100W线天线-对DX来说足够好吗?
线天线上100W的功率！……它能传播多远呢？这可能是业余无线电领域中最热议的新手话题之一。这种情况一直如此，将来也会如此。刚入门的无线电业余爱好者需要一段时间来适应现实。直觉上，新手操作员很难想象线天线上100W的功率可能足以与世界各地进行通信。有时，使用普通的偶极天线，功率低至5-20W的电台就可以舒适地与世界各地进行通信。我这样说，并不是指通过类似于FT8、FT4等弱信号数字模式进行通信。上述操作情况指的是SSB无线电话音的QSO通信。
然而，要想有规律地进行这类操作，有几个基本先决条件。首先，电台操作员需要了解HF频段电离层传播是如何工作的。这是很重要的，以便知道并确定在特定时间具有最佳传播前景的频率带以及感兴趣的DX区域。HF无线电通信并非是随时随机拿起麦克风与任何人通话。与VHF/UHF通信不同，其传播和覆盖范围相对稳定和一致，HF无线电是一种不同的游戏，传播条件往往会在每分钟内发生剧烈变化。有人可能会惊叹：天啊！这一切都太疯狂了！然而，实际上，这有一定的方法可循…在这篇文章中，我会尝试解开一些明显的谜团：如何使用约等于或小于100W的RF功率和简单的线天线与世界各地进行通信。
在100W线天线上使用什么调制模式最好？
简单的回答是：所有的模式都行，但大部分时间我更偏向SSB无线电话或CW。有时我也会使用PSK31、RTTY和其他一些实时对话式数字文本模式，但那只在极少数情况下。要了解更多关于各种对话和非对话式数字通信模式的信息，请参考我名为《数据与文本模式的数字无线电》的文章。
这张图表描述了过去一些太阳活动周期的历史事件。周期#17和#18之间的最小周期对我们来说特别有趣，因为它标志着二战期间。然而，短波无线电通信仍在不断进行。
尽管我对像FT8、FT4等模式没有任何反对意见，但我认为这些模式根本不是真正的通信模式，因为它们不允许两个无线电站点之间自然、自由地交谈，也没有在严格的时间基础上进行通信。它们有很长的延误。这些属于WSJT家族的模式是原本为测量信号强度和验证通联而设计的超弱信号模式的分支，并不是为了常规通信本身，而是为了在恶劣的信道环境中（如ME（月球反射）等）建立纯粹的技术信号通信。从技术上讲，这些模式很出色，但在我看来，它们在HF上并不真正需要，尤其是对于希望信息自由流动的常规通信来说。然而，大部分无线电业余爱好者在HF频段上对FT8/FT4模式上瘾，因为在低太阳活动期（低SSN）中，他们没有其他选择，感到无助和绝望。
不幸的是，人们往往不愿面对的一个事实是，当操作者使用非QRP功率级别运行电台时，在HF上建立FT8类型通联没有什么值得自豪的。任何以近50-100W或更高功率传输FT8/FT4等模式的人都在严重滥用该模式。为了通过这些模式建立通信而运行如此高功率只是提醒人们，他们的业余无线电电台设置可能真的不够完善。来自其他站点的信号强度报告经常以负分贝（-dB）值出现，这表明站操作员需要做很多工作，不仅要优化他的电台，还可能要学习HF传播的诀窍。
在此我想重申一点，我是Joe Taylor（K1JT）和Steve Frankie（K9AN）的忠实粉丝，但我坚信WSJT模式不适合在HF频段上常规使用。然而，那些在运行不超过5-10W或更低功率时享受这些模式的人做得很好。当操作员急需运行100W或更多功率建立这些通信时，那么它肯定会引起注意。请记住，这些WSJT弱信号模式能够解码大约-21到-26 dB更糟糕的信噪比（以2500 Hz检测带宽为基准）。将FT8/FT4（信噪比为-20/-23 dB SNR）与SSB相比较，FT8/FT4上100W（-20/-23 dB SNR）相当于SSB上的大约10-20 KW…因此，如果有人告诉我除非他在SSB上运行10-20KW，否则他不认为建立HF无线电通信的前景堪忧的话，那么无疑一定有很严重的问题存在……请参阅名为“数字模式如FT8可以淹没在噪声下通信吗？”的WSJT弱信号能力的相关文章。
