一个理想的小型发射环天线应该拥有和大天线相等
的性能，但是一个小型的环天线要达到这个性能，除非要尽量减少带宽，不过这个问题可以通过重新调谐来克服。这部分内容由 Robert T .( Ted ) Hart /W5QJR所写的资料改编和更新而来。
如前面所指出的，小天线的一个特征就是辐射电阻低。对于一个典型的小天线，比如短偶极天线，经常需要加上加载线圈以获得谐振，然而线圈固有的损耗会导致天线的效率低下，但如果用一个大的低损耗电容器取代线圈，再加上一个低损耗的导体以获得谐振，并且假设天线的导体弯曲以使两个末端能连接到这个电容器，就构成了一个环天线。
基于这个想法，相比于线圈加载的同类天线，小环是有能力得到相对高的效率。另外，当小环天线垂直安装时，在低频段所需的相当宽仰角范围内能有效辐射，这是因为它同时具有高仰角和低仰角响应。见图5-17,它给出了一个只有16.2英寸宽，工作于14.2 MHz 的小型发射环的仰角响应。这个环是垂直极化的，它的底部距离地面8英尺高，地面状况为导电率5mS/ m ，介电常数
13的一般地面。为了对比，图5-17也给出3个其他参考天线的响应一个是同样大小但侧翻放在30英尺高以产生水平辐射的小环天线；一个是全尺寸λ／4地网天线，安装在普通地面上8英尺高位置，使用了两根谐振长度的导线做地网；最后是一个高于平坦地面30英尺的简单 λ /2平顶偶极天线。这个相当小的发射环天线在10°仰角处相比大得多的λ／4垂直天线相差仅小于3 dB ，而在高仰角的地方则比 λ /4垂直天线强得多，因为它在高仰角的地方没有地网引起的凹陷点（零点）。当然，这个特性也使得它更加容易受到来自高仰角的强信号影响。顺便提及，有一个可能令您疑惑的情况是，增加更多的λ／4地网线，对于安装在8英尺高度的20 m 波段来说不会有多大性能上的根本改善。
图5-17中的简单水平偶极天线，在任何一个角度都是一个毫无异议的胜者，这是因为它的水平极化辐射不会像垂直极化波那样受到地面反射带来的很大损耗。不过对于小环天线水平安装在30英尺高度的情况，这个例子还说得不够清晰，虽然它可以在中等仰角范围提高一些增益，但由于需要安装在支杆上，并考虑到低仰角时垂直安装在高于地面8英尺的同样的天线仅有轻微的损失，所以并不值得去这样做。
物理尺寸上很小的天线，如16.2英寸宽的垂直极化环，相对于比它大得多的对比天线，确确实实能输出令人印象深刻的信号。尽管样子有些不好看，不过，举个例子，它比起许多移动鞭状天线的性能明显好得多。小型发射环天线主要的不足还是在它的工作带宽较窄，必须准确地调谐到它的工作频率上。使用遥控电机驱动可以使环天线在一个较宽频率范围上调谐。
例如，对于固定台站，可以用两个环天线，制作成可以提供连续覆盖3.5~30 Hz 频率范围。一个环制作成8.5英尺周长，16英寸宽，可以覆盖10~30 Hz ，另一个环为20英尺周长，72英寸宽，可以複盖3.5~10.1 MHz 。
表5-4给出 HF 业余波段的各种尺寸环天线的总结数据。通过计算机分析，考虑到性能与成本，最佳尺寸导体是3/4英寸硬铜水管。如果采用5/8英寸的软铜管，则性能会稍微折中，但这种管容易弯曲为任何所需形状，甚至圆形。3/4英寸的硬铜管做带有45°弯角的八角形环天线最合适。
环的周长应该在工作频率的λ／4到λ／8之间。超过λ／4时容易发身自谐振，而短于λ／8时效率迅速下降。在表5-4所给出的频率范围，高频率是用一个最小电容量值包括寄生电容在内一共大约29 pF 的电容器来调谐的。
