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來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 當今的無線設備緊湊小巧且移動性強，在千兆赫頻譜下運行，而具有歷史意義的長線偶極天線似乎已經過時，但事實并非如此。偶極天線因優點眾多，目前仍被軍事領域、緊急服務、廣播公司和業余無線電愛好者 (hams) 廣泛用于長距離、全球點對點鏈路和廣域廣播。 這些優點包括靈活、易于設置、輻射模式可調、對其他設備能見度低以及包裝/攜帶尺寸較小。偶極天線主要在低于 30 MHz（10 m 波長）的頻率下使用，此范圍曾被指定為高頻 (HF) 頻帶（3 至 30 MHz）以及較低頻率/較長波長。另一個好處是，在偶極子兩臂中添加簡單的諧振 LC 電路“陷波器”后，單個偶極天線可以同時在多個頻帶下工作。 本文將簡要概述長線（偶極）天線的原理，提出一些理論與實踐的注意事項，并解釋陷波器如何用作多頻帶天線，提高其實用性。（其中有些注意事項適用于其他偶極配置，例如眾所周知的折疊偶極，但也存在重要差異。） 為何使用長線偶極天線？ 由于當今使用的許多天線都很短（多數情況下約一米或更短）或幾乎不可見，如智能手機內部的芯片諧振器或平面倒 F 天線 (PIFA)，因此長線偶極天線可能顯得有點過時或者奇怪。然而，Maxwell 方程和波動理論表明，有效的偶極輻射器/接收器的主要尺寸必須是目標波長的一半。這種經典的偶極天線不接地，為發射器功率放大器和接收器前端放大器提供平衡、對稱的負載（圖 1）。（理想偶極子的標稱阻抗為 73 Ω，引用時通常取 75 Ω；差異忽略不計。）如果天線連接到公共 50 Ω 饋線，則饋線和天線之間需要適度的阻抗匹配。 
圖 1：基礎型經典偶極天線有兩個四分之一波長臂，在其諧振工作頻率下用作 73 Ω 平衡電阻負載。（圖片來源：MicrowaveTools） 如果偶極子使用細線，帶寬通常約為中心頻率的 5%；線加粗將增加最多 20% 的帶寬，但會影響其他性能屬性。如果通過接地電路連接到發射器或接收器并使用同軸電纜作為饋線，則可能需要平衡不平衡轉換器。但只要阻抗適當匹配，多數情況下可直接使用同軸電纜。 長線偶極天線設計簡單，吸引力顯而易見。只需要兩條等長的電線，將其連接到樹木、建筑物、路標或任何順手的地方。天線通常不直接連接到這些支架；相反，通常用電線和絕緣子作附件“支座”（圖 2）。
圖 2：偶極子通常通過絕緣子（白色）和電線連接到支架，電線長度應使偶極子臂長保持不變，不受支架間距影響。（圖片來源：Physics Forums） 在實踐中，為了獲得最佳性能，實際天線長度可能需要調整，以適應電線粗細有限且與理論有偏差的情況，但調整通常小于 5%。即使不調整，通常性能也相當不錯，電壓駐波比 (VSWR) 通常低于普遍可接受的 1.5:1。 在存在明顯天線阻抗偏移或不匹配的情況下，VSWR 將上升到不可接受的水平，性能會受到影響。這種情況下，可在饋線中使用可調式天線調諧器來補償和過渡。 偶極子的理論增益約為 2 dBi（即全向天線增益）。偶極子的輻射模式很簡單，通常為環面或圓環（圖 3）。
圖 3：從垂直平面 (A) 的上方和水平面的側面看，偶極子的輻射模式類似于環面或圓環 (B)。（圖片來源：Science Direct） 用戶可以調整天線方向，將最大發射器能量/接收器靈敏度指向目標無線電收發器，收發器通常位于數千英里外。許多記錄案例中，在合適的大氣傳播條件下，在 20 m 和 40 m 處使用偶極子實現了這些距離下的成功通信，發射功率遠低于 1 W，因為它的效率和輻射模式非常好。 多頻帶操作擴展了多功能性 在許多實際 HF 通信情況下，有必要嘗試在多個頻帶同時建立聯系或在不同時間切換頻帶，因為連接受許多變量影響，如太陽黑子、大氣噪聲、白天與夜間工作，以及不斷變化的傳播條件。因此，單頻帶偶極天線可能不夠用。 明顯的解決方案是設置多個偶極天線，每個相關頻帶/波長使用一個。然而，這樣做對于在多條饋線之間進行裝配、纏結、管理和切換具有實際困難。在某些情況下，RF 分離器/組合器可用于使單條饋線連接到兩個天線，但這會帶來損耗和新的阻抗匹配問題。 幸運的是，從最早期的無線電開始就有更好的解決方案，就像偶極子一樣：“陷波器”。（尚不清楚該術語何時首次引入或由誰引入；這個詞未在介紹這項技術的 1941 年美國專利 2,229,865 中使用。）陷波器是一種簡單的并聯電感器-電容器 (LC) 組合，可在兩個相關頻帶之間自諧振。 在偶極子的每個臂中插入一個陷波器，使實際長度一定的天線具有兩種電氣長度。在低于共振頻率的頻率下，陷波器的電抗為電感性；高于共振頻率，則為電容性。陷波器如同開關，在陷波器的設計頻率下以電氣方式切斷天線的其余部分，而在天線的共振頻率以下充當負載線圈。 簡化的陷波器電氣模型顯示了物理電感器和電容器以及一個小的寄生電阻 (RP)（圖 4）。