在我看来，这些超弱信号数字模式就像HF业余无线电的蓝色小药丸。由于高频波段上存在的传播问题或者设备的问题，不得不经常使用这些模式。与其忍受自己的不足和依赖这些蓝色小药丸，不如通过增强电台的硬实力来提高电台性能，让我们能够在低信噪比的情况下也能用常规的SSB、CW等模式通联。这样岂不更好？
我明白我们中的一些人可能对在低SSN阶段使用常规无线电调制模式的可能性持怀疑态度…的确如此…让我引用一个例子来消除这种怀疑。
我们都知道11年的太阳黑子周期会定期带来太阳极小期。目前，在2019-2020年，我们正在经历第24和第25个太阳黑子周期之间的太阳极小期…现在，让我们回顾历史，浏览一些早期的周期并看看它们意味着什么。例如，在第17和第18个太阳黑子周期之间发生的太阳极小期是在1943年末和1944年初。因此，整个1943年和1944年都在处于SSN数据最低的时期。当时正值二战的关键阶段，全球各地的部队有着大量的通信需求。世界各地的陆军、海军和空军都在运作。他们需要强健的通信网络。虽然VHF是短距离通信的，但当时还没有卫星。通信的主体就依赖于高频波段。还没有采用过时的超弱信号数字模式。所有的通信都是CW或RT。当时是如何进行的呢？大家可以思考一下…他们从来没有说过我们不能做到，除非有人提供我们时髦的数字模式。
如果二战时期的HF无线电通信能够在太阳黑子极小期得以维持，那么为什么我们今天的无线电爱好者不能在当前的太阳黑子极小期学习在HF上进行操作呢？为什么我们不能在没有使用蓝色小药丸的情况下进行操作呢？为什么我们不能振作起来，训练自己以自然的方式进行操作，而不是依赖不自然的增强性能模式呢？…事实是这是可以做到的。也许我们太懒了，不关心训练自己或学习如何应对恶劣的HF无线电传播条件…然而，在这篇文章中，我会试图指出一些可以管理和优化的因素，以增强在HF波段上使用自然通信模式的前景。
有一些事情是大家需要改善或者确认他们的设备安装质量的，同时也要审视自己的技能，尤其是那些与理解各种重要HF传播现象相关的技能。
如何经常使用100W和线天线进行SSB语音/CW DX通联？
与短波广播电台不同，业余无线电台在任何时间都可以利用出现的良好传播时机，而不必确保在覆盖区域内的所有位置始终具有足够的信号场强，也不受传播异常现象的影响。业余无线电HF通信不是关于在固定的频率上24×7全天候与目的地保持联系，而是关于在白天或黑夜的任何时候寻找并利用最适宜的频段，从而调整活动以适应自然现象的变化，最终确定传播条件。
说了这么多之后，我们现在就来看一看在无线电台为了实现优化通信能力这个目标应该做好哪些重要的事情吧。
顺理成章想到的因素有……
1、发射台天线必须具备高效性。
2、天线的辐射模式必须具备最佳的波束形状和辐射仰角。
3、传输线路上的共模电流必须为零或最低限度，以确保从周围环境中拾取到的噪声（QRM）最小。
4、业余无线电爱好者的电台室必须精心设置，以尽量减少来自各种站设备的无关和杂乱噪声。要避免使用具有不足的EMI/RFI抑制能力的开关电源以及其他如LED灯等产生宽带噪声的物品。
5、操作员必须充分了解传播条件，因为频带与频带之间的传播条件是不断变化的。
上述所有因素都会有所帮助吗？……是的，它们会带来天壤之别。
我应该选择QRO线性功率放大器来增加传输输出吗？……不，通常情况下，这是非常愚蠢的做法。记住，无论你的传输功率有多大，除非你能听到对方，否则你无法与对方建立联系。很可能DX电台不会使用线性PA，因此信号强度是正常的。
如果我有资源，我应该追求更好的天线还是更好的设备？……不要浪费时间和金钱追求更好的设备，除了增加虚荣心之外不会有任何好处，除非你有一个非常好的天线系统。因此，优先事项必须是投资于比更豪华的设备更好的天线系统。
