关于菱形天线的原理
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高增益四菱形无线数字电视接收天线制作
中心频率为600MHz
＋－－－－＋
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｜ ／＼ ＿＿ Ｃ／Ｆ／４＊１。０１＝１２。６ｃｍ
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辐射器距反射板约8.2 cm细调之,至接收讯号最强
反射板到五金行购镀锌铁网来作
Po :发射机输出功率,单位dbm
Co :发射机电波馈送电缆传输损失,单位db
Ao :以接收者的位置观察,发射机天线在此角度的增益,
单位dbi ,通常发射天线增益会以最大增益方向角
度的增益值来标示,但是以广播发射站而言,会因接
收者位置的不同,相对于天线角度的不同,而呈现不
同的增益..
92.4 :真空传播衰减常数,若频率单位改用MHz时,常数
＼ ｜ ｜ ／ ＼
＼｜ ｜／ 。 如此绕线就可以
＼＊／ ＼｜＼ 在同一平面上
｜﹀｜ ｜ ＼
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｜︿｜ ＊ ＼｜＼
／＊＼ －｜－－－－－＼ ＼－－－－
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／ ｜ ｜ ＼ ＼ 。
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（。 ＊ 。） ｜
Cr :接收器传输电缆传输损失,单位db
以上式子是电波在真空中,理想状态下的传输,这里要特别提到一点是,式子中,似乎频率越高,传输衰减越严重,故有些文章会如此描述,但实则不然,式子中频率越高,衰减越多是因为天线的长度随着所使用波长的缩短而缩短,故等效截收截面积跟着缩减的关系,也因为是面积,故用20 log而不是10 log..
↗ ↘ 之一波长的单边长度,电波延迟移相90度,
／ ＼ 再经过四分之一波长单边长度,电波再移相
＼ ／ 成为180度到左侧,从图面箭头路径可知,从
↖ ↙ 上到下,所有天线激励均左右同相位,依天线
＼／ 收发等效原理,接收天线所截收下来的电波,
／＼ 在馈电点相位都一样,故波幅增加..
↗ ↘ 但因为实际环周长是比所使用波长还长,再
信号强度的差距,若排除天线频率响应的问题,主要是看转播站位置,距离及接收与发射天线的辐射涵盖图形,另直射波与反射波也会有所关系..
在无线电领域,基本的评估方式如下(理想状况):
Ri = Po - Co + Ao - 92.4 - 20 log D - 20 log F + Ar - Cr
Ri :接收到的信号准位,单位dbm
这里顺带一提,使用共振线法,因为频率不同,共振线长度就需要不同,故共振线方式只能用在窄频带..
而底下这张照片中的16菱形天线,就是利用迭接法将四组四菱形天线合并,故每两组天线的馈电点左右相反,而分支电缆长度都相同,故最大增益方向垂直于天线面,也就是朝向您的方向..
这个天线排列方式,其水平波束角相当窄,约在10~20度之间,若全部以垂直方式来合并如同下图方式,则水平波束角与原4菱形同,但垂直波束角约只有3度:
加装一组(四个)导波环,增益可达17dbi上下
加装导波环后,水平波束角会减小..
辐射器或导波环的骨架固定例(此处以导波环为例):
木螺纹钉
｜︿｜ ＊
／＊＼ ｜ ＜－此处绕线
／｜ ｜＼ －｜－
／ ｜ ｜ ＼ －。－
／ ｜ ｜ ＼
－／－－－＋－＋－－－＼－
（。 ＊ 。）
－＼－－－＋－＋－－－／－
＼ ｜ ｜ ／
网页中的数值,是以50 ohm阻抗的系统来举例, 75 ohm的系统也可用,只是共振线的取得较困难,尤其是1 to 2时,其共振线传输阻抗会是sqr(150*75)= 106ohm及sqr(37.5*75) = 53ohm两种数值,前者很难找到这样的电缆,后者倒是可以用rg58 (50~52ohm);而1 to 4及迭接合并法则没这样的困扰..
值则为32.4,因为20log F(Ghz) = 60 + 20log F(MHz),
同理,若距离单位改用公尺或英里,也是如此转换,
我个人是喜欢用92.4的常数..
