本文译自巴苏Basu (VU2NSB)的文章。原文链接：https://vu2nsb.com/understanding-antennas-good-bad/。文章从多个角度讲述了如何对天线好坏进行评价。
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了解天线——是什么让它们好或坏?
有些天线是好的，有些是坏的吗?许多人似乎是这样认为的，但这种观念并不完全正确。任何这种非黑即白的二元分类都不是评估天线的方法。事实上，所有设计为有效辐射射频能量的天线通常都有自己的长处。
但我承认，操作者对特定类型天线的使用经验可能是好的，也可能是坏的。但这并不意味着问题出在天线上。通常情况下，使用者在选择天线或天线部署方式时做出的判断会产生很大的影响。除非所讨论的天线在技术上设计不佳，无法产生有效辐射，或者用于制造天线的结构材料的抗损耗性高于抗辐射性，否则天线没有理由无法完成委托给它的工作。
因此，如果情况确实如此，为什么有些天线表现出色，而另一些天线则不然呢？...这正是我将在本文中阐述的内容。在继续之前，我们先来区分天线本身和完整的天线系统。我认为天线通常并不坏，但天线系统作为一个整体可能是好的或坏的。这两者有什么区别？...天线是最基本的辐射器，包括所有有源和无源元件。然而，天线系统不仅包括天线，还包括其传输线路馈线网络及其部署生态系统。理解这种区别对于我们理解我们在下文中将要讨论的内容非常重要。
让我们理解，天线一方面可能适合或不适合某种应用。另一方面，它们使用起来可能方便也可能不方便。然而，一方面，天线系统可能是高效的，也可能是低效的，而另一方面，如果部署谨慎和尽职调查，它们可能是好的，但如果部署不当，它们可能是坏的，甚至是可怕的。
最重要的是，我们的大多数天线问题不是由于天线本身，而更多的是由于我们缺乏了解，为应用程序选择了糟糕的天线，甚至更多的是由于没有足够的思想投入到优化和选择安装和部署环境中。
天线-适合或不适合
首先，我们要说的是，并非所有类型的天线都适用于每种通信应用场景，也不总是适用于每种部署环境。我将尝试通过几个简单的例子来解释这一点。
通常，天线的辐射方向图决定其是否适合特定的工作。虽然辐射波瓣形状（尤其是仰角）通常取决于天线的安装方式和位置，但特定天线固有的波瓣图几何形状也发挥着重要作用。例如，具有高仰角波瓣的天线将以较高角度向天空发射大部分射频能量，因此更适合使用电离层反射的高频波段短跳跃中距离通信。在大多数情况下，这反过来会导致长距离DX性能受损，因为对数跳跃所需的低角度辐射能量会少得多。
其次，典型的天线可以垂直或水平定向，从而分别导致垂直极化或水平极化。几何方向以及随之而来的极化可能对通信性能产生不利或有利的影响。例如，垂直天线通常会在仰角为90°时在垂直方向产生一个相当深的零点。因此，由于辐射波瓣几何形状的锥形形状，天线在高角度下的增益会非常差。这意味着垂直天线对于短距离和中距离高频无线电电离层跳跃通信来说可能相对较差。但是，表面波（通常称为地波）在较低HF频段的传播可能会因垂直极化面波覆盖范围比水平面波覆盖范围更广而得到增强...这还不是全部...垂直天线的噪声可能比水平天线的噪声更大，因此容易受到接收机局部区域较高QRM的影响。
因此，我们可以看到，天线的适用性取决于几个因素。上例是关于垂直天线的。水平天线怎么样？他们也有自己的特质。首先，与通常具有其整体接地面系统并具有更好的固有低仰角性能的垂直天线相比，水平天线通常将取决于其在地面上的相对位置来确定其仰角。辐射波瓣的数量、位置和角度不仅会随地面而变化，而且对于水平天线，在特定的部署高度下，天线将向天空垂直辐射大量射频能量。如果天线用于DX通信，则可能会被视为浪费能源。这将发生在地面以上波长的整数倍处，例如3/4λ。