我应该选择一个新的、增益更高的天线，还是应该把现有的天线举得更高？……除非你能把大型高增益天线放在现有天线可以到达的最高位置，否则更好的选择是把现有的天线尽可能地升得更高。在没有增加高度的情况下获得额外增益的好处很可能不如获得额外高度的利益那么明显。
现在，让我们言归正传……以下是一些核心因素，它们在确定两个地方之间建立无线电通信链路的可行性方面发挥着作用。
●两个终点之间的传播路径损耗（衰减）。在高频波段，这在很大程度上取决于操作员在决定波段和操作时间时作出的明智选择。
●发射源的功率输出。
●接收端现有噪声的幅度决定信号在噪声中消失的阈值。
●两端的天线系统性能特征，包括它们在所需仰角的增益以及它们的噪声性能。
让我们来探讨一下，当我们改变对上述每个因素的重视程度时，将会发生什么……
例如，如果有人不关心找到最佳的传播窗口，同时也不愿意调整和优化天线的性能，尤其是其易受噪声影响的性能，那么操作员最终会遇到必须通过增加发射器功率或选择带宽非常窄的调制模式来补偿其不足的情况。窄带调制模式确保了一个窄的检测窗口。这反过来又降低了接收机处理的噪声功率，而接收机在一开始就不应该有这样的噪声。
然而，对于一些人来说，由于缺乏对该主题的了解或者纯粹的鲁莽，他们在设置电台的天线系统（包括天线和传输线）时，可能会不必要地产生噪声并导致性能不佳。为了补偿这种来自低质量天线且完全可以避免的额外噪声，业余无线电操作员通常别无选择，只能使用窄带数字通信模式。
如果再加上选择的频带也是次优的，这将进一步降低接收机处的信号强度，使其被可能存在的任何噪声所淹没。通过选择弱信号数字模式来降低调制带宽部分挽救了这种情况，将接收机的信噪比提高到了可接受的水平。
上述的基本论点是，当某人可能拥有一个不良的天线系统设置，或者可能不熟悉HF传播如何工作以及如何利用不断变化的传播条件来获得优势时，可能没有其他选择，只能向这种情况投降，并在操作超窄带数字模式中找到安慰……残酷的事实是，通过做一些简单的事情，比如调整和优化天线系统，以及学习如何预测和跟踪频段上的HF传播条件，可以很大程度上挽救上述看似绝望的情况。
这个动画插图展示了两种情况下80米波段业余无线电收发信机上的噪声电平。其中一种情况是使用传输线上具有高CMC的非常不平衡的天线系统接收噪声，S-Meter的噪声读数为S9+。另一种情况是，使用宽带RF扼流圈将CMC抑制到适当的水平后，用相同的天线进行测试，S-Meter的噪声电平约为S6。正确设置的天线系统会带来截然不同的效果。
现在让我们试着从实际的角度来理解这一切意味着什么。首先，这意味着如果有人能用一根线天线和100瓦功率在FT8或类似的数字模式下工作，那就意味着高频段肯定没有死掉……这也意味着，通过应用一些不太难的调整和改进措施，对台站设备、天线和传输线路进行改进，就有可能弥补差距，开始听到并操作SSB RT和CW电台以及各种其他传输模式。当我们逐一应用这些改进措施时，电台就有希望开始活跃起来。
请看一个典型的实际场景。操作员有一台运行在SMPS上的无线电设备，并配有几盏精心布置的LED灯来装饰电台室。他通过ATU将一段同轴电缆连接到从房子外墙到附近树木或其他支撑物的端馈半波(EFHW)天线。天线的平均高度为4.5-6米(15-20英尺)。对于EFHW天线，馈电端通常有一个49:1的变压器(也称为巴伦)；对于随机长度的末端馈电天线，馈电端可能是一个9:1的变压器。
还有另一种经常使用的天线放置方式，将EFHW天线从房子墙壁上移到屋顶上。在多层建筑的情况下，相对于地球地面的物理高度会大大增加。这可能会使人们相信天线的射频高度也相同。然而，情况可能并非总是如此。如果它是混凝土建筑物或具有金属或金属网格屋顶的建筑物，则由于屋顶的接近，天线的电气高度将大大降低。
