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業餘無線電樂趣多：天線為何有增益
No.12 1993 Nov p88~92, by 楊智凱 / BV2FB
天線為什麼有增益？"dB" 是什麼？「木瓜」「排骨」有何不同？
誤：天線愈長愈大，效果愈好，可以放大功率，增加效益。
正：天線是用來將射頻「電能」變成電磁波的元件，就如同燈炮是用來將電能變成光波，或小提琴弦是用來將位能 (力量 )變成聲波一樣。一個完美的天線應至少為其欲發射電波之 1/2 波長，就如同琴弦的道理一樣。
偶極天線因結構大都為兩個 1/4 波長電線或銅、鋁管組成之直條形，故能於腹部四週產生電磁波，但天線之兩端則幾乎完全沒有電波產生。
偶極天線通常都用來做參考天線，其增益被定義為 "1"，又稱為 "0dB"，假如將 2 支偶極天線巧妙安排，又能不互相影響，並將電能先後經過 2 支天線，則理論上將會使某一個小角度內之電波強度提高 2 倍，即 "3dB"。
依此類推，用很多節偶極天線上下排列成群，即可將電波強度一直提高 (此即一般所稱之木瓜 )，通常較實用之程度為 10 倍以下，也就是 10dB 以下，但因能量不減，其它角度之電波將消失而集中於需要之角度。
如下圖所示，虛線為點輻射源，代表一個數學上存在但實際做不到的理想球體，它的電波向四面八方平均發射而形成一個球狀。在相同功率下，在任意方向，它的電 波強度均為偶極天線之 0.6 倍，即 "-2.15dB"，換句話說，如果理想點發射源被定義為 "1"，即 "0dB"，則偶極天線腹部電場強度最高點為其 1.6 倍，即 "2.15dB"。為免混淆，通常寫成 "2.15dBi","i" 代表球體發射為基準。
所以，一支增益為 2.15dBi 的天線即是增益為 0dB 的天線，也就是無增益之普通天線。
另一種提高天線方向性及增益之方式為「亞奇」方式 (YAGI)，即利用一支金屬，靠近普通偶極天線，使得電磁波偏向期望之方向，一般稱之為排骨天線，也是將電磁波能量引導向需要之方向而產生增益。故增益只是相對而言，並非真的可以將能量放大。
木瓜由於通常是直立的，其電場與地面呈垂直，故其電波為垂直極化波；排骨則可視需要，橫放或直放，橫放則產生水平極化波，直放則生垂直極化波。通常為遷就汽車天線之垂直擺放方式，排骨也多做成垂直極化。
另有一種用來與人造衛星通訊之天線，則可將垂直與水平交疊，並移相 90 度，使得兩能量因時間差相加，而形成圓形極化波，因此不論衛星如何翻滾，均可收到良好信號，最為特殊。
中波廣播之天線波長通常在 600~200 公尺間，半波長也至少要 500~100 公尺，很難架設，且因立於地面，地表下之地下水及礦物質會形成一片導電層，此導電層之性能如同一面電子鏡，將產生一個天線倒影。上下二支半波長天線因電流 極性相反，互相抵消，反而沒有電波發出。如果將天線高度降為 1/4 波長，下面倒影正好形成另外 1/4 波長，就形成一個完整的偶極天線，能發揮很好的垂直波輻射功能。
許多小型車用 144/430MHz 天線也是利用這個方法，但因很難有人捨得將天線裝於車頂正上方，挖洞且接地，而將其裝於行李箱旁，其倒影是如何的不佳，可想而之。幸好，天線廠商很快就設計出有地網及無地網的天線出來。
地網是什麼？無地網天線 (NR) 又是什麼？為了改善電波發射，在汽車天線下方加地網，對嗎？
正：地網就是利用一條以上的 1/4 波長電纜，一端接於 1/4 波長垂直天線之饋電點 (接頭 )，另一端絕緣或懸空，以形成一個虛擬的電子鏡。通常至少需要三條以上，才能使發射電波之分配方向都均勻。嚴格講起來，有地網的方向，電波會稍強一點點， 但實在微不足道，不必在意。地網另一端絕不能接地或任何金屬，否則就自動失效且產生阻抗混亂之結果。
NR 即 "NON-RADIAL" 天線，即「無地網」天線，特別適合用在下方沒麼東西可產生電子倒影時，例如汽車天線裝在雨槽、行李蓋旁、後照鏡上等。如果車子是玻璃纖維頂，房子是木屋，就一定要接地網，如果接地網太麻煩，可改用 NR 天線。