此外，许多业余无线电操作人员还存在另一个常见的误解，即更大的增益和更大的天线保证比更简单的低增益天线提供更好的性能。然而，这并不总是可行的。这在很大程度上取决于部署条件。当可能存在空间或其他限制时，较大（较高增益）天线可能并不总是合适的。更简单的天线可能更合适，因为有时它的性能可能优于较大的天线。请阅读我的文章“为什么天线高度可能比增益更重要”，了解详细解释。
在水平天线系列中，某些天线的噪声可能比其他天线高。例如，水平偶极子或八木天线可能比三角圈或菱形四边形的噪音要大。这是因为偶极子或八木天线元件是开放的，其端点间隔很远。因此，这些天线上的静态噪声更高。我们为什么要强调天线噪声？这是因为它是影响广播电台网络性能的一个因素。对于相同幅度的接收信号，如果噪声越高，信噪比（SNR）就越差。换句话说，天线向接收器有效提供可读信号的能力减弱，导致电台性能下降。
让我们继续看其他示例，展示一种天线在特定情况下可能适用，而另一种天线可能不适用。现在让我们把重点转向甚高频/超高频无线电。虽然水平极化天线用于SSB、CW和其他相关模式，但标准做法是将垂直极化用于FM VHF/UHF。调频是城市范围内VHF/UHF短距离通信的常用调制模式。业余无线电爱好者和其他服务机构广泛使用甚高频调频无线电。它们可能是安装了天线的基站，也可能是车载移动无线电或手持式（HT）便携式设备。
在城市范围内的几乎所有移动或便携场景中，建筑物和其他结构所造成的城市杂乱问题有时是不祥之兆。VHF/UHF的无线电信号无法很好地穿透建筑物的多个街区。因此，唯一可行的传播方式是从大城市的一个地方传播到另一个地方，通常是通过沿城市天空景观的建筑物顶部的衍射现象。查看我的文章《地面甚高频无线电信号覆盖——视距》（原文链接：https://vu2nsb.com/radio-propagation/free-space-propagation/vhf-radio-signal-los/），了解关于这个过程的详细讨论。
现在，请看下面的插图，它突出了上述情况下天线的作用、适用性和选择。在街道水平或任何远低于周围建筑物(障碍物)高度的地方运行的车辆或HT便携式设备上的天线不得是低起飞角度天线。
该图试图描述安装在大城市中运行的车辆上的甚高频移动天线的情况。本图的目的是展示两种不同类型天线辐射发射的差异。垂直共线天线具有较高的增益，但较低的起飞角与其他四分之一波长垂直天线相比。虽然如果将较高增益的V-共线式天线安装在城市天际线上方的高度，对于长距离覆盖来说是最理想的，但由于市内VHF通信主要依赖于建筑物顶部的衍射，起飞角较高的垂直四分之一波可能更好适用于城市中街道上的移动或便携式无线电。
在无线电接触不良或无法这样做的情况下，一般的趋势是增加TX功率或选择更高增益的天线。TX功率的增加对我们有利，而在典型的移动或便携式环境中增加天线增益可能会适得其反。
高增益移动天线不适合在城市混凝土丛林中使用的原因是，这些天线需要保持全向，但产生更多的增益。这只有在辐射瓣被垂直压缩以产生更平坦的甜甜圈形状时才有可能。因此，天线获得了较高的增益，但仰角较低，大部分辐射能量集中在较低的仰角。
这不就是我们一直想要的吗?每个人都说低仰角有利于远距离通信。这不是真的吗?像垂直共线天线这样的高增益低仰角天线不是更好吗?…好!不总是……至少，在我们目前的情况下不会。
当一个低角度、高增益天线安装在离地面较高的位置，这样就能获得相当清晰的地平线视野时，就会产生奇迹。这是每个DXer的梦想。然而，在我们的情况下，当天线几乎与街道平齐且周围都是高楼大厦时，这种情况会完全改变。上图无需说明。垂直共线（低角度）天线发射的大部分射频能量会冲击周围的建筑物。为了穿透多堵墙，信号迅速衰减并丢失。另一方面，增益相对较低但仰角稍高的天线，例如简单的1/4λ垂直天线，其大部分辐射能量将以较高角度发射。因此，相当一部分发射功率将到达附近高楼的顶部。此后，信号将绕着屋顶的边缘衍射，继续在空中传播，到达通信电路的另一端。这就成功了！