目前为止，情况还不错……上述电台发现，在10-20米高波段上，接收器的噪声电平大约在S4-S5级别，而在较低频率波段上，噪声电平逐渐升高，在80米波段上甚至达到S7-S9级别……有些读到这篇文章的人可能会受到更高噪声电平的困扰。在这种情况下，情况可能比我们的例子更糟糕，但在大多数情况下，通过采取一系列小步骤进行改进，肯定会为挽回局面留出足够的空间。我们将逐步引导大家了解如何通过多个小步骤来改进。
在当前太阳黑子周期条件下，也就是在2020年11月的时候，我们的朋友经营上述电台，他可能感到非常沮丧，因为他可能观察不到任何频带上的活动，更不用说叫通了。有人告诉他，FT8模式可行，所以他尝试了一下，并取得了一些成功。然而，为了更可靠地接触DX，他逐渐提高了数字模式的发射功率到大约25瓦……现在他似乎很开心，因为他可以相当频繁地与FT8进行联系……哎呀！他似乎一点也不明白他错过了真正的、核心的HF无线电乐趣。
如果他付出必要的努力，甚至有可能几乎同样轻松地使用SSB语音吗？……是的，这是完全有可能的。让我们来看看吧。
首先，我们将找出在接收机产生相同的信噪比（SNR）时FT8和SSB语音模式所需信号强度之间的差异。FT8是一种超窄带（也超慢速）模式，其设计检测带宽为6.2Hz，而SSB语音无线电通信则为标准化2500Hz。因此，通过接收机中的检测滤波系统传播的噪声在幅度上也会有所不同，这与带宽的比例有关。相应地，FT8或SSB语音上进行同等可靠通信所需的信噪比也是带宽比率的函数。
简单来说，10log（6.2/2500）=-26 dB，这是检测和解码FT8信号的最小信噪比阈值。然而，为了在解码中达到可接受的低错误水平，至少需要6 dB的额外信噪比余量。因此，为了有效完成无干扰的 FT8 QSO，实际所需的信噪比必须优于-20 dB左右。
既然这个电台能够在-20 dB信噪比水平下进行双向FT8 QSO，这意味着该电台相对于所需的0 dB信噪比参考阈值有20 dB的不差距，而这个阈值是开始从同一位置接收SSB无线电电话传输所必需的。现在我们必须弄清楚，我们是否可以通过一系列调整来弥补这20 dB的信噪比差异……我们能做到吗？……也许可以！……让我们研究一下。
调整天线系统以减少外来噪音
此图描绘了将天线升高至地面以上高度的效果，效果显著。尽管天线峰值瓣增益没有明显变化，但对于中长距离DX通信所需的低仰角而言，实际增益增加明显。蓝色图案代表在6米高空中部水平位置的EFHW天线，红色图案代表在10米高空中部水平位置的同一只天线。仅仅升高4米就能显著增加低角度DX增益。例如，在15°时增益增加了约4.5 dB。
让我们假设在我们的例子中，电台操作员对DX工作感兴趣，因此，我们假设他正在使用20米波段进行操作。根据我们之前对该电台的描述，我们记得该电台接收器在20米波段的噪声电平大约为S5……然而，使用调整良好的天线系统、传输线上的可忽略的共模电流（CMC）、适当选择的安装位置以及精心设计的电台设备接地安排，应该能够确保接收器上的20米噪声电平最高时低于S2-S3。这意味着我们的朋友至少有2-3个S单位的额外噪声，这些噪声完全可以通过努力消除。
应该可以安全地假设，通过应用最佳实践并使用适当的基于铁氧体磁芯的扼流圈巴伦和其他手段，使馈线上共模电流（CMC）被抑制约40分贝，这应该有助于显著降低接收机噪声。理想情况下，如果可能的话，应该避免使用端馈天线，因为它们在EMI / RFI和噪声相关问题方面臭名昭著。经验丰富的操作员可能知道如何驾驭这些天线并使其正常工作，但新手操作员可能会一头雾水，最终导致情况不妙。如果可能的话，始终使用平衡天线，因为它们通常表现良好。
然而，不管你选择什么，一条黄金法则就是不要让传输线路成为天线的一部分，让它携带非平衡电流（CMC）。如果尽职调查，通过控制CMC，可以至少实现2个S单位（甚至更多）的噪声降低，相当于6×2=12分贝（保守估计）的噪声降低。这样，我们原本20分贝的信噪比不足就可以减少到20-12=8分贝。
另一个6dB功率优势