圖 4：陷波器是簡單的諧振 LC 電路，帶有不需要但又不可避免的電阻，可以串聯 (a) 或并聯 RLC 電路 (b) 建模。（圖片來源：AntenTop） 陷波器存在一個缺陷，即會產生損耗，這對于傳輸和接收模式都是問題。然而，經過適當設計和調諧的陷波器會產生大約 1 dB 的適度損耗，通常可以接受，以換取其便利性。 選擇陷波器元器件值 從數學角度，有無數個 LC 配對能產生所需的共振頻率。然而，其中許多需要極小（或大）的電感器，分別與極大（或小）的電容器相匹配。這種配對的寄生效應和物理尺寸問題影響太大，并且 Q 值（品質因數）對于相關頻帶來說太窄或太寬。 幸運的是，有大量根據理論、實施和現場實踐經驗進行陷波器選型的文獻。例如，對于 80/40 m 偶極子，可以首先選擇使用 5.55 μH 電感器的陷波器與 100 pF 電容器配對（圖 5）。
圖 5：所示元器件值和偶極子線性尺寸（以英尺為單位）是 80/40 m 多頻帶偶極子的絕佳著手點。（圖片來源：QSL Net） 選擇陷波器元器件不僅僅需要確定合適的 L 和 C 值，因為在功率容量和穩健性方面存在一些非常實際的問題。對于僅用于接收的天線，幾乎任何電感器或電容器都可以處理非常少量的毫瓦級甚至更低的接收功率。然而，發射器的功率水平通常為數十瓦、數百瓦甚至更高，因此必須針對這些功率水平對陷波器元器件進行評測。 陷波器也暴露在天氣中。雖然有些偶極天線位于閣樓或木谷倉等溫和環境中，但大多數都在室外，因此必須耐受雨水、風壓、極端溫度、冷凝等。因此，陷波器及其連接必須完全密封，具有排水和通風裝置，或者采用耐候材料制造。即使連接完好，進水或腐蝕都會影響元器件值，從而改變共振頻率。 陷波器結構通常需要通過將其元器件密封在塑料外殼中、使用保形涂層或使用某種耐候性暴露結構來封裝元器件（圖 6）。低成本 PVC 管往往用作繞線電感器感的卷芯；其他情況下，帶有密封端蓋的 PVC 管用作外殼，并帶有防水孔。
圖 6：這個自制的 80/40 m 陷波器使用環繞 PVC 管的手繞電感器作為卷芯支撐。（圖片來源：www.vk4adc.com） 此外，還有另一個實際問題需要考慮：調整和修剪陷波器元器件。雖然計算元器件值是必要的第一步，但由于寄生效應、線徑和電感器繞組缺陷等實際因素，通常達不到理想值。 因此，大多數自制陷波器和許多商業陷波器允許用戶在現場對 L 和 C 值進行一些調整以達到所需性能，這通常使用 VSWR 表來完成。微調可能是個令人沮喪的迭代過程，尤其是在 DIY 實施中；同樣，有許多網站提供了簡化流程的實用建議。 陷波器的使用不僅限于在兩個頻帶上單獨使用長線偶極子。通過使用一系列陷波器，可以構建三頻帶甚至四頻帶的偶極天線。然而，這樣做需要在天線輻射模式、增益、帶寬和其他參數方面進行其他調整，還有一些性能折衷和權衡。 不限于簡單偶極子 雖然陷波器通常和基礎型長線偶極子關聯，但它們并不限于此種天線設計。例如，多頻帶定向高增益八木天線（常簡稱“八木”）使用了有源和無源偶極子陣列構成。這種形式的八木在其導向器、有源驅動器和反射器元件中使用了陷波器，因此可以在多個頻帶下工作（圖 7）。
圖 7：在基礎型偶極子以及更為復雜的多頻帶天線上，陷波器可用于三頻帶工作，例如這種 20/15/10 m 八木設計；圖示（從左到右）為天線導向器、驅動器和反射器元件，各元件每個臂上都有兩個陷波器。（圖片來源：OnAllBands） 您可以制作自己的偶極子，許多一次性使用的情況即是如此。但也可作為標準商業裝置使用，如 PulseLarsen Antennas 的 KGI825。這種具有 2 dB 增益的基礎型四分之一波長偶極子設計工作范圍為 806 至 896 MHz，中心頻率為 851 MHz（圖 8）。
圖 8：KGI825 是一款四分之一波長偶極天線，增益為 2 dB，中心頻率為 851 MHz。（圖片來源：PulseLarsen Antennas） KGI825 可處理高達 60 W 的發射功率，窗口厚度為 0.138 至 0.158 in（3.5 至 4 mm），便于磁性安裝。它帶有一根 14 ft (4.25 m) 的 RG-58/U 同軸電纜，用戶可以添加所需的連接器。 總結 質樸無華、技術含量低的長線偶極天線已經在無線領域應用了一個多世紀。由于結構簡單、適應性強、便攜高效，偶極天線還將繼續延用下去。通過使用無源陷波器，功能可以擴展到電磁頻譜高頻部分的兩個甚至更多頻帶。 |