表5-4列出的低频率是在环的响应下降大约10 dB 时的频率，并有一个适合于低仰角 DX 工作的升高的全尺寸的地平面的情况。图5-18给出的是两个环天线在3.5 MHz 仰角响应的叠加图，一个环周长是8.5英寸，一个环是20英尺。放在图中一起的还有一个全尺寸80 m 波垂直天线的响应曲线，由两根谐振地网线构成的地网平面高于地面8英尺。20英尺周长的那个环与全尺寸的地网天线相比，保持有自身的优势。与早期有人报道的相反，在垂直极化发射环天线下方增加／4的地网线并没有实质性地提高环的效率，但是，构成发射环天线的导体尺寸，却确实直接影响环性能的儿个相关指标。表5-4的数据是以3/4英寸的铜水管（就是0.9英寸的外径）来计算的。记住在周长接近λ／4时，环的效率较高，但Q值较低。更大尺寸的管子可以减小损耗电阻，但同时Q值也升高，因此它的带宽变窄并且调谐电容器上的电压会升高。倜谐电容器上的电压对于大功率工作时变得十分突出，如表5-4所示的3/4λ使铜水管是一个在电气性能上很好折中又可以使制作成的小直径环结构稳固的材料。环的等效电气电路是一个很高Q值的并联谐振电路，因此带宽窄。它的效率是辐射电阻除以辐射与损耗电阻之和的函数。辐射电阻比1Ω还低很多，所以需要尽量降低影响很大的趋肤效应带来的损耗电阻，而调谐电容器的损耗通常非常低。要避免简单粗糙的结构制作，所有环上的连接点都要采用铜焊或焊接的办法。然而，如果系统的损耗过分低也不是完全好事。例如，采用直径非常大的管子，其Q值就会非常高，那么带宽对于实际使用要求而言就太窄了。这些原因说明在动手加工环结构之前应该进行一个全面的分析。在一个完整的环天线中，除了导体和电容器的损耗，还有一个额外的损耗引入，假设环是安装在靠近有损耗的金属体的地方，发射产生的强大磁场会将电流导入这些金属体，并被反映为环的损耗。因此环天线应该尽可能远离其他导体。如果您在一个用大量钢材或类似铁质材料建筑的屋子里面使用环天线，而又没有办法将环天线安放到其他地方的话，您就只好与损耗活在一起了（就是说到处都会带来损耗）。图5-19示意了对于 HF 业余波段任何给定的频率范围时，调谐电容与环尺寸的选择，这里指采用3/4英寸铜水管，弯角为45°的八边形环天线。举个例子，电容器可以从5 pF 变化到50 pF ，环的周长为10英尺，那么就可以从13 MHz 调谐到27 MHz （图中靠左那段垂直的黑线）。如果一个25~150 pF 的电容器配上一个13.5英尺周长的环，则可以覆盖7~14.4 MHz 的频率范围，如右侧那段垂直黑线。图5-20说明了一个10英尺周长环天线在29 MHz 仰角辐射图是如何被变形为更像冠状的样子，尽管在低仰角上的响应依然比全尺寸的地网天线好。如果使用的是空气可变类型的调谐电容器，需要非常细心。使用叉开定片组的电容器可以减除转动接触电阻，这个电阻是电容器各单个部分所固有的。环的两个接线端都连接到定片组上，而动片部分与各个定片组构成可变的耦合路径。这种接法的电容值只有原来的一半，但电压耐压值可以提高1倍。对于发射环天线的应用，您必须认真地挑选可变电容器，也就是所有的板极都必须采用焊接，不允许有机械连接的板极。比方，在定片组中各个板极不是采用焊接方式，那么在每组连接点都存在损耗，从而降低环的效率（早期的发射环天线表现出很差的性能也是因为使用了旋动的接点造成的）。对于这里的应用，也有几种比较合适的电容器，真空电容器是一种非常好的选择，可以选择到足够高的耐压值，不过可借的是这种电容器非常昂贵。W5QJR在他的设计中使用一个经过特别改装的空气可变电容器，每组具有高达340 pF 最大电容值，1/4英寸的间隔，当两组串联为一个蝶型电容器时可以得到170 pF 电容值。