我们假设的电台使用FT8模式，发射功率为25W。在SSB无线电通信中，同样的电台在无负载情况下通常会使用100W的发射功率。这就相当于另外增加了6分贝……因此，我们之前算出的20-12=8分贝的信噪比差距现在可以进一步缩小到20-12-6=2分贝。
我们如何弥补这2 dB的信噪比差距?只要在天线上稍加改进，优化它的辐射，我们就能远远弥补2分贝的不足。让我们在下面看看……
调整天线的高度、位置和方向
如果我们回忆一下，我们的例子中电台使用的EFHW天线在地面以上大约4.5-6米（15-20英尺）的高度运行。在目前普遍存在的低/中等SSN条件下，HF传播的电离层跳跃通常在较低的发射仰角下有效发生，通常在8-15°的范围内。让我们假设最容易的辐射发射仰角为15°……那么，在20米频段上，EFHW天线在6米（20英尺）高的位置会发生什么情况？……如果我们努力将天线线提升到稍微高一点的位置会怎么样？……我们来分析一下。
仔细看一下我上面插图中提供的EFHW天线辐射模式的仰角部分。有两个模式曲线，一个是蓝色曲线，代表我们的EFHW天线在6米（20英尺）AGL高度。红色曲线表示将天线再提升4米（13英尺），达到新的AGL高度10米（33英尺）。这两个模式都是针对20米频段的。
在上述插图中，我已经标记了两个模式之间的15°仰角交叉点。还标记了两种情况下15°仰角的可用增益。我们发现，在AGL 20英尺时，15°仰角的EFHW天线增益为-0.4 dBi，而在天线升至AGL 33英尺时，增益为+4 dBi。
作为一个普遍关心的问题，值得注意的是，在约15°的仰角左右，增减±10°左右，由于天线高度的增加，可用增益得到很大增强。然而，尽管天线高度AGL发生了变化，天线在其主波束峰值处所规定的最大增益几乎保持不变…一个典型的初学者会错误的以为最大天线增益是真理。他们往往期望它在所有情况下都是有效增益…这样的事情实际上永远不会发生。天线高度AGL起着至关重要的作用，特别是在低和中度发射仰角情况下。
简单来说，通过将天线的高度适当地提高，我们可以从初始增益中再获得4.4分贝的额外增益。更不用说，当天线被提高时，它也会稍微远离各种可能产生QRM的电器设备等等…我甚至还没有考虑到这个额外的优势。
现在让我们将4.4分贝的增益优势应用于我们迄今为止所做的计算…弥补SNR缺口的最终结果将是20-12-6-4.4=-2.4分贝。负缺口意味着我们现在的情况是，0分贝SNR阈值以上有一个盈余…经过调整和改进后，SSB无线电话设备的有效SNR是很有前景的。现在我们的无线电设备不仅可以抄收SSB语音QSOs，而且与一开始的-20分贝的情况相比，已经有了明显的改善。如果能够集思广益，一定还有其他几种简单而又有效的改进和调整方法可以优化现有的业余无线电设备设置。
我们上述对现有业余无线电设备进行的一些基本的增强、调整和通用改进，使其SNR从-20 dB跃升至+2.4 dB的能力。这弥合了只能使用FT8/FT4等模式进行操作的电台与现在能够使用CW和SSB无线电话的电台之间的差距…所有这些都在相同的低SSN传播条件下实现。自己多做一些研究，学习HF传播行为，然后尝试找到最佳的频段。你会惊讶地发现一些你从未想过存在的频段的传播打开了。
使用更高发射功率的线性PA很少有必要，除非有人需要频繁地破解巨大的信号重叠。这就是额外的发射功率可以派上用场的地方。在大多数其他情况下，它一点也没有帮助。
超窄带数字调制模式——对HF业余无线电来说，它们难道不是极好的选择吗？
也许是，也许不是。
好的！……那么，超窄带数字调制模式有什么不好呢？……也许本身并没有什么不好，但是，从业余无线电通信的实际角度来看，它们有很多东西并不适合业余无线电所代表的东西。
从香农通信理论的基本原则中得出的一个主要结论是，通信信道带宽越低，信息的速率就越小。换句话说，带宽越窄，通信速率就越慢。当然，附带的好处是，即使是一个整体质量较差的无线电台也可能仍然能够通信。
