短波端馈天线(End-Fed Half-Wave, EFHW) 是一种非常受欢迎的短波(HF)业余无线电天线,因其架设简便、多波段操作能力和无需地网的特点而受到广泛青睐。与传统的中心馈电半波偶极天线不同,端馈天线顾名思义,是在天线末端进行馈电。
- 原理
端馈半波天线的原理基于半波振子在末端呈现高阻抗的特性。
半波振子特性: 一根长度为半个波长(λ/2)的导线,在其中心点是电流最大、电压最小(低阻抗)的地方,而其两端则是电压最大、电流最小(高阻抗)的地方。对于一个标准的半波偶极天线,我们通常在中心点馈电,此时馈电阻抗接近50-75欧姆,可以直接连接同轴电缆。
端馈原理: 端馈天线则是利用半波振子末端的高阻抗特性。由于末端阻抗可能高达几千欧姆(通常在2000-5000欧姆左右),为了将这个高阻抗匹配到电台常用的50欧姆同轴电缆,需要使用一个高阻抗变压器(通常是 1:49 或 1:64 的宽带匹配变压器)。这个变压器将高阻抗转换为接近50欧姆的阻抗,从而实现与同轴电缆的有效连接。
多波段工作: 端馈天线的一个显著优势是其固有的多波段谐振特性。一根针对某个基频(例如80米波段)设计为半波长的端馈天线,其整数倍频(例如40米是80米的2倍频,20米是80米的4倍频,10米是80米的8倍频)也会呈现半波谐振特性。这是因为N×(λ/2) 长的导线,其两端在这些频率下也近似呈现高阻抗,从而可以通过同一个变压器进行匹配。这意味着一根天线就可以覆盖多个业余无线电短波段,如80米、40米、20米、15米和10米。
- 优点
架设简便: 只需要一个支撑点来悬挂天线末端,另一端可以自由垂下或水平延伸,无需复杂的两点对称支撑。非常适合野外架设、QRP(低功率)操作或空间有限的用户。
多波段操作: 这是其最大的优势。一根天线配合一个匹配变压器,就可以覆盖多个业余无线电短波段(例如80米、40米、20米、15米、10米等),大大简化了天线系统。
无需地网/平衡器(counterpoise): 与垂直天线不同,端馈天线不需要复杂的径向地网。与中心馈电偶极天线相比,虽然理想情况下馈电点处仍需要一个共模扼流圈(扼流巴伦)来抑制同轴电缆上的共模电流,但其对地连接的要求远低于垂直天线。
隐蔽性好: 一根细长的导线,在不使用时可以很容易地收起,或在架设时融入环境中,相对隐蔽。
- 缺点
高压危险: 馈电点是高电压点。在发射时,特别是高功率发射时,馈电点附近会有较高的射频电压,存在触电风险。必须确保馈电变压器和连接部分绝缘良好,并远离人手可触及的地方。
同轴电缆共模电流: 由于馈电方式不对称,同轴电缆的外屏蔽层容易产生共模电流,导致射频能量流回电台,引起干扰(RFI/EMI),影响收发器性能,并可能导致电台设备本身带射频电压。为了抑制共模电流,强烈建议在变压器输出端(靠近同轴电缆连接处)安装一个高质量的共模扼流圈或巴伦(通常是 1:1 的电流巴伦)。
匹配变压器效率: 变压器本身会有一定的损耗,尤其是在高功率下,可能会发热并降低效率。劣质的变压器可能会导致更大的损耗和发热。
频率和谐振点敏感: 尽管是多波段天线,但每个波段的实际谐振点和阻抗可能不完全精确,需要通过修剪天线长度或调整变压器来实现最佳匹配。
环境敏感性: 天线末端(非馈电端)的阻抗和辐射特性受周围环境(如建筑物、树木、地面)的影响较大。
- 架设方法
端馈天线的架设相对灵活,以下是常见的几种方式:
水平架设(Horizontal):
这是最常见的架设方式。天线导线水平拉直,一端连接馈电变压器,另一端用绝缘绳索拉到高处(如树、桅杆、建筑物)。
