直天線需要良好的地線才能發揮效果
- 容易收到雜訊：垂直極化天線比水平極化天線更容易接收到人為雜訊
- 增益有限：在同等高度下，增益不如八木等定向天線
- 容易受環境影響：附近的金屬物體會影響其輻射方向圖
多頻段垂直天線
陷波式（Trapped Vertical）
類似陷波偶極，在垂直元件上安裝 LC 陷波器，使天線在多個頻段上諧振。
容量帽式（Capacitance Hat）
在垂直元件頂部加裝水平導體（容量帽），可以在不增加天線高度的情況下降低諧振頻率。
線性加載（Linear Loading）
將天線元件折疊，在有限高度內容納更長的電氣長度，實現低頻段操作。
架設建議
- 盡量遠離建築物：至少保持 1/4 波長的距離
- 地線要盡量密集：地線越多，天線效率越高
- 底部接地：除了射頻地線，也建議做好直流接地以防雷擊
- 防水處理：饋電點和所有連接處都要做好防水
- 固定牢固：垂直天線受風力影響大，要確保底座和拉線穩固
實用建議
如果你住在公寓，VHF/UHF 的商業垂直天線（如 Diamond X-50）是最實用的選擇。它體積不大，可以安裝在陽台或窗外，搭配中繼站就能進行遠距通信。
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