总结一下我们到目前为止讨论的内容，我们必须认识到并非所有天线都适用于每种应用。尽管特定类型的天线可能具有更高的增益和其他出色的特性，但可能并不适用于所有应用。其适用性完全取决于手头的任务。我们最终需要做出明智的选择。
天线-方便还是不方便
下一个需要关注的因素是天线是方便还是不便。这可以通过多种方式进行评级。它是在结构上不方便还是在操作上不方便？
由于其尺寸和形状，结构上的不便可能会导致部署困难。在特定位置部署某种类型的天线可能更方便，而部署其他天线可能非常困难或不方便。在许多情况下，类似的不便可能延伸到定向天线上。它们需要与旋转器一起安装在高架塔/桅杆上。这需要在所有方向上都有足够的空间。还可能存在与塔架安装相关的其他后勤问题等。
这是一个相对不便的例子，对于没有经验的无线电爱好者来说，设置天线是很不方便的。与简单即插即用的偶极天线、倒V形天线等更为方便的天线不同，图中的天线是多频段双天线，需要使用平衡线馈线驱动相当长的长度。为了达到最佳效果，整体安装更加复杂。这张图片不仅显示了天线，还显示了振子和传输线上的电流分布。还给出了辐射波瓣图。
另一个因素是操作不便。这通常与此类天线的部署和操作的相对复杂性相关。通常，这种天线可能一方面看起来操作不方便，另一方面却在性能方面表现出色。然而，由于这些天线相对较高的程序复杂性和操作不便，许多无线电爱好者在尝试使用它们时最终陷入混乱。最终，他们往往无法从这些天线中获得真正的益处。最终，他们可能会幻想破灭，宣布这些天线没有用处。
因此，许多很棒的天线都属于这种操作不便的类别，这就要求电台操作员在使用天线之前对天线有更深入的了解。然而，这并不意味着这些天线不好或表现不佳……只是对于一个不希望花时间去熟悉和了解它们的业余无线电操作员来说，它们可能在操作上不方便。
例如，双工天线或多频段W8JK双向天线。这些天线是一流的天线，可提供出色的性能，但需要小心安装。天线系统不仅由天线组成，还由相关的传输线路组成。与快速连接同轴电缆的常规天线不同，这种天线在操作和部署方面需要更多技巧。例如，对于非谐振多频段天线，传输线路上的驻波比几乎总是很高。只要传输线路损耗非常低，这一点就完全可以实现。SWR本身通常不是问题。电缆损耗系数是主要问题...与流行的看法相反，SWR本身并不是一个真正的问题。只要线路具有低固有衰减特性，并且能够处理所需的电压和电流，我们就可以在传输线路上实现性能出色的高驻波比天线系统。
为了减轻或几乎消除高驻波比的不利影响，传输线必须是损耗非常低的平行开路线。然而，这样的传输线也有缺点。它们不能像同轴电缆那样旋转、扭曲或卷起。它们也不能通过孔洞、管道或沿建筑物的墙壁或地板随机布线。这些都是不可接受的。明线射频传输线必须与所有物体（包括墙壁等）保持良好的距离。它们不能在急弯处使用。它们需要较大的半径来改变方向。此后，这些天线在收发器端附近需要良好平衡的ATU。并非每个人都喜欢遵守这些要求。尽管这些天线是最好的天线之一，但许多在未进行充分尽职调查或研究其工作动态特性的情况下就尝试使用这些天线的人最终都表现不佳。
G5RV是另一款出色的线形天线的一些现代的、过于简化的变体，它们在互联网上随处可见，但这完全错了。他们倾向于直接从G5RV天线馈电点连接的同轴电缆。G5RV天线和我上面提到的其他天线一样，在大多数频段上也是非谐振的。因此，与原始设计一样，它需要低损耗的开路线或窗线，但显然不需要同轴电缆。大多数同轴电缆G5RV的作者声称他们可以在收发器上获得一个可管理的SWR...哦，是的！当然，他们做到了。从天线使用长距离同轴电缆时，它们会降低驻波比，因为电缆损耗过大。同轴电缆损耗过高是没有用的。如果大部分发射功率都以热量形式在长同轴电缆上损失，那么在TXR端实现合理的驻波比又有什么意义呢？想想看...
