用陷波器实现偶极天线多频带工作

作者：Bill Schweber

当今的无线设备紧凑小巧且移动性强，在千兆赫频谱下运行，而具有历史意义的长线偶极天线似乎已经过时，但事实并非如此。偶极天线因优点众多，目前仍被军事领域、紧急服务、广播公司和业余无线电爱好者 (hams) 广泛用于长距离、全球点对点链路和广域广播。

这些优点包括灵活、易于设置、辐射模式可调、对其他设备能见度低以及包装/携带尺寸较小。偶极天线主要在低于 30 MHz（10 m 波长）的频率下使用，此范围曾被指定为高频 (HF) 频带（3 至 30 MHz）以及较低频率/较长波长。另一个好处是，在偶极子两臂中添加简单的谐振 LC 电路“陷波器”后，单个偶极天线可以同时在多个频带下工作。

本文将简要概述长线（偶极）天线的原理，提出一些理论与实践的注意事项，并解释陷波器如何用作多频带天线，提高其实用性。（其中有些注意事项适用于其他偶极配置，例如众所周知的折叠偶极，但也存在重要差异。）

为何使用长线偶极天线？

由于当今使用的许多天线都很短（多数情况下约一米或更短）或几乎不可见，如智能手机内部的芯片谐振器或平面倒 F 天线 (PIFA)，因此长线偶极天线可能显得有点过时或者奇怪。然而，Maxwell 方程和波动理论表明，有效的偶极辐射器/接收器的主要尺寸必须是目标波长的一半。这种经典的偶极天线不接地，为发射器功率放大器和接收器前端放大器提供平衡、对称的负载（图 1）。（理想偶极子的标称阻抗为 73 Ω，引用时通常取 75 Ω；差异忽略不计。）如果天线连接到公共 50 Ω 馈线，则馈线和天线之间需要适度的阻抗匹配。

图 1：基础型经典偶极天线有两个四分之一波长臂，在其谐振工作频率下用作 73 Ω 平衡电阻负载。（图片来源：MicrowaveTools）

如果偶极子使用细线，带宽通常约为中心频率的 5%；线加粗将增加最多 20% 的带宽，但会影响其他性能属性。如果通过接地电路连接到发射器或接收器并使用同轴电缆作为馈线，则可能需要平衡不平衡转换器。但只要阻抗适当匹配，多数情况下可直接使用同轴电缆。

长线偶极天线设计简单，吸引力显而易见。只需要两条等长的电线，将其连接到树木、建筑物、路标或任何顺手的地方。天线通常不直接连接到这些支架；相反，通常用电线和绝缘子作附件“支座”（图 2）。

图 2：偶极子通常通过绝缘子（白色）和电线连接到支架，电线长度应使偶极子臂长保持不变，不受支架间距影响。（图片来源：Physics Forums）

在实践中，为了获得最佳性能，实际天线长度可能需要调整，以适应电线粗细有限且与理论有偏差的情况，但调整通常小于 5%。即使不调整，通常性能也相当不错，电压驻波比 (VSWR) 通常低于普遍可接受的 1.5:1。

在存在明显天线阻抗偏移或不匹配的情况下，VSWR 将上升到不可接受的水平，性能会受到影响。这种情况下，可在馈线中使用可调式天线调谐器来补偿和过渡。

偶极子的理论增益约为 2 dBi（即全向天线增益）。偶极子的辐射模式很简单，通常为环面或圆环（图 3）。

图 3：从垂直平面 (A) 的上方和水平面的侧面看，
偶极子的辐射模式类似于环面或圆环 (B)。（图片来源：Science Direct）

用户可以调整天线方向，将最大发射器能量/接收器灵敏度指向目标无线电收发器，收发器通常位于数千英里外。许多记录案例中，在合适的大气传播条件下，在 20 m 和 40 m 处使用偶极子实现了这些距离下的成功通信，发射功率远低于 1 W，因为它的效率和辐射模式非常好。

多频带操作扩展了多功能性

在许多实际 HF 通信情况下，有必要尝试在多个频带同时建立联系或在不同时间切换频带，因为连接受许多变量影响，如太阳黑子、大气噪声、白天与夜间工作，以及不断变化的传播条件。因此，单频带偶极天线可能不够用。

明显的解决方案是设置多个偶极天线，每个相关频带/波长使用一个。然而，这样做对于在多条馈线之间进行装配、缠结、管理和切换具有实际困难。在某些情况下，RF 分离器/组合器可用于使单条馈线连接到两个天线，但这会带来损耗和新的阻抗匹配问题。

幸运的是，从最早期的无线电开始就有更好的解决方案，就像偶极子一样：“陷波器”。（尚不清楚该术语何时首次引入或由谁引入；这个词未在介绍这项技术的 1941 年美国专利 2,229,865 中使用。）陷波器是一种简单的并联电感器-电容器 (LC) 组合，可在两个相关频带之间自谐振。

在偶极子的每个臂中插入一个陷波器，使实际长度一定的天线具有两种电气长度。在低于共振频率的频率下，陷波器的电抗为电感性；高于共振频率，则为电容性。陷波器如同开关，在陷波器的设计频率下以电气方式切断天线的其余部分，而在天线的共振频率以下充当负载线圈。