NR 天線基本上就是一支完整的半波長天線，電能則採高阻抗、高電壓方式灌入天線，故不需擔心電子倒影。假如使用 NR 天線裝於車頂良好金屬平面上，甚至畫蛇添足，加上三支或 N 支地網以表示有學問，那就大錯特錯了！因為 1/2 波長天線之電子倒影電流相位正好相反，好好的一支天線變成啞巴，不能正常發射，更甚者，因電波射不出去，彈回產生強烈駐波，就更嚴重了。
如果車子安裝天線之位置一部份是玻璃，一部份是金屬，到底該用有地網還是無地網天線呢？答案是：實驗決定。根據經驗，NR 天線成功率較高，且因常為有增益之堆疊式，故電于倒影就愈顯得不那麼重要了。
同一支天線下，五瓦手機可通幾公里？五十瓦車機可通多遠？
在一切條件相同下，功率每提高 4 倍，距離可增加 2 倍；功率提高 100 倍，距離可提高 10 倍。所以，提高功率所能改善的實在有限，最重要的是天線位置要良好。
為什麼我的手機聽不出火腿使用 SSB 機在說些什麼？調制有那些方式？
誤：火腿使用 SSB 機在作秘密通訊；防止香腸蓋台。
正：您的手機雖使用與火腿相同的頻率，但因調制模式不同，故您的手機無法解出其通信之訊息。
無線電波載送訊息之方式日新月異，其發展過程由 CW 到 AM、SSB、FM、 FSK、PSK、DIGITAL，尚不知將止於何處。您的手機使用的則是二次大戰後新發明的調頻 (FM) 方式，音質美妙傳真，因為太先進了，故反而收不到傳統式電報 (CW)、調幅 (AM) 及 SSB 單邊帶通訊。
火腿族之所以願意花數倍金錢買電路較複雜、技術發展卻較早之 CW、SSB 通訊機，是因為在相同天線及功率下， SSB
通訊距離可以比 FM 大 2~6 倍，CW 又可再增加 2~6 倍，故火腿們偏愛 CW 電報及 SSB
單邊帶通信。聽到它們的怪聲時，請勿干擾之，因為，有一天你也會考上執照，領悟到有照駕車行石子路，無照駕車卻大搖大擺開高速公路之不合理與無奈。凡是有
怪信號處，通常是國際遠征通訊及衛星通訊頻率，切勿浪費力氣與之周旋。
火腿為什麼可以和國外通訊？我的手機、車機加大烏龜可否也能與國外通訊？
誤：火腿比較大條，有錢買千年大烏龜，不怕條子抓。
正：火腿與國外通訊是其位於地面上空 90~300 公里的電離層折射電波，而能與國外通訊；有時候用 1W，甚至 0.1W，即可與歐美通聯。
手機、車機如果是 144MHz (VHF) 或 430MHz(UHF)
頻率，即使加上千年烏龜，也無濟於事，因為電離層太薄，VHH/UHF
的電波尚未折回之前，即已穿過電離層，飛往無盡之太空；除了每年偶而幾次出現超厚之「散見 E
層」或大氣發生波導作用，……等等特例外，幾乎不可能與外國作遠距通訊。
頻率是什麼意思？ "144.560MHz" 是什麼？誰負責規定哪個頻率做什麼用？如果違反，又會如何？
誤：頻率是手機或車機通話的上下格數；沒有人規定哪個頻率做什麼用，只要我喜歡，有什麼不可以。
正："Hz" 是 "HERTZ" 之簡寫，中文翻譯成 " 赫芝 "，是第一位以純數學導證而推定電磁波應存在的一位偉大科學家。(BV3FG 註：以數學式推導無線電波應存在的是 馬克士威 Maxwell，而 赫芝 則是以實驗證明無線電波確實存在 )為證實其偉大發現，在 1950 年代，由德國人發動用其名字代表「每秒一週」之單位。"M" 則是一百萬的羅馬字簡寫，故 "14.560MHz" 即每秒 144 百萬又 56 萬週，即 "144,560,000" 週 / 秒，代表電磁波每秒振動了 1 億 4 千多萬次。
不同振動次數的電磁波可以用來載送不同的訊息。人類現在已經使用的電磁頻率由 "9KHz~250GHz","G" 是十億的羅馬字簡寫，即 109。低於 9KHz 的電磁頻率只有核子潛艇秘密研究使用中；高於 250GHz 的電磁頻率，因科技發展所限，尚未廣汎使用。
聯合國下設之「國際電聯會」 (ITU) 對這些頻率應做那些用途均有原則性之分配，並由「世界無線電管理委員會」 (WARC) 每年開會決定分配細節及視時代需要而調整。