还有另外一种可以获得大的空气可调的办法，将铝片拆掉，换为铜片或双面 PCB ，以减少损耗，将转轴上以及定片的所有板片各自连接一起，用铜带将电容器和环本身焊接起来。空气可变电容器上各个板片之间的间距决定了它的耐压能力，每英寸间距大约可承受75000 V 电压。对于其功率容量，通过将你所需功率与1000 W 的比值的方根值，乘以间距（或电压值）就可以算出。比方，100 W 的功率，比值就是0.316。另外有一种在业余讲座中提到的，用于小型发射环天线的可变电容器，是被称为所谓的“长号式”电容器。图5-21给出了 QST 杂志1994年11月 Bill Jones /KD7S所创作的一个实用长号式电容器结构。它使用了朝下延伸的两段3/4英寸外径主铜管，用1/2英寸外径铜管套上一段聚四氟乙烯材料作为长号柄部分，长号柄部分滑进主铜管，用一个180r/ min 转速带齿轮的电机和直螺杆作为驱动，就像蝶型空气可变电容器一样，这个长号式电容器也没有接触上的损耗问题。Jones 所制作的电容器可以从12 pF （包括寄生电容）变化到将近60 pF ，非常适合于他的3英尺周长的环，100 W 功率下可工作在14~30 MHz 范围。KD7S用了 5mil (0.005英寸）厚的聚四氟乙烯片作为绝缘片，由于聚四氟乙烯每密耳厚度耐压可以超过1 kV ，所以这个电容器的击穿电压可以超过5kV，相关材料列于表5-5中。用一小段塑料管将铜螺杆接到电机上，它作为绝缘和弹性耦合，以容许转轴安装偏差，达到顺利转动。螺杆的另外一端旋入一个焊在支撑1/2英寸铜管的交叉部位上的螺母里。Jones 使用的是12 V 时180 r / min 的电机，但实际上用4 V 电压也能产生足够扭力。这里不需要复杂的可变占空周期的速度控制电路，他只是采用了一个LM327可调稳压芯片来改变电机的电压从4~12 V 即可。调谐速度从12V电压时的每英寸11 s ，到4V电压时的每英寸40 s 。低速使得可以在一个波段内任何所需的频率上很容易精确微调电容值。制作电容器的时候，需要注意较小直径的铜管要能够平滑地套进较大直径的管里面，任何摩擦阻塞都会引起调谐过程不稳定。同样的道理，#8-32铜丝杆也要正直和刚好配合铜螺母，这些地方都需要您仔细花点功夫。制作绝缘片可能最容易的办法是先裁剪一段合适尺寸的聚四氟乙烯薄膜带，在铜管上粘上一小段双面胶带，并粘住聚四氟乙烯薄膜带的一端，然后将薄膜带沿着铜管尽可能紧密地缠绕，注意不能有褶皱或疙瘩，最后用另外的双面胶带粘好固定。两边的铜管都绕满后，要确保可以刚刚好地放进较大直径的綱管里，并且绝缘层与小铜管的伸开的那端要完全交叠在一起，不然的话，加上儿瓦特的功率就可能引起电容器内部打火。将电机引线放在天线管子里面可以尽量减少天线里面存在金属物体，将引线从同轴电缆旁边一起引出。用3根线连接限位开关就可以对长号柄部分的运动范围做一个限制。要确保将电容器的所有金属部件都是焊接一起，可以使用一个小型的丙烷气焊工具，高质量的焊剂和50/50固体焊料来完成这个工作。不要使用含酸性助焊的焊料！要先用钢丝绒对所有焊接部位进行清洁然后再涂上焊剂。在 ARRL Antenna compendium 第2卷中， Richard Plasencia / WORPV 描述了一个巧妙的高压可变电容器，他用唾手可得的材料完成这个制作。见图5-22,给出了 Plasencia 自制的高压可变电容器照片，以及他的自制天线耦合器所用到的线圈和其他部件。这个电容器可以从16 pF 变化到542 pE ，实测的击穿电压为12000 V 。