所以，就像我之前说的，有方便的天线，可以设置和运行没有太多的麻烦，而有其他天线，可能看起来不太方便，对外行人来说，但他们是伟大的天线，是一个愉快的工作。
天线系统-高效或低效
到目前为止，我们已经单独讨论了天线。现在，让我们把注意力转向完整的天线系统，其中还包括传输线，任何其他馈点或TXR端接口电路等。虽然，就像我之前说的，天线本身不是很好，但它们大部分都很好。然而，天线系统作为一个整体可能是好的或坏的(或者可能是差这个词)。天线系统不好通常是安装系统的人的错。
在我们讨论好与坏之前，让我们简要地看看为什么一些天线系统比其他系统更有效。导致天线系统效率低下的原因可能往往是决定系统整体好坏的一组属性的一部分。
天线系统的低效率可能源于多种因素。其中一些主要的问题是结构材料的选择不正确，过于接近地球表面或其他射频吸能材料和结构，或者如果由传输线驱动，在操作频率上产生相当大的损耗，则在天线馈电点处具有显著的阻抗不匹配。
许多操作人员在室内使用ATU等阻抗匹配装置时，往往会产生错误的松弛感，因为他们通常认为，使用ATU后获得的低驻波比可以纠正所有阻抗不匹配问题。不幸的是，这远远不是真的。即使在使用ATU使收发器获得良好的匹配效果后，传输线路上通向天线的驻波比以及相关功率损耗将继续保持不变！...ATU没有解决核心问题，它只会让收发器相信一切都很好，而实际上并非如此。该问题只能通过在天馈系统设计层面解决。
由于传输线和相关的驻波比而导致的低效率有时会发展到无法接受的程度。在HF无线电频率下，我们通常不会受到影响，尤其是在较低的频段上，但在VHF/UHF频段上，除非仔细设计天线系统，否则同轴电缆传输损耗可能会成为交易的障碍。请记住，频率越高，电缆损耗就越高...最糟糕的是，高电缆损耗经常会在天线系统的收发器端制造一种驻波比低的假象，从而掩盖其不利影响，从而使许多毫无戒备的无线电爱好者误以为一切正常。这是无线电通信中许多误读测量结果的陷阱之一。看看我的文章，低驻波比是否能确保天线设置良好？在那篇文章中，我对这一主题进行了更详细的阐述。
在天线的近场区域（也称为感应区域）,RF能量尚未完全转换为电磁（EM）波。在天线周围的这一邻近区域中，如果存在任何其他具有有利于信号吸收和/或再辐射的导电性和介电常数的物体，最好的情况下通常会开始扭曲天线特性，最坏的情况下会造成破坏。这就是为什么必须注意天线结构周围有足够的间隙的原因。在天线周围至少应保持1/2λ或更远2λ距离，远离其他物体，如建筑物、墙壁、屋顶、地板、管道、架空线或地下电线等，包括地下地表。在VHF/UHF频段，由于波长较短，这一要求可能微不足道，但在HF频段，尤其是在较长波长的顶部频段，这可能会成为噩梦。天线附近此类物体的相互作用和射频吸收可能会显著导致其效率低下和性能不佳。
这是一个众所周知的宽带高频线天线的T2FD型的例子。对实际天线的结构损耗、总效率、辐射效率等进行了描述。天线部署在20米高频波段，放置在平均质量的城市地面上，土壤电导率和介电常数与人们在普通现代城市中可能期望的非常相似。
造成天线系统性能不佳的另一个主要因素也是天线靠近地球表面。这种效应通常会对高频无线电通信活动造成损害。这种效应的破坏性可能更大，因为它可能会让业余无线电爱好者认为自己的天线天生性能很差，甚至更糟，让他们得出“无线波段已死”的错误结论......查看我的文章《为什么天线高度比增益更重要》，这是一篇关于这个主题的简短讨论，我试图解释为什么一个离地面不够高的天线可能是一个聋天线，尤其是当太阳活动周期活动较低且SSN位于较低的一侧。
业余无线电操作员在低SSN时在高频波段所面临的大多数实际问题可能归因于他们在低辐射角时的低辐射性能。这主要是由于天线离地高度较低造成的。那些在高楼顶部安装天线的人经常被误导，认为他们可以将建筑物的高度视为天线总高度的一部分...虽然在某些情况下，建筑高度可以为我们提供优势，但并非总是如此。因此，对于增加的建筑高度，我们可以略加保留。你可以在我的文章《城市天线的高度的事实和神话》中找到更多关于这个问题的信息。