优点: 辐射仰角较低,适合远距离 DX。
要求: 需要两点支撑,但由于是一端馈电,对其中一点的高度要求可以相对灵活。
斜拉式架设(Sloper):
馈电端在高处,天线向下方倾斜。
优点: 只需要一个高点支撑,架设非常简单,有时在某个方向上具有一定的方向性。
要求: 高点支撑。
垂直架设(Vertical):
天线垂直于地面架设。
优点: 占用水平空间最小,全向性好,低仰角辐射适合 DX。
要求: 馈电变压器通常在地面附近,天线需要牢固支撑。
野外架设:
非常适合POTA (Parks On The Air) 或SOTA (Summits On The Air) 等野外操作。可以使用钓鱼竿、树枝或其他轻便的支撑物将天线末端拉高。
优点: 快速部署和拆卸。
关键组成部分:
导线: 用于制作天线振子,长度根据最低工作频率确定({长度(米)} = 142.5 / {频率(MHz)} ,例如80米波段需要约40米长导线)。
高阻抗变压器: 通常是 1:49 或 1:64 的比例,将天线末端的高阻抗匹配到50欧姆同轴电缆。
共模扼流圈/巴伦: 强烈推荐在变压器出口处(连接同轴电缆前)安装,抑制共模电流。
绝缘体: 用于固定天线两端并提供绝缘。
支撑绳索和支撑物: 用于悬挂天线。
- 电磁波模式
端馈半波天线在工作时,其电磁波模式与中心馈电的半波偶极天线相似,但由于馈电方式的不对称性,会引入一些额外的考虑:
主瓣和辐射方向图:
水平架设: 辐射方向图与水平偶极天线相似,在垂直于天线方向(两侧)辐射最强,仰角取决于天线高度。高度越高,仰角越低,越适合远距离 DX。
垂直架设: 全向辐射,辐射仰角较低,同样适合 DX,但对近距离通信可能效率稍低。
斜拉式: 具有一定的方向性,通常在天线下降的方向上辐射更强,但具体取决于倾斜角度和周围环境。
极化:
水平架设: 主要辐射水平极化波。
垂直架设: 主要辐射垂直极化波。
混合架设(如倒V、斜拉): 会产生混合极化分量。
高次谐波: 当天线工作在其基频的整数倍谐波上时(例如80米天线工作在40米、20米等频段),其辐射方向图会变得更为复杂,出现多个辐射瓣。这通常不会影响其作为多波段天线的使用,但了解这一点有助于理解其性能。
- 使用局限性
噪声拾取: 由于馈电点的高阻抗特性以及通常靠近地面或电台设备的安装方式,端馈天线可能更容易拾取到附近的人工噪声(如电源噪声、计算机噪声、LED灯干扰等)。共模扼流圈能缓解一部分问题。
功率限制: 匹配变压器有功率限制。如果超过变压器额定功率,可能导致变压器过热、饱和甚至损坏。
射频干扰(RFI): 如前所述,共模电流是端馈天线的常见问题。如果未有效抑制,射频能量可能回流到电台、麦克风线、电源线等,导致电视/收音机干扰、音响系统啸叫、电台操作异常,甚至引起“射频咬人”现象。
精确匹配的挑战: 尽管变压器能提供宽带匹配,但在某些波段上可能无法达到完美的 1:1 SWR。这可能需要额外的天线调谐器进行微调,或者接受稍高的 SWR。
高压安全: 高压馈电点带来的安全隐患必须时刻注意,尤其是在有人或宠物可能触及到的区域。
总而言之,短波端馈天线是一种非常实用且功能强大的天线,尤其适合那些追求简单架设和多波段操作的业余无线电爱好者。了解其原理、优缺点和使用局限性,并采取适当的措施(如使用共模扼流圈、注意安全),可以最大限度地发挥其效用。
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