由於史上第一位發明及使用無線電的人馬可尼是在業餘之餘，偶而發現了赫芝所預測之電磁波確實存在於火花放電中，( 馬可尼 是重覆 赫芝 的實驗，然後研究發明無線電收發機並達成通訊 )所以業餘無線電史與人類無線電史是一樣的長，世界各文明國家為感念火腿之貢獻，便在 WARC 會議議決，在每一頻段播出一段，供業餘研究之用。這些頻段從 1800KHz 到 250GH，，共 24 段，可說無所不包，唯一遺憾的是 9KHz 到 100KHz 段並未撥給業餘，致使業餘人員無法研究深海、極地對極地等特殊通訊，但已有的還是夠多了。
ITU 又將世界分成歐非、美洲、亞洲等三區，每一區之頻譜分配大同小異。我國位於第三區，與中國大陸、日本、澳洲、東南亞、阿拉伯半島、印度等同屬一區。
各國政府再依國情稍加調整後，交業餘無線電團體規劃後，由主管單位發佈。我國因解嚴不久，交通部郵電司主管單位未及準備完成，只先酌撥部份頻率供業餘人員 自行使用，但因有數個頻段受到不合理之腰斬，致無法與國際之規定相配合，造成火腿們無所適從，遂由促進會 (CTARLj 法規委員會先擬出一套暫行分配表，以供遵行。可惜國內有很多香腸族因電信單位遲不開放話務級執照，而無機會受到頻率分配養成教育，致任意使用。
新的電信法已由行政院送立法院審核，業餘無線電管理規定也可望於近期頒佈，屆時如果無照使用，致生干擾他人通訊，可罰三萬至數拾萬元，坐牢可達三年，不可不慎！
http://imw.mwhrf.com/SupeSite/html/12/n-412.html
天線增益的計算
字號: 小 中 大 | 打印 發佈: 2008-2-13 20:41 作者: webmaster 來源: 本站原創 查看: 223次
增益是指：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關係，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。
可以這樣來理解增益的物理含義 ------
為在一定的距離上的某點處產生一定大小的信號，如果用理想的無方向性點源作為發射天線，需要 100W 的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB =
20 的某定向天線作為發射天線時，輸入功率只需 100 / 20 = 5W
。換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點源相比，把輸入功率放大的倍數。
半波對稱振子的增益為 G=2.15dBi。4 個半波對稱振子沿垂線上下排列，構成一個垂直四元陣，其增益約為 G=8.15dBi( dBi 這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源 )。
如果以半波對稱振子作比較對象，其增益的單位是 dBd 。
半波對稱振子的增益為 G=0dBd （因為是自己跟自己比，比值為 1 ，取對數得零值。）垂直四元陣，其增益約為 G=8.15 – 2.15=6dBd 。
天線增益的若干計算公式
1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對於一般天線，可用下式估算其增益：
G（dBi）=10Lg{32000/（2θ3dB,E×2θ3dB,H）}
式中， 2θ3dB,E與2θ3dB,H分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度；
32000 是統計出來的經驗數據。
2）對於拋物面天線，可用下式近似計算其增益：
G（dBi）=10Lg{4.5×（D/λ0）2}
式中， D 為拋物面直徑；
λ0為中心工作波長；
4.5 是統計出來的經驗數據。
3）對於直立全向天線，有近似計算式
G（dBi）=10Lg{2L/λ0}
式中， L 為天線長度；
λ0 為中心工作波長；
關於天線的db, dBi，dBd等單位
有些朋友往往比較容易混淆這些單位，dB取的都是以對數值為基礎的。
(1)dB，這單純是一個相對值，也就是說A比B的值的對數。常常用於說A比B高或低多少dB,