D :接收点到发射点间的距离,单位公里
F :所使用频率,单位GHz
Ar :接收器天线增益,单位dbi但若发射站位置不在该天
线最大增益方向,记得扣除相对增益..
若再增加迭接数量,提升的效果非常有限..
若还要再提升增益,有几个方法:
1.利用导波板(四个环):
作用原理如同YAGI的导波器,在增加一组导波板时,增益约可
增加3db,在天线方向上再增加导波板数量,适当调整距离间格,
导波板数量每增一倍,增益多3db,而实际上如同YAGI的导波器,
并不到3db那么多,且有一定极限..
如下图,希望天线组增益最大方向是斜向左侧N度
同相位的位置
＼ ＼ ＼／ 各个天线所接收的电波相位,以最左边的
＼ ＼ ／＼ 天线为零度来当基准,则
＼ ＼／ ＼X = x / (C / F) * 360
＼ ＼ ／＼ ＼ｚ=电波路径长Y = y / (C / F) * 360
＼ ＼／ ＼ｙ ＼Z = z / (C / F) * 360
单一组(四个环)的不须特别做阻抗匹配,但要再合并多个时就需要..
这种利用两组环形天线并联,加上反射板的天线,记得好像是一位德国人发明的,因为效能良好,尤其是在UHF频带,制作也简单,水平波束角宽,且为水平极化,阻抗在50ohm附近,在UHF及微*注意*通讯的业余自制天线,常被采用..
一个环形天线的圆周长等于所使用波长乘上1.01~1.1时,处于谐振状态,且等长线段涵盖最大截面积是呈现圆形,在此状况下,环形天线有效截面比dipole大,故约比dipole天线多出1db的增益,已知标准dipole天线增益为2.15dbi,故一组环形天线增益约为3.15dbi,当将两组环形并接时,截面积增一倍,增益加3db,再加上反射板,将朝后的能量往前送,增益再增一倍,故双环形天线加上反射板,增益可达3.15+3+3 = 9.15dbi,实作上可以利用调整到反射板的距离,将波束集中一些,故可获得约9~12 dbi的天线增益;而四环形天线,环形数量比双环形多一倍,有效截面积多出将近一倍,故增益约可达12~15dbi..
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＼ ｜ ｜ ／
＼ ｜ ｜ ／
＼｜ ｜／
＼＊／
｜﹀｜
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︴ ︴
此天线很适合安装在墙面上或绑在水塔侧边..
若觉得您的接收讯号不佳,试试这个自制天线,我拿它在宜兰可以收到台北竹子山的讯号..
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
由此式子我们也可以知道,距离每增一倍,在其它条件都不变的情况下,接收信号准位少6db,故距离增一倍,若要维持相同的接收信号强度,除了增加功率6db外,就是要提升天线系统Ao + Ar 6db..
这是理想状况的式子,在实际情况下,我们还会碰到障碍物所引起的绕射,反射等多重影响,这就用到"夫累聂"带的评估,这在以后有兴趣时,再来谈谈..
／ ＼ 考虑导体传送电波时应有的波长缩短因子,
＼ ／ 故实际上每经过单边长度后,电波延迟所呈
↖ ↙ 现的相位增加比90度还多,故像这样的迭
＼／ 接,以中心点起算到上下两端,以两个环形
(一共四个)为限,再多也提升不了多少增益,
且当以此天线为发射天线的立场观之,较大
部分的能量集中在靠近中央的两个环上,故
＼ ｜ ｜ ／ 相位数组天线一般..
＼ ｜ ｜ ／ 此处以c1的电缆出口
＋－－－－－－－－－－－－－＋ 为0度,那么c2相位
｜ ｜ 延迟就是-X, C3为-Y
｜ ｜C4为-Z,那么电波到
｜ ｜ 达合并器时,相位就
｜ ｜ 会一样..
另外要注意,一般VHF/UHF的功率合并分配器,其每组分支出口的相位有可能相差180度,譬如一分二(二合一),其两组输出相位可能刚好相反(视分配合成器的结构而定),须把此项因素考虑进去,通常的做法是若发现此种现象,将天线馈电点位置左右互换即可..
