如果可以使用調諧器使發射機向衣架提供功率,那麼為什麼我們要擔心首先製造諧振天線呢?
簡而言之,就是效率。
請考慮全長40米,1/2波長偶極子大約65英尺(19.8米)長。僅2英尺(0.6米)長的偶極子的增益僅比65英尺的偶極子小0.5 dB。這在空中幾乎沒有什麼明顯的區別。但是問題是,我們不能使天線系統的效率足以實現0.5 dB的微小損耗。與全尺寸偶極子相比,系統效率低下通常會造成很大的損失。 。 10/8波偶極子的增益幾乎是1/2波偶極子的兩倍。它不會產生共振,但可以通過簡單的匹配網絡輕鬆匹配到傳輸線。如果不添加匹配網絡,八木天線就不會諧振。還應考慮到,許多諧振天線無論如何都不會在饋電線的阻抗上諧振-例如,理想的1/4波接地平面垂直諧振約為34歐姆。
以下是一些天線系統的效率低下:
輻射電阻與電阻損耗
抗輻射性是一個經常被誤解和誤用的術語。天線的輻射阻抗 是由電磁波輻射引起的。對於合理構造的自由空間,1/2波,中心饋電偶極子,輻射電阻約為73歐姆。天線中的任何電阻損耗(未輻射的功率)都會增加該輻射電阻,從而影響饋電點阻抗。在這種偶極子的情況下,由於構成偶極子的導線,因此會有非常少量的RF電阻。如果我們使用14規格(1.45毫米)的導線來構造天線,則RF電阻將約為2.7歐姆。這樣,在此示例中,總饋電點阻抗將為75.7歐姆。
天線的效率由以下公式給出:
$ $ Efficiency = \ left(\ frac {R_r} {R_r + R_l} \ right)$$ span>
其中R r sub>是抗輻射性,R l sub>是電阻損耗。
因此,如果將其應用於上面的偶極子示例,效率將為96.4%。相比之下,兩英尺偶極子的R r sub>約為0.04歐姆,而比較的R l sub>為0.08歐姆,效率為33%。
要完成效率圖的這一部分,請考慮:
$$增益=方向性\效率$$ span>
全尺寸偶極子的指向性為1.65。將其乘以上面示例的96.4%的效率,則增益變為1.59(2.02 dBi)。對於短偶極子,方向性為1.5。乘以上面示例中33%的效率,增益變為0.5(-3.01 dBi)。因此,兩個天線之間已經存在5 dB的差異,並且還必須考慮其他 system 損耗。
匹配網絡/調諧器
在我們的1/2波偶極子的示例中,天線的饋電點阻抗約為75歐姆。如果我們嘗試使用50歐姆的電源來驅動它,則我們可能希望有一個調諧器或匹配網絡來在兩個電阻很大的阻抗之間進行轉換。在這種情況下,構建良好的調諧器或匹配網絡的效率將在80-95%的範圍內(損耗小於1 dB)。
在我們的短偶極子示例中,情況是有點複雜。我們既需要消除偶極子的容抗,又要匹配極低的饋電點阻抗。如果不對匹配網絡的效率進行費力的計算,那麼從匹配網絡中獲得低於10%的效率(>10 dB損耗)就不會是不合理的。這意味著,僅在匹配網絡中,至少有90%的施加功率或信號會因加熱而損失掉。現在,我們的短偶極子系統的增益為-13 dBi,比全尺寸偶極子示例低15 dB以上。這等效於將100瓦發射機的信號強度與3瓦發射機的信號強度進行比較。
傳輸線損耗
所有現實世界中的傳輸線都表現出失利。這本身就是效率的降低。傳輸線的規範列出了給定頻率下傳輸線的損耗,假定傳輸線的特徵阻抗終止。當傳輸線的特性阻抗未終止時,傳輸線的損耗會增加(效率會進一步降低)。
通過將調諧器或匹配網絡放置在靠近天線的位置,以提供與天線的匹配傳輸線的特性阻抗,可以避免由於傳輸線不匹配而造成的額外損耗。這樣可以最大化給定傳輸線的效率。
當傳輸線未連接到與其特性阻抗匹配的負載時,會產生次級影響-傳輸線將不再顯示其特性阻抗。換句話說,它變成了阻抗變壓器。例如,我們在早期示例中將75歐姆偶極阻抗連接到RG213的23英尺時,將在傳輸線的發射器端將其轉換為34歐姆。傳輸線上的總損耗將為0.119 dB,其中只有0.009 dB是由於負載不匹配所致。諸如 TLDetails之類的免費程序可以使這些計算快速完成:
在某些情況下,此轉換通過將天線阻抗轉換為從系統效率角度來看更可用的方式,可以發揮我們的優勢。在其他情況下,這可能會降低系統效率。但是,請務必根據發射機的輸出效率來考慮這種變換效果。
發射機的輸出效率
要考慮的最終效率因素是功率放大器的輸出功率。發射機。大多數業餘變送器都設計為在連接到50歐姆電阻負載時提供額定輸出功率。與此負載的任何偏差通常都會導致變送器的輸出功率降低。發射器輸出功率的損失有效地降低了系統效率。
例如,一個100瓦,50歐姆源阻抗發射器連接到RG213的23英尺,並以我們的75歐姆偶極子端接,將輸出96瓦(如果沒有保護電路啟動)。這是96%的輸出效率(0.17 dB損耗)。請注意,在此示例中,這比在發射機處使用天線調諧器使發射機阻抗與饋線阻抗匹配(即使這是1.5:1 SWR)更有效。
SWR
SWR基於傳輸線特性阻抗與傳輸線上負載阻抗的關係。在發射系統的情況下,負載通常是天線。對於接收系統,負載通常是接收器的輸入阻抗。
由於我們已經在較早的傳輸線部分中處理過傳輸線特性阻抗與負載阻抗的關係,因此我們不必將SWR視為效率低下的另一個來源。