现在的问题是，为了克服我们的失误和缺点，我们要在弱信号窄带博弈中走多远？如果我们使用某些窄带宽数字模式来克服极其困难和恶劣的传播条件，它们就非常好。然而，当我们不是因为恶劣的环境，而是为了弥补一些可以避免的原因，例如我们的懒惰或完全的无知，导致电台的设置很糟糕时，那么我们对待业余电台的态度肯定会有一个更大的问题。
就这些弱信号数传模式而言，我们或许需要根据它们的运行特性来划定界限。对业余无线电爱好者来说，同好之间的交流是第一位的，在交流过程中，可以培养出与无线电通信相关的各种技能，无论是技术方面的还是程序性的。一般业余爱好者通常不参与受管制、有组织或由官方资助的无线电传播或通信研究。当然，我们中的一些人拥有必要的技能，会因兴趣而一直进行非正式的实验，但说到底，我们都是业余爱好者，把业余无线电当作一种(有意义的)爱好来追求。
因此，为什么我们这个群体中的很大一部分人要把他们的大部分时间花在各种半自动弱信号数字模式上，这些模式通常是通过连接到收发信机的计算机来交换两端运行中的软件之间的信息？这些软件是真正的通信实体，因为它们决定着哪些有限的信息会被发送出去。无线电业余爱好者没有太多发言权。那么，不涉及法律的话，我们能否真正证明这种通信是两个无线电操作员之间进行的？不，我不这么认为。
此外，这些通信的性质是什么？信道两端的交流实际上没有任何信息交换。与这些模式没有任何对话或信息交换的可能性。此刻可能会有人说，现在有一些经过改进的数字模式允许操作员输入简短的消息…当然可以…但是付出何代价？一个简短的句子可能需要30秒到两分钟的时间来传输。这真的符合我们常规通信的期望吗？真的值得这么做吗？
在我看来，虽然有多种实用的窄带数字模式可供选择，但当我们进入超低带宽模式的领域时，这些模式就不再值得在日常的业余无线电活动中使用了。如果一个文本模式的数字调制系统允许从键盘键入自由格式的文本，并且具有足够的数据传输速度，能够跟上普通打字员的打字速度，那么这个系统就完全足够了。但是，如果人们不得不等待一分钟左右的时间才能发送一个短句或一个句子，那么这可能不是我们所需要的。
我在上面几段中所讲的内容，对我们有些人来说，或许是值得深思的。作为业余无线电爱好者，我们必须接受并探索各种技术发展。在这方面没有第二种意见……然而，我们是否应该仅仅因为我们可能掩盖了无线电台的缺点而不加选择地接受这些技术呢？我也认为，在某些情况下，由于不可避免的限制，人们可能已经用尽了增强电台的所有选择。在这些情况下，尝试唯一可行的模式也是可以的。
在正常情况下，在对优化业余无线电台设置进行了充分的尽职调查之后，如果有人被迫“投降”，那么这是完全可以理解的。另一方面，当一个人甚至没有做出任何值得的努力时，那就是不幸的时候……
另一方面，如果有人有一个精心装饰的火腿电台室，配有高档（LED、卤素灯或荧光灯）照明和廉价的内置电子镇流器，使用普通的开关电源为他们的设备供电，电台接地不足，必要时缺乏铁氧体线圈滤波器，在地面或低矮的建筑物的墙壁或屋顶表面上安装HF天线，随意安装不平衡天线，不使用足够的传输线（同轴电缆），不使用CMC扼流圈等等，却全功率发送来建立通信；那么我认为该台操作员需要做大量的自我反思……。这是因为如果纠正了上述缺点，那么无线电台很可能就能起作用了。在CW和SSB无线电话中从未听到过的电台将在各个频段上听到。对听到呼叫CQ的人作出回应肯定会得到回应。
请记住，HF频段实际上并没有真正地死亡。大多数情况下，由于听不见或噪声大的天线系统，整个无线电台基本上都是死气沉沉的……当然，在给定的时间选择正确的频段在整个过程中起着最重要的作用……对您的无线电台进行必要的调整，熟悉不同时间和不同频段的传播条件的变化，然后尝试用100W的线天线进行SSB话音通信。开心做DX通联吧！
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