这个电容器安装在4个 PVC 小柱子上，由两片4½ x 4½英寸的铝板，用一块8½X5½英寸大小的窗玻璃隔开后组成。玻璃下面的铝板使用环氧胶粘在玻璃上，上面的铝板可沿着粘在玻璃上面的木质槽轨里自由地移动。电机可以正反方向通过转动螺纹杆来移动上面的电容板极，螺纹杆旋入固定于上方电容板极上的蝶型螺母。4个小支柱用 PVC 管切段而成，用于隔离电容器与底盘，并将电容器提高到电机转轴一致的高度。 W0RPV 使用了一片0.063英寸厚的玻璃，介质常数为8，他从一个钱币收藏相框拆下这块玻璃。按照业余无线电爱好者流行的仿古做法，他即兴给上方的电容板极用木质的油漆搅拌棒制作了一个木槽轨，并且用铝“饼干片”作为电容器的两个板极。用于上板极的木槽轨，制作时将木质的油漆搅拌棒用刀子劈开成一窄条和一宽条，窄条粘牢在顶上并悬于可移动的板极上，形成一条槽轨。由于木条是被玻璃板所支撑，所以其绝缘性能并不重要。工作原理非常简单，可反转的电机转动一根1/4英寸大小的丝杆，每英寸20丝的密度，丝杆与固定在可移动电容片的蝶型螺母接合。虽然 WORPV 将电容器的移动板极用金属编织带接地，但还是应该像上面制作长号式电容器类似地将丝杆传动绝缘。几段从 RG -8电缆屏蔽网剥下制成的编织带，可应用于连接小型发射环导体的两端，使连接点低损耗。 W0RPV 使用了一个从旧机器拆下的90r/ min 转速的电机，来移动两边41/2英寸的可变电容器板极，从一端移动到另一端大约需要1分钟。由于他希望减少复杂性，以及考虑到室外使用时限位开关的不稳定性，他通过串入在电机每边引线的两个3Ω,2 W 的电阻，并且将电阻并联到位于控制盒上的红色 LED 灯，来监测电机的直流电流。当电机由于 PVC 柱限位的干预或内部塑料安装盒卡住而被迫停转时，电机电流的增加就会使其中的一个 LED 灯亮起。在您为环天线应用上选择好电气性能设计方案后，您就要考虑如何安装以及如何馈电的事情。如果您只希望覆盖10~20 m 的 HF 的高波段，您可能会选择一个周长大约8.5英尺的环天线，用1英寸直径的 PVC 管和5/8英寸的软铜管弯成圆形来制作一个相当牢固的环。Robert Capon /WA3ULH制作了一个 QRP 用的发射环天线，在1994年5月份的 QST 杂志上做了描述。图5-23给出他的环天线照片，里面还有一个 PVC 做的 H 形支架。这个环的设计采用了一个20英寸长， RG -8同轴电缆制作的耦合环，将能量磁耦合进发射环，而不是像W5QJR在他设计中采用的伽马匹配的办法。耦合环用2英寸长的8号（#8）螺栓锁紧到 PVC 管框架上，同时也将主发射环固定到支杆上。另外也可以如图5-24中W5QJR设计那样的结构，用硬的3/4英寸铜水管制作一个稍微粗糙点的环，虽然圆形的环理论上效率要高一点，但八边形状则更容易制作，表5-4也给出八边形的环制作数据。给定环的周长后，将它除以8，并按照这个值截取8段等长的3/4英寸铜水管，用45°弯角将各段接起来构成八边形，将环平放在地面，用铜焊或其他的焊接方法将所有连接处焊牢。
W5QJR用一个干净的塑料板制作成安装可变电容器的盒子，盒子安装环和电容器的那一面应该至少有1/4英寸厚度，最好3/8英寸，其他面用1/8英寸厚的塑料板就可以了，将铜管中间切开2英寸宽缺口后，用1/4英寸的螺栓（中间两侧各两个）将环安装到塑料板上，在电容器接电机的一侧，他将铜管子再切开个缺口，并安装一个铜 T 形三通头，用于电机的走线。下一步，W5QJR将铜带焊接到环的接端以及电容器接片上，然后重新将环安装到塑料板上。如果在管子里塞个木销，锁紧螺栓时管子还可以保持圆形不变。接下来他将电机引线穿过环并接到电机上，用天线旋转器的电缆线来当这个引线就非常合适。塑料盒子各面板子的连接可以用短角铝和小金属螺丝钉来完成。