简化的陷波器电气模型显示了物理电感器和电容器以及一个小的寄生电阻 (RP)（图 4）。

图 4：陷波器是简单的谐振 LC 电路，带有不需要但又不可避免的电阻，
可以串联 (a) 或并联 RLC 电路 (b) 建模。（图片来源：AntenTop）

陷波器存在一个缺陷，即会产生损耗，这对于传输和接收模式都是问题。然而，经过适当设计和调谐的陷波器会产生大约 1 dB 的适度损耗，通常可以接受，以换取其便利性。

选择陷波器元器件值

从数学角度，有无数个 LC 配对能产生所需的共振频率。然而，其中许多需要极小（或大）的电感器，分别与极大（或小）的电容器相匹配。这种配对的寄生效应和物理尺寸问题影响太大，并且 Q 值（品质因数）对于相关频带来说太窄或太宽。

幸运的是，有大量根据理论、实施和现场实践经验进行陷波器选型的文献。例如，对于 80/40 m 偶极子，可以首先选择使用 5.55 μH 电感器的陷波器与 100 pF 电容器配对（图 5）。

图 5：所示元器件值和偶极子线性尺寸（以英尺为单位）是 80/40 m 多频带偶极子的绝佳着手点。（图片来源：QSL Net）

选择陷波器元器件不仅仅需要确定合适的 L 和 C 值，因为在功率容量和稳健性方面存在一些非常实际的问题。对于仅用于接收的天线，几乎任何电感器或电容器都可以处理非常少量的毫瓦级甚至更低的接收功率。然而，发射器的功率水平通常为数十瓦、数百瓦甚至更高，因此必须针对这些功率水平对陷波器元器件进行评测。

陷波器也暴露在天气中。虽然有些偶极天线位于阁楼或木谷仓等温和环境中，但大多数都在室外，因此必须耐受雨水、风压、极端温度、冷凝等。因此，陷波器及其连接必须完全密封，具有排水和通风装置，或者采用耐候材料制造。即使连接完好，进水或腐蚀都会影响元器件值，从而改变共振频率。

陷波器结构通常需要通过将其元器件密封在塑料外壳中、使用保形涂层或使用某种耐候性暴露结构来封装元器件（图 6）。低成本 PVC 管往往用作绕线电感器感的卷芯；其他情况下，带有密封端盖的 PVC 管用作外壳，并带有防水孔。

图 6：这个自制的 80/40 m 陷波器使用环绕 PVC 管的手绕电感器作为卷芯支撑。（图片来源：www.vk4adc.com）

此外，还有另一个实际问题需要考虑：调整和修剪陷波器元器件。虽然计算元器件值是必要的第一步，但由于寄生效应、线径和电感器绕组缺陷等实际因素，通常达不到理想值。

因此，大多数自制陷波器和许多商业陷波器允许用户在现场对 L 和 C 值进行一些调整以达到所需性能，这通常使用 VSWR 表来完成。微调可能是个令人沮丧的迭代过程，尤其是在 DIY 实施中；同样，有许多网站提供了简化流程的实用建议。

陷波器的使用不仅限于在两个频带上单独使用长线偶极子。通过使用一系列陷波器，可以构建三频带甚至四频带的偶极天线。然而，这样做需要在天线辐射模式、增益、带宽和其他参数方面进行其他调整，还有一些性能折衷和权衡。

不限于简单偶极子

虽然陷波器通常和基础型长线偶极子关联，但它们并不限于此种天线设计。例如，多频带定向高增益八木天线（常简称“八木”）使用了有源和无源偶极子阵列构成。这种形式的八木在其导向器、有源驱动器和反射器元件中使用了陷波器，因此可以在多个频带下工作（图 7）。

图 7：在基础型偶极子以及更为复杂的多频带天线上，陷波器可用于三频带工作，例如这种 20/15/10 m 八木设计；图示（从左到右）为天线导向器、驱动器和反射器元件，各元件每个臂上都有两个陷波器。（图片来源：OnAllBands）

您可以制作自己的偶极子，许多一次性使用的情况即是如此。但也可作为标准商业装置使用，如 PulseLarsen Antennas 的 KGI825。这种具有 2 dB 增益的基础型四分之一波长偶极子设计工作范围为 806 至 896 MHz，中心频率为 851 MHz（图 8）。

图 8：KGI825 是一款四分之一波长偶极天线，增益为 2 dB，中心频率为 851 MHz。（图片来源：PulseLarsen Antennas）

KGI825 可处理高达 60 W 的发射功率，窗口厚度为 0.138 至 0.158 in（3.5 至 4 mm），便于磁性安装。它带有一根 14 ft (4.25 m) 的 RG-58/U 同轴电缆，用户可以添加所需的连接器。

总结

质朴无华、技术含量低的长线偶极天线已经在无线领域应用了一个多世纪。由于结构简单、适应性强、便携高效，偶极天线还将继续延用下去。通过使用无源陷波器，功能可以扩展到电磁频谱高频部分的两个甚至更多频带。