业余无线电HAM火腿天线教程

uguec · 发表于 2012-11-24 18:16

   早到马科尼最早的实验装置，晚到最新的无线电技术；大到以喀斯特洼地为反射器支架的直径数以百米计的巨型射电天文望远镜，小到区区数十毫米大小的移动电话和手持gps天线；无论通信、广播、定位、遥控遥测遥讯……没有一种无线电应用能够离开天线。对于每一位业余无线电爱好者来说，自然天线是自己最重要的家当之一，因而关于天线的常识也就为每一名业余无线电爱好者所应该掌握。本文仅试图在深入浅出的感性层面上介绍有关天线的基本常识，希望在读完本文后再阅读其他关于业余无线电天线的技术资料时，能更容易理解其中的奥妙。
   电磁场和天线
   物理实验发现，带电物体周围存在着能使自由电荷发生运动的电场。如果我们向一对电极施加电压，那么周围平行于电极相对方向的导线中的电子会受到电场力的作用而发生移动，使导线两端显现一定的电压差。这种现象叫做静电感应。无论静电场还是交变电场，都存在静电感应现象。
物理实验还发现，导线处于变化的磁场中时，两端也会感应出电压。这种现象叫做磁电感应。如果一根导线中流过交流电流，那么它在周围所激起的交变磁场也会在其他平行导线中感应出交变电压。
   上述静电感应和电磁感应可以使一个电路中的电信号穿过空间传送到另一个电路中，这种感应往往给电子电路造成讨厌的干扰，成为无线电电子工程师们经常要考虑的因素。但是，一般情况下静电感应和电磁感应的作用距离很近，不能实用于远距离通信。
   1864年英国科学家麦克斯韦发表了名为“电与磁”的论文。他用数学方法推导了交变电场和磁场在空间的分布，他推导出的这组等式被叫做“麦克斯韦方程”。

   这个方程组显示，当距离远小于波长时，忽略次要项后方程组可简化为下列形式。这部分电场和磁场分量随着距离的增加而很快衰减，而且电场和磁场的相位不完全一致，不能将能量传送到远方，称为“近场”或“感应场”，对远距离通信没有实际作用。

   而当距离远大于波长时，忽略次要项后方程组可简化为下列形式。可以看出这一对电磁场分量的强度幅度值永远符合一定的比例，它们的方向互相垂直，而时间相位一致，可以把能量携带到很远的地方，称为“远场”或“辐射场”（图1）。

   麦克斯韦方程组预言了可以被利用于远距离通信的电磁场，在当时引起代科学家们的强烈反响。1886年德国科学家赫芝用实验证实了麦克斯韦预言的电磁场确实存在，而意大利人马科尼和俄罗斯人波波夫先后于1896年实现了利用电磁波进行无线电通信。
   虽然业余无线电爱好者没有必要去具体解算麦克斯韦方程，但是可以从方程组得到一些很有用的感性结论：
   第一，无论采用什么样的发射天线，例如着重建立电极间的射频电压还是着重建立导体中的射频电流，它们可能造成近场中电场或磁场分量显现优势，但是真正能辐射到远处的总是电磁场并存、而且幅度数值成恒比。因此在讨论天线时我们通常只需讨论天线中的电流就可以了，分析起来比较方便。
   第二，离开发射天线近处（通常以波长的10倍划分近场和远场）的电场和磁场强度与传到远处的电磁场的强度并不遵循同样的比例规律，因此在比较不同天线时，不能用测量近处的电场或磁场强度来推算远处的效果差别。
   第三，在自由空间中，电磁波的电场方向和磁场方向总是垂直于传播方向（图1）。