此时，环天线就可以垂直竖立起来了，要记住周围不能有其他金属物。W5QJR制作了2英寸x4英寸方木条的撑杆，在两侧固定有1英寸X4英寸的木板，构成 I 字型部分，木板用1/4英寸的螺栓锁在一起，离开它2英尺，用绳子拉到顶端。这样可以制作一支达50英尺高的很好的撑杆。杆的高度应该比环的直径高出1英尺，以在环下面腾出空间方便割草或除杂。W5QJR在撑杆的顶端安装了一个滑轮，可以通过绳子升降环天线。将环的底部用绳子系到杆上，另外还用拉绳栓到环的侧边，以避免环在风中摆动，而通过移动在地面的锚，就可以在水平方位上旋转环天线。W5QJR用软的1/4英寸铜管做伽马匹配，将环耦合到传输线。在环其中一边的中间，将铜管切开，装一个铜 T 头，邻近 T 头的地方安装一块安装片，用于装电缆连接器，这个安装片可以用铜带做成。铜带用一段铜管锤平整即可。
由于环是垂直位置安装，W5QJR裁剪了一段1/4英寸的软铜管，长度等于环的一个直边长度，将其中一端打平，另一端焊接一小段软导线。用电胶布将这个管子缠裹起来做绝缘，将软导线接到同轴连接器，然后把这段软铜管沿着环的内侧用胶布临时安装上。将打平的部分焊接到环上，并翘起来形成一个伽马匹配，不用加其他电抗元器件。这个简单的馈电方式可以在2:1频率范围内提供优于1.7:1的 SWR 。考虑到安全方面，他在环下面打了一支接地棒，并用粗的软导线连接到电缆连接器的
接地引出片上。
5.1.10调整步骤
环的谐振频率可以很容易地通过将接收机设在所需频率，然后旋转电容器（通过遥控）直到信号最大的办法找出来。由于环的高特性，峰值将是很尖锐的。
打开发射机处于调谐频率方式，调整发射机频率或环的电容器使场强仪指示最大信号，或者使 SWR 电桥指示最大的前向指示功率。通过弯曲匹配管的程度来调节匹配网络使 SWR 最小，通常是在1/4英寸匹配管弯一个小的驼峰状，如图5-24所示，就可以获得需要的结果。对于需要覆盖两个或更多波段的环天线，在调谐范围内的两个末端频率上，调整馈电匹配棒以获得相等的较低 SWR ，那么在调谐频率范围的中部 SWR 就会很低，两端则会升高。如果在环天线附近有金属物，附加的损耗将降低值以及环的阻抗，在这种情况下，需要加长匹配线的长度和将匹配线距离环导体远一些，以获得50Ω的匹配。如前面指出的，一个小型的发射环天线可以提供接近全尺寸的偶极或垂直天线的性能。为此，举个例子说明，一个100英尺周长的环在1.8 MHz 工作频率时需要30英尺高，而一个能良好工作的偶极天线将是240英尺（λ/2）并且至少需要120英尺的高度（λ/4)。一个λ／4的垂直天线有120英尺高，并且需要许多地面上的接地线，每根都有120英尺长度。所以用一个更小的环天线可以替代那些天线，而在性能上仅仅是中等的下降，另外还需要一个高压可调电容器。在较高的工作频率，可以用同样的比率，但全尺寸的天线就没有那么引人注目了。不过很少有居民可以竖立一根性能良好的带有全尺寸地网的垂直7MHz天线。即使在14 MHz ，一个3英尺高的环天线也可以通遍全世界。除了小尺寸带来的代价是窄的带宽和需要高压电容器外，这种小型发射环天线确实是个优秀的天线，可以在无法实现架设大型天线的地方派上用场。
本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请
点击举报。