另一个可能是天线系统低效最明显原因之一的因素是结构损耗。这可能是因为材料选择不当，包括天线的导电元件或支撑天线结构所需的各种绝缘材料中的一个或全部。元件损耗以及绝缘材料吸收能量造成的损耗，在决定天线系统的整体效率方面发挥了不利作用。当天线阻抗的等效损耗电阻分量开始增长，并与其辐射电阻相比变得显著时，效率开始下降。其他形式的损耗因各种原因而产生，例如每单位长度的传输线路损耗、线路上高驻波比造成的额外损耗，加以阻抗转换损耗以及平衡-非平衡转换器、ATU等匹配单元带来的损耗，所有这些损耗都会累积到天线系统损耗中。
因此，由于上面提到的几个原因，天线系统可能对我们的目标是有效的或低效的。
然而，在业余无线电台的标准功率水平下，天线的效率并不总是能打破常规。从几瓦的QRP到100-200W的常规功率水平运行不会造成严重问题。然而，在1 KW或更高的合法功率下，始终需要谨慎地优化天线系统效率。
天线系统的效率到底有多低？这是一个价值百万的问题...如果低效率是由于安装天线的人的无知、无能或鲁莽所造成的，我甚至不会去猜测，因为这可能会非常可怕。另一方面，一个典型的、实用的现实天线的效率可能从高达98%降到很低。
T2FD天线是一款非常不错的宽带（多频段）天线，它有几个很好的特性，包括它的变体T3FD天线，这些天线的效率都很低，但它们确实很好。啊！那么，他们的效率大概是多少呢？在某些频率下可能低至50%，这意味着大约3 dB的损耗...天哪！这难道不意味着发射机的一半功率丢失，只有一半功率被辐射出去吗？没错，这就是它的意思...但幸运的是，从典型的实际无线电通信场景的角度来看，损失一半的功率并不严重。3 dB的损耗相当于远端接收站的信号强度下降约1/2 S单位。3 dB的损耗意义不大，除非您在最困难的弱信号条件下工作，信噪比最低，通信链路能力已达到极限。除非是这样，别担心了...
请记住，如果人们可以使用（所谓的）像Isotron这样的天线，顺便说一句，它的典型增益可能低至-20 dBi，这意味着损耗可能高达20 dB，那么损耗为3 d B可能不会破坏交易。让我们来了解一下这意味着什么，20 dB的损耗将导致无线电台每100瓦中只有1瓦的功率用于传输。在接收时，接收到的信号比典型的1/4λ垂直天线弱3-4个S单位，或者比安装良好的简单谐振线偶极天线少5个S单位...
如果是这样，为什么这些天线还能工作呢？答案是，当HF无线电传播条件非常开放时，即使在数千公里的DX范围内，我们也不需要100W的功率来建立可靠的通信。我们可能只需要几瓦，或者1W或更低的功率，这意味着发射机的输出功率将减少20 dB。这就是QRP爱好者的工作方式...我们中运行100W或更高功率的其他人，通常这样做是为了为通信链路提供巨大的SNR缓冲，同时也是为了继续忍受天线安装的所有缺点，而无需费力地纠正它们。
更重要的因素是辐射图的形状、方向和发射仰角。一些高频业余无线电台在困难的低SSN条件下实际上是失聪的，无法接收到足够的信号的原因并不一定是因为频段死掉了，而更可能是因为他们忽略了与他们使用的天线相关的这个重要因素。如果我们在这方面做得对，我们也许能够忍受大多数其他令人烦恼的事情。
天线系统 - 好或坏
到目前为止，我们已经研究了各种天线特性可能在增强或降低其性能中发挥作用的情况，但在我看来，没有一个特性可以用来将天线分类为好或坏。一个选择错误的天线可能在不适合它的情境中被不恰当地使用，或者可能在安装过程中被草率且无意地部署，从而牺牲了它的性能能力。
对一个天线系统好坏的真正检验，就是检查它是否在干着它本不应该干的其他事情。例如，产生电磁干扰/射频干扰（EMI/RFI），从一些本应避开的地方拾取无意的噪声和干扰，通过射频电流产生RF反馈回到业余无线电室从而扰乱设备的正常功能等等。所有这些因素中的任何一个或所有这些因素都可能导致一个天线系统被评定为真正不好。
不幸的是，有时无线电业余爱好者在其QTH（住宅或住所）部署的天线系统，出于某种粗心或急于安装，没有花费足够的时间去学习和理解一些基本原理，结果却忽视了某些重要的基本原则。在当今这个商业设备无处不在的时代，业余无线电爱好者可以随便选用市面上销售的设备。因而对天线及其行为或特点了解得更深入的愿望已经被搁置一旁了。如今普通的无线电业余爱好者会忽视天线这个要素。其结果是，很多天线供应商就拿出不符合标准的产品蒙混过关。最终受害的还是业余无线电操作者。
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