天线设计概述¶
本文概述了天线设计的基本原则。天线设计是在远距离和视线受阻的情况下使用无人机的一个重要因素。虽然这与天线跟踪/(飞行)控制器没有直接关系，但可能对一些读者有用。
天线基础知识¶
当我们谈论天线辐射时，它也包括反面，即天线 "收集 "辐射能量。
当连接到射频源（发射器或接收器）时，任何一根导线都会辐射能量。其辐射能量的好坏仅取决于两个因素：
天线的谐振频率与应用的无线电信号频率相同，以及
天线的馈电点与所附发射机能量源的阻抗相匹配。
提示
- 源与负载（天线）之间的最大能量传递
只有当负载和源阻抗相等时才会发生。
在满足上述条件的情况下，天线向任何或所有方向辐射能量的效果如何，只取决于天线的设计、形状或样式。例如
一个简单的垂直 1/4 波辐射器会向罗盘的所有方向辐射出一个圆环状的图案，在天线元件的方向上，向上和向下的能量都很低。
而八木天线（如 VHF 或 UHF 电视天线）则像火炬一样将能量集中在一个方向上。
天线没有增益：
它们或多或少地将能量集中在设计的方向上，但这是通过掠夺其他辐射方向的能量来实现的。
你的手电筒从镜头一端发出更多的光，而从后端则没有光。
如果去掉手电筒灯泡后面的反射器，光线就会向各个方向全向辐射，但在任何远处都比聚焦光束弱得多。
天线辐射是极化的¶
也就是说，辐射电磁波有一个净偏振面。通常是线偏振或圆偏振（也有椭圆偏振，但那只是其他两种偏振的混合）。
1/4 波垂直天线将以垂直极化方式线性辐射。如果将它侧放，则会辐射水平极化。
从后面看，顺时针缠绕的螺旋天线（看起来像一个以螺旋方式缠绕的线圈）将辐射顺时针方向的圆极化，反之亦然。
为了接收最大能量，发射和接收天线必须具有相同的极化。
如果试图用垂直极化天线接收水平极化信号，信号损失会很大（动辄约 30dB，尽管理论损失是无限的）。
同样，如果试图用相反圆感的天线接收圆极化信号，也会造成巨大损失。
奇怪的是，圆极化天线和线性天线之间只有 3db 的损耗。
如果出现以下情况，就可以使用圆偏振：
如果不能使有关的两根天线保持相似的姿态，例如在俯仰和滚动的飞机上，那么当飞机倾斜和俯仰时就会出现不可接受的信号损失。
因此，可以在飞机上使用垂直装置，在地面段使用螺旋装置或旋转栅栏或类似装置。
这样，最大损失只有 3 分贝。(假设视线良好）。
或者，您也可以在飞机上安装一个类似的圆极化天线，以弥补 3db 的损耗，从而达到两全其美的效果。
但实际上，在两端使用圆极化技术所能获得的效果远不止于此。
首先假设这两根天线是简单的垂直单极子，辐射垂直极化信号。
当您在飞行、飞行俱乐部等场所飞行时，可能会靠近一些金属结构、"机库"、载具和其他载具等。
所有这些结构都反映了你试图接收的相同能量。
此外，当飞机飞得很低很远时，由空调天线发射的射频会沿着两条路径到达接收器--一条是直接到达，另一条是通过地面的反射到达，在您和空调之间的中间位置。
反射波的情况是，偏振发生了不可预知的变化。
接收器（和天线）不知道或不关心接收到的能量来自哪里，因此它也会接收到这些反射能量。
这些众多的接收波会与主接收波产生建设性和破坏性的叠加，从而造成大面积、短时间的信号中断--一种信号中的 "飘忽"。
但是，如果两根天线都是圆极化的，情况就完全不同了：
当圆极化波形被反射时，它的极化会发生逆转。
当这种反向极化信号到达接收天线时，大部分会被拒收并大幅衰减，因此对主接收信号的干扰很小。