这里要注意的是,电波在电缆中传送的速度较真空慢,故利用电缆长度来达到电波相位延迟,须先查表得知电波在该种电缆的波长缩减比例,以RG58来说,这个值约为0.66,换言之, 300MHz的电波在真空中波长约为1M,该电波在真空中传输一公尺远的点,电压与原点同相,故利用一米长的RG58传输该电波,在电缆出口处的电波相位与电缆入口比较将会是
↘ ／↘ｘ ↘ ↘
↘ ↘ ↘ ↘
Ｏ Ｘ Ｙ Ｚ 所使用的电缆长度
－＋－ －＋－ －＋－ －＋－c1.c2.c3.c4 ,须让电
｜ ｜ ｜ ｜ 波传送到合并器时
｜ ｜ ｜ ｜ 相位一样,那么天线
ｃ１｜ ｃ２｜ ｃ３｜ ｃ４｜ 最大增益方向就会
｜ ｜ ｜ ｜ 朝向左侧N度的位置
＼ ＼／ ／,这种做法,就如同
／ ＼
＼ ／
＼ ／
＼／
将5c2v同轴电缆接在><处,直接往后透过铁丝网引出
增益约有15dbi上下
水平波束角约60度到70度之间
利用PVC水管及木螺纹钉作为支撑骨架即可
若还要提高增益,可再加装导波环四组
＿＿＿＿
／＼ ＿＿＿＿Ｃ／Ｆ／４＊０。８＝１０ｃｍ
＼／
／＼
＼／
／＼
＼／
／＼
＼／
每个导波环置放于辐射体前方约18cm处细调之,至信号最强
至于为何要乘上1.01,主要是环型天线周长约略等于1.01~1.1波长时,虚数阻抗几近为零(天线谐振),此时其阻抗值约为100 ohm,我们看这种天线结构,刚好主要是两个环型并接,故可得到50 ohm的天线阻抗,虽然用在75 ohm的接收系统时,因阻抗不完全匹配,其SWR会稍高,但因为是接收系统,没有发射机,故不必担心因阻抗不匹配而损坏发射机,更何况加上反射板时,天线整体会呈电感性,阻抗也会增加,用在75 ohm的接收系统,不会有啥大问题..转载请注明出自中国无线论坛/,本贴地址:/thread-1871-1-1.html
L/ (C/F*0.66) * 360 = 1米/ (光速/300MHz * 0.66) * 360 = 185.5度..
而SHF因为频率高,一般市售VHF/UHF功率合成分配器(变压器结构)不适用,此时可以利用电缆来制作,大体上有两种方式,一是共振线法,一是迭接并接法,参考以下我以前写的网页:
/mysite/ch...ant-network.htm
辐射器使用一般1.0的PVC单心电线绕制
辐射体详图:
／＼
／ ＼
／ ＼
＼ ／
＼ ／
＼／ 此处交叉,但不短路
／＼
／ ＼
／ ＼
＼ ／
＼ ／
）（ 此处不交叉,形成 ＞ ＜,中央> <处接
／ ＼5c2v同轴电缆,同轴电缆中心导体接一边
／ ＼> ,外部导体接另一边<
＼ ／
＼ ／
＼／ 此 /\
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\/↑
至于所制作出来的天线大小,请各位以天线单边长来绘图想象一下吧....当初我所制作的那个拿来收台北数字电视讯号的4x含一组导波,印象中高近90 cm,厚近30cm (不做导波装置会薄很多),宽约30~40 cm忘了!故真要像照片那样做16菱形,则天线长宽各约. 1米,若想垂直方向迭接,天线将高达3米.....><"
我们以4菱形天线来看其动作原理..