但是單獨說A的增益是多少dB，是不合理的，因為我們不知道B是什麼。只是我們許多同好有時為了簡省就口頭說多少dB了，但這樣是不夠確切的，不過常常也
就將錯就錯，默認理解為dBi吧，要麼您就再問問清楚。
(2)dBd，這是有標準參考值的，即B規定為自由空間的半波偶極子天線，這樣A與B的值比起來就有來統一的參照物，您告訴同好這個天線10dBd,他就明白您的天線比半波偶極子天線在主輻射方向上能聚集10倍的能量，即好10倍。
(3)dBi，這個單位的含義相對複雜了點，但是它最能表達實際環境情況的比值單位，這裡參照物B是以點源振子（實際不存在此物，可以看作是相對波長很
短的一小段振子，或叫微分段吧），在標準的定義中這個點源振子應該是理想球狀的全方向性輻射，這時與dBd就有一定的數學關係了， 即
1dBd=2.14dBi。
然而實際上絕大多數的天線都會受安裝高度的影響，其中最重要的就是地面影響，由於地面的鏡像作用，常常使波束形狀改變，在某些方向常常會高出2-5dB。
到這裡您應該明白19dBi了吧。
許多正規的天線產家常常喜歡用dBi來標天線的增益值，他們通常都會表明安裝高度或對標出數值的計算方法，或者他所生產的就是大家通常知道的安裝環境，如
車頂載天線，往往省略說明。
發射功率與增益
無線電發射機輸出的射頻信號，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達接收地點後，由天線接收下來（僅僅接收很小很小一部分功率），並通過饋線送到無線電接收機。因此在無線網絡的工程中，計算發射裝置的發射功率與天線的輻射能力非常重要。
Tx是發射（Transmits）的簡稱。無線電波的發射功率是指在給定頻段範圍內的能量，通常有兩種衡量或測量標準：
功率（W） － 相對1瓦（Watts）的線性水準。
增益（dBm） － 相對1毫瓦（Milliwatt）的比例水準。
兩種表達方式可以互相轉換：
dBm = 10 x log[ 功率 mW]
mW = 10 [ 增益 dBm / 10 dBm]
在無線系統中，天線被用來把電流波轉換成電磁波，在轉換過程中還可以對發射和接收的信號進行「放大」，這種能量放大的度量成為 「增益（Gain）」。 天線增益的度量單位為「dBi」。
由於無線系統中的電磁波能量是由發射設備的發射能量和天線的放大疊加作用產生，因此度量發射能量最好同一度量－增益（dB），例如，發射設備的功率為100mW ，或 20dBm；天線的增益為10dBi，則：
發射總能量＝發射功率（dBm）＋天線增益（dBi）
＝ 20dBm ＋ 10dBi
＝ 30dBm
或者： ＝ 1000mW
＝ 1W
在「小功率」系統中每個dB都非常重要，特別要記住「3dB法則」。
每增加或降低3dB，意味著增加一倍或降低一半的功率：
-3 dB = 1/2 功率
-6 dB = 1/4 功率
+3 dB = 2x 功率
+6 dB = 4x 功率
例如，100mW的無線發射功率為20dBm，而50mW的無線發射功率為17dBm，而200mW的發射功率為23dBm。
天線是一種導行波與自由空間波之間的轉換器件或換能器。
其基本功能是發射和接收無線電波：發射時，把高頻電流轉換為電磁波；接收時，把電滋波轉換為高頻電流。
天線增益
在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關係，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。
天 線的主要指標之一，它是方向係數與效率的乘積，是天線輻射或接收電波大小的表現,表徵天線增益的參數有dBd和dBi。DBi是相對於點源天線的增益，在 各方向的輻射是均勻的；dBd相對於對稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。一般地，GSM定向基站的天線增益為18dBi，全向的為11dBi。
天線方向性
天線對空間不同方向具有不同的輻射或接收能力，這就是天線的方向性。
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