本帖最后由 BG0APD 于 2018-11-21 14:28 编辑
3、支撑杆为绝缘体的情况 当支撑杆为绝缘体时会怎样呢?这时由于支撑杆不是金属体,杆尖电势不再是零。MiniWhip的放大电路测量的是小金属板与“放大电路自己的地”之间的电势差。如果放大电路自己的地通过同轴电缆的屏蔽层可靠连接到了大地,那么,放大电路仍然测量的是小金属板与大地的电势差,与前述支撑杆为接地金属的情况一致。如果,同轴电缆的屏蔽层并没有可靠连接到真实大地,或者只是连接到“杂乱的地”(例如强电地线),那么这类地线上的噪音也会被MiniWhip的放大电路放大后送进接收机。可见,接地是极其重要的。 如果用光纤代替同轴电缆来传输MiniWhip放大后的信号,由于光纤杜绝了所有的电气噪音,会不会使得传送到接收机的信号十分理想呢?其实不然。因为没有了导体连接放大电路的“地”,小金属板上的电势与放大电路上所有地方的电势是一样的,没有了电势差,没有信号可放大,整个MiniWhip天线失去了意义。PA0RDT大神最近按照这个想法做过试验(译注:即用光纤传输信号),确实,什么信号也收不到。 4、无线电波的极化方式 PA0RDT做了另一个有趣的研究,不把MiniWhip天线垂直安置,而是伸出窗外,水平放置,同样用同轴电缆引进室内的接收机。他发现接收效果跟垂直放置的时候一样。乍看起来,这个天线似乎并不在乎极化方式,它横竖怎么摆放都可以。 但认为它不在乎极化方式却是错误的。不管支撑杆是否金属,放大器放大的源信号都是小金属板相对于“大地”的电势,只不过是相对于金属支撑杆这个直接的“地”,还是透过同轴电缆屏蔽层绕个大弯过来的“地”之间的区别而已,对于放大器来讲,两种情况效果是一样的;但这“绕个大弯的地线”,长度要比接受信号的波长短很多才好。(译注:亦即,如果同轴电缆过长,其长度与波长接近时,接收效果会变差。换言之,同轴电缆过长时,天线在低波段接收效果几乎不变,而高波段效果变差。) 5、振子用小金属板好还是用鞭状导线好 很多有源天线用的是一米长左右的鞭状导线做接收振子,而MiniWhip却是用一块小金属板,这是MiniWhip天线区别于其他天线的核心技术。假如我们用鞭状导线做振子,那么振子同样也是测量它所在空间位置的电场电势,只要振子长度没有长到跟波长差不多,对接收并没有多大改善。 接收振子的形状大小对另一项参数却有重要影响,即振子的分布电容。鞭状振子每米长度大概有10 pF电容,其粗细也会轻微影响电容大小。小金属板每厘米直径大概有0.35 pF电容,其电容大小与直径成比例,而不是面积。我还找不到一个合适的方程式来拟合矩形小金属板的电容大小,但可以估计出一个典型的MiniWhip小金属板的电容大约为2 pF。振子电容的大小十分重要,因为放大器输入端与振子形成电容分压,如果振子电容太小,会使得输入放大器的信号电压也变小(译注:放大器输入端电容应该是指晶体管输入端结电容)。 6、方向性 在讨论天线的方向性之前,先科普一下典型天线的电磁场是什么样的。如上图,一个垂直极化的天线发射的无线电波(译注:图上是个竖直放置的标准DP天线),在距离天线很远的地方(即远场),电场线是垂直方向(红色线),磁场线为水平方向环绕天线(蓝色线)。
上图也画出了坡印廷矢量(绿色线),坡印廷矢量指明了电波的传播方向,它可以由左手定则判定。 如何使得一个接收天线在某个方向比其他方向更灵敏?理论上讲,假如天线刚好与坡印廷矢量一致,那么天线就能达到最佳灵敏度。但不幸的是,天线实际上对坡印廷矢量并不感冒,而是对电场线及磁场线有反应。 一个天线要对方向敏感,最好的方法是在不同的位置感应到无线电波,比较出电波相位的不同,例如八木天线就是这样工作的:电波先抵达引向振子,然后才到达馈电振子。(译注:八木天线一般还有反射振子,引向振子和反射振子分别感应电波的不同相位,使得馈电振子接收的信号翻倍。)但是,对于小尺寸的天线却不一定了。当天线的尺寸比电波的波长小很多时,一个波长内的电波几乎同时到达天线的任何部位,天线并不能感应出电波相位的差别。 7、小尺寸天线的方向性 对于小尺寸天线而言,想要考量其方向性,唯一的可能就是跟着电场线或磁场线的方向走。但再次非常不幸,电磁场线传播到天线的时候,其方向已经乱套了。(译注:长中短波信号要么地波长距离衍射,要么电离层多次反射,其极化方向会变得不可预测。) 相反地,磁场方向就有用的多了。假如发射信号在我们的西边,那么磁场线就是南北走向的。再假如发射信号在我们的北边,那么磁场线就是东西走向的,而当发射信号在我们的南边,磁场线也是东西走向的,只是方向相差了180度。也就是说,对于垂直极化的磁场信号,我们可以通过接收到的信号来判断它来自哪个方向,尽管有180度的不确定性。就如收音机里的中波磁棒天线一样,它是有方向敏感性的,但转动180度后,接收效果是一样的。 80米波段的测向机也用了一根磁棒来确定测向信号的磁场方向,为了解决存在的180度不确定性,测向接收机通常加了根鞭状天线来感应电场方向。如前所述,电场线并不能告诉我们信号的方向,但它能在依靠磁棒天线确定大体方向之后帮助我们解决那180度不确定方向的问题:判断电场方向与磁场线是否同相位即可。DF6NM设计的一种测向机有两根互相垂直的磁棒,外加一根测电场的鞭状天线,可以直接在图形上指示出信号方向。 以上所有的结论均假设无线电波是垂直极化信号,当无线电波是水平极化时,所有的结论均相反:磁场线是垂直的,不能用于判断信号方向;电场线是水平的,可以判断信号方向,但有180度不确定性。 8、MiniWhip的方向性 上面谈论了小尺寸天线的方向性,那么对于MiniWhip天线而言,结论会怎么样呢?我们已经知道MiniWhip天线只接收垂直极化的电场信号,而且它的尺寸比波长小很多,唯一的结论就是:它也是没有方向敏感性。 然而,MiniWhip对来自头顶方向的信号却毫无反应。因为这个方向的无线电波的电场线和磁场线都是水平方向的(译注:参看图3,相当于坡印廷矢量向下),并不能在天线位置产生出电势差。从我设置在荷兰特温特大学的WebSDR接收机可以看出,经常有荷兰的Ham友抱怨这个WebSDR接收荷兰境内的80米波段信号很差劲,其实原因就在于这个距离左右的80米波段信号经过反射到达WebSDR天线的时候几乎是垂直方向了。 许多朋友建议,为了接收头顶方向的信号,在小金属板一端再接个水平方向的金属板(译注:即做成L形状的金属板)。但这并没卵用,MiniWhip仍然只是测量它所在位置与大地之间的电势差。而对于来自头顶方向的电波信号,能产生的电势差为零。
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