假设馈电缆中心导体接天线右侧激励点" < ",外部导体接天线左侧激励点" > ",那么呈现在天线的高频电波相位如下:
０
／＼
↗ ↘
２７０／ ＼ ９０
＼ ／
↖ ↙
１８０ ＼／ ０
／＼
↙ ↖
２７０／ ＼ ９０
＼ ／
↘ ↗ 此处接同轴电缆中心导体,定义相位为0度
１８０ ）（ ０ 换言之另一侧相位就是180度,在经过四分
下图是运用在2.45 GHz的频率上,若要用在DVB-T的频带,记得
换算波长:
2.利用反射板:
作用原理如同碟形天线的碟子一般,如图
3.数个四菱形天线,利用功率分配合成网络,将每个天线的讯号合并在一起,在UHF带,因为有现成的分配合成器,且价位低廉,不像在SHF带那么昂贵,建议直接购用现成的分配成器即可,就如同将两个YAGI天线迭接一般,须考虑各个分支电缆长度,让每个天线所截收下来的信号,到达合并点时须为同相位,但因为４菱形天线的水平波束角相当宽,若想让天线最大增益方向不是在正前方时,可以增减各个分支电缆的长度,让在某方向的电波,经由各个天线接收下来到达合并点时能够同相..
中心频率为600MHz
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辐射器距反射板约8.2 cm细调之,至接收讯号最强
反射板到五金行购镀锌铁网来作
Po :发射机输出功率,单位dbm
Co :发射机电波馈送电缆传输损失,单位db
Ao :以接收者的位置观察,发射机天线在此角度的增益,
单位dbi ,通常发射天线增益会以最大增益方向角
度的增益值来标示,但是以广播发射站而言,会因接
收者位置的不同,相对于天线角度的不同,而呈现不
同的增益..
92.4 :真空传播衰减常数,若频率单位改用MHz时,常数
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＼｜ ｜／ 。 如此绕线就可以
＼＊／ ＼｜＼ 在同一平面上
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Cr :接收器传输电缆传输损失,单位db
以上式子是电波在真空中,理想状态下的传输,这里要特别提到一点是,式子中,似乎频率越高,传输衰减越严重,故有些文章会如此描述,但实则不然,式子中频率越高,衰减越多是因为天线的长度随着所使用波长的缩短而缩短,故等效截收截面积跟着缩减的关系,也因为是面积,故用20 log而不是10 log..
↗ ↘ 之一波长的单边长度,电波延迟移相90度,
／ ＼ 再经过四分之一波长单边长度,电波再移相
＼ ／ 成为180度到左侧,从图面箭头路径可知,从
↖ ↙ 上到下,所有天线激励均左右同相位,依天线
＼／ 收发等效原理,接收天线所截收下来的电波,
／＼ 在馈电点相位都一样,故波幅增加..
↗ ↘ 但因为实际环周长是比所使用波长还长,再
信号强度的差距,若排除天线频率响应的问题,主要是看转播站位置,距离及接收与发射天线的辐射涵盖图形,另直射波与反射波也会有所关系..
在无线电领域,基本的评估方式如下(理想状况):
Ri = Po - Co + Ao - 92.4 - 20 log D - 20 log F + Ar - Cr
Ri :接收到的信号准位,单位dbm
这里顺带一提,使用共振线法,因为频率不同,共振线长度就需要不同,故共振线方式只能用在窄频带..
而底下这张照片中的16菱形天线,就是利用迭接法将四组四菱形天线合并,故每两组天线的馈电点左右相反,而分支电缆长度都相同,故最大增益方向垂直于天线面,也就是朝向您的方向..
这个天线排列方式,其水平波束角相当窄,约在10~20度之间,若全部以垂直方式来合并如同下图方式,则水平波束角与原4菱形同,但垂直波束角约只有3度:
加装一组(四个)导波环,增益可达17dbi上下
加装导波环后,水平波束角会减小..
辐射器或导波环的骨架固定例(此处以导波环为例):
木螺纹钉
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网页中的数值,是以50 ohm阻抗的系统来举例, 75 ohm的系统也可用,只是共振线的取得较困难,尤其是1 to 2时,其共振线传输阻抗会是sqr(150*75)= 106ohm及sqr(37.5*75) = 53ohm两种数值,前者很难找到这样的电缆,后者倒是可以用rg58 (50~52ohm);而1 to 4及迭接合并法则没这样的困扰..
值则为32.4,因为20log F(Ghz) = 60 + 20log F(MHz),
同理,若距离单位改用公尺或英里,也是如此转换,
我个人是喜欢用92.4的常数..
D :接收点到发射点间的距离,单位公里
F :所使用频率,单位GHz
Ar :接收器天线增益,单位dbi但若发射站位置不在该天
线最大增益方向,记得扣除相对增益..
若再增加迭接数量,提升的效果非常有限..
若还要再提升增益,有几个方法:
1.利用导波板(四个环):
作用原理如同YAGI的导波器,在增加一组导波板时,增益约可
增加3db,在天线方向上再增加导波板数量,适当调整距离间格,
导波板数量每增一倍,增益多3db,而实际上如同YAGI的导波器,
并不到3db那么多,且有一定极限..
如下图,希望天线组增益最大方向是斜向左侧N度
同相位的位置
＼ ＼ ＼／ 各个天线所接收的电波相位,以最左边的
＼ ＼ ／＼ 天线为零度来当基准,则
＼ ＼／ ＼X = x / (C / F) * 360
＼ ＼ ／＼ ＼ｚ=电波路径长Y = y / (C / F) * 360
＼ ＼／ ＼ｙ ＼Z = z / (C / F) * 360
单一组(四个环)的不须特别做阻抗匹配,但要再合并多个时就需要..
这种利用两组环形天线并联,加上反射板的天线,记得好像是一位德国人发明的,因为效能良好,尤其是在UHF频带,制作也简单,水平波束角宽,且为水平极化,阻抗在50ohm附近,在UHF及微*注意*通讯的业余自制天线,常被采用..
一个环形天线的圆周长等于所使用波长乘上1.01~1.1时,处于谐振状态,且等长线段涵盖最大截面积是呈现圆形,在此状况下,环形天线有效截面比dipole大,故约比dipole天线多出1db的增益,已知标准dipole天线增益为2.15dbi,故一组环形天线增益约为3.15dbi,当将两组环形并接时,截面积增一倍,增益加3db,再加上反射板,将朝后的能量往前送,增益再增一倍,故双环形天线加上反射板,增益可达3.15+3+3 = 9.15dbi,实作上可以利用调整到反射板的距离,将波束集中一些,故可获得约9~12 dbi的天线增益;而四环形天线,环形数量比双环形多一倍,有效截面积多出将近一倍,故增益约可达12~15dbi..
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此天线很适合安装在墙面上或绑在水塔侧边..
若觉得您的接收讯号不佳,试试这个自制天线,我拿它在宜兰可以收到台北竹子山的讯号..
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由此式子我们也可以知道,距离每增一倍,在其它条件都不变的情况下,接收信号准位少6db,故距离增一倍,若要维持相同的接收信号强度,除了增加功率6db外,就是要提升天线系统Ao + Ar 6db..
这是理想状况的式子,在实际情况下,我们还会碰到障碍物所引起的绕射,反射等多重影响,这就用到"夫累聂"带的评估,这在以后有兴趣时,再来谈谈..
／ ＼ 考虑导体传送电波时应有的波长缩短因子,
＼ ／ 故实际上每经过单边长度后,电波延迟所呈
↖ ↙ 现的相位增加比90度还多,故像这样的迭
＼／ 接,以中心点起算到上下两端,以两个环形
(一共四个)为限,再多也提升不了多少增益,
且当以此天线为发射天线的立场观之,较大
部分的能量集中在靠近中央的两个环上,故
＼ ｜ ｜ ／ 相位数组天线一般..
＼ ｜ ｜ ／ 此处以c1的电缆出口
＋－－－－－－－－－－－－－＋ 为0度,那么c2相位
｜ ｜ 延迟就是-X, C3为-Y
｜ ｜C4为-Z,那么电波到
｜ ｜ 达合并器时,相位就
｜ ｜ 会一样..
另外要注意,一般VHF/UHF的功率合并分配器,其每组分支出口的相位有可能相差180度,譬如一分二(二合一),其两组输出相位可能刚好相反(视分配合成器的结构而定),须把此项因素考虑进去,通常的做法是若发现此种现象,将天线馈电点位置左右互换即可..
这里要注意的是,电波在电缆中传送的速度较真空慢,故利用电缆长度来达到电波相位延迟,须先查表得知电波在该种电缆的波长缩减比例,以RG58来说,这个值约为0.66,换言之, 300MHz的电波在真空中波长约为1M,该电波在真空中传输一公尺远的点,电压与原点同相,故利用一米长的RG58传输该电波,在电缆出口处的电波相位与电缆入口比较将会是
↘ ／↘ｘ ↘ ↘
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Ｏ Ｘ Ｙ Ｚ 所使用的电缆长度
－＋－ －＋－ －＋－ －＋－c1.c2.c3.c4 ,须让电
｜ ｜ ｜ ｜ 波传送到合并器时
｜ ｜ ｜ ｜ 相位一样,那么天线
ｃ１｜ ｃ２｜ ｃ３｜ ｃ４｜ 最大增益方向就会
｜ ｜ ｜ ｜ 朝向左侧N度的位置
＼ ＼／ ／,这种做法,就如同
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将5c2v同轴电缆接在><处,直接往后透过铁丝网引出
增益约有15dbi上下
水平波束角约60度到70度之间
利用PVC水管及木螺纹钉作为支撑骨架即可
若还要提高增益,可再加装导波环四组
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每个导波环置放于辐射体前方约18cm处细调之,至信号最强
至于为何要乘上1.01,主要是环型天线周长约略等于1.01~1.1波长时,虚数阻抗几近为零(天线谐振),此时其阻抗值约为100 ohm,我们看这种天线结构,刚好主要是两个环型并接,故可得到50 ohm的天线阻抗,虽然用在75 ohm的接收系统时,因阻抗不完全匹配,其SWR会稍高,但因为是接收系统,没有发射机,故不必担心因阻抗不匹配而损坏发射机,更何况加上反射板时,天线整体会呈电感性,阻抗也会增加,用在75 ohm的接收系统,不会有啥大问题..转载请注明出自中国无线论坛/,本贴地址:/thread-1871-1-1.html
L/ (C/F*0.66) * 360 = 1米/ (光速/300MHz * 0.66) * 360 = 185.5度..
而SHF因为频率高,一般市售VHF/UHF功率合成分配器(变压器结构)不适用,此时可以利用电缆来制作,大体上有两种方式,一是共振线法,一是迭接并接法,参考以下我以前写的网页:
/mysite/ch...ant-network.htm
辐射器使用一般1.0的PVC单心电线绕制
辐射体详图:
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＼／ 此处交叉,但不短路
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）（ 此处不交叉,形成 ＞ ＜,中央> <处接
／ ＼5c2v同轴电缆,同轴电缆中心导体接一边
／ ＼> ,外部导体接另一边<
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至于所制作出来的天线大小,请各位以天线单边长来绘图想象一下吧....当初我所制作的那个拿来收台北数字电视讯号的4x含一组导波,印象中高近90 cm,厚近30cm (不做导波装置会薄很多),宽约30~40 cm忘了!故真要像照片那样做16菱形,则天线长宽各约. 1米,若想垂直方向迭接,天线将高达3米.....><"
我们以4菱形天线来看其动作原理..
假设馈电缆中心导体接天线右侧激励点" < ",外部导体接天线左侧激励点" > ",那么呈现在天线的高频电波相位如下:
０
／＼
↗ ↘
２７０／ ＼ ９０
＼ ／
↖ ↙
１８０ ＼／ ０
／＼
↙ ↖
２７０／ ＼ ９０
＼ ／
↘ ↗ 此处接同轴电缆中心导体,定义相位为0度
１８０ ）（ ０ 换言之另一侧相位就是180度,在经过四分
下图是运用在2.45 GHz的频率上,若要用在DVB-T的频带,记得
换算波长:
2.利用反射板:
作用原理如同碟形天线的碟子一般,如图
3.数个四菱形天线,利用功率分配合成网络,将每个天线的讯号合并在一起,在UHF带,因为有现成的分配合成器,且价位低廉,不像在SHF带那么昂贵,建议直接购用现成的分配成器即可,就如同将两个YAGI天线迭接一般,须考虑各个分支电缆长度,让每个天线所截收下来的信号,到达合并点时须为同相位,但因为４菱形天线的水平波束角相当宽,若想让天线最大增益方向不是在正前方时,可以增减各个分支电缆的长度,让在某方向的电波,经由各个天线接收下来到达合并点时能够同相..