共振和匹配问题¶
大多数简单的线性天线都是单极子或偶极子形式。
单个单极子（例如 1/4 波垂直）或单个偶极子只能辐射线性极化。
任何天线只有在其长度与工作频率完全一致时才会产生谐振。
(这不适用于宽带天线，如螺旋天线等。
螺旋桨可以轻松地覆盖 Ocatve，而且性能良好）。
在共振时，天线将显示其特征馈点阻抗。
馈电点阻抗由两部分组成，即纯电阻部分和无功（j 运算符）部分。
大多数发射机和接收机的终端阻抗都是 50 欧姆电阻或非常接近 50 欧姆电阻。
因此，天线也必须具有 50 欧姆电阻，才能实现最大的能量传输。
然而，没有一根天线能满足我们的要求，因此我们必须对馈电点进行匹配，以达到标准。
地平面上的 1/4 波垂直单极的馈电点电阻值约为 75 欧姆。
半波偶极子的阻抗约为 72 欧姆。
与电阻器一样，将两个偶极子并联（如 IBcrazy 旋转栅栏中那样）也会产生 35 欧姆的馈电点阻抗。
连接到 50 欧姆同轴电缆和发射机的 75 欧姆馈电将显示 1.5:1 SWR（输出功率与反射功率之比）。
1.5:1 的 SWR 意味着大约 3% 的发射机功率没有辐射出去：（1 瓦的发射机为 30 毫瓦）。
这还不算太坏，在大多数情况下，我们可以接受 1.5:1 的 SWR。
旋转栅栏天线是一对交叉偶极子，彼此相位相差 90 度，从而产生圆极化。
不过，您不能简单地在同轴馈电点并联偶极子。
除了阻抗减半外（我们决定可以接受），天线的辐射模式和极化将被同轴电缆的无用辐射完全破坏。
偶极子连接点的射频能量会 "泄漏 "出来，然后电流会沿着同轴电缆的外屏蔽层向下流动。
如前所述，任何一根导线都会辐射射频能量，因此同轴电缆也会辐射这种能量，这种辐射与主天线辐射形成建设性和破坏性的叠加，导致图案完全失真和信号无效。
必须防止来自同轴电缆的辐射。
这可以通过 平衡器 变压器。- 的缩写。巴尔获悉 无平衡变压器"。
偶极子是一种平衡装置--从馈电点向外，沿每个元件的电气相等。因此，需要以平衡的方式向馈电点馈电。
同轴电缆是一种平衡馈线--屏蔽层处于地电位，而内芯则传输能量。
这实际上（有点过于简单化）将偶极子的一半连接到 "带电 "磁芯，另一半连接到 "接地"，从而使偶极子失去平衡。
这会导致电流在同轴电缆外屏蔽层上流动，并使偶极子辐射模式失真。
平衡器 但同轴电缆长度的精度要求（通常是 1/4 波长的长度倍数）非常关键，尤其是在 GHz 范围内--0.5 毫米就会产生很大影响。
"这款" 栅门 它并不新鲜--已有五六十年的历史，并且经过了充分的研究和出版。
在甚高频和较低的超高频区域，同轴平衡器与嵌入式阻抗匹配传输线变压器一起使用：
对于较高的微波频率，管道式版本更为合适。
这就是所谓的 漏管 或 分体式护套 平衡器当用作一对交叉偶极子的馈电时，看起来就像这样。
平衡器和馈电匹配器由外管和内管组成。
直径比 D/d 的选择是为了得到所需的阻抗：
D/d = 1.86（75 欧姆）和 1.5（50 欧姆）。
在 2.4GHz 频率下使用时，外管通常约为 8 毫米。
为了获得圆极化，我提到两个偶极子必须相距 90 度（相位正交）。
这可以像上面的同轴平衡器版本一样实现（在偶极子的引脚中插入额外 1/4 波长的同轴电缆，就能获得 90 度的额外电波长度）。
或者，也可以通过稍微加长一个元件（变得更具电感性）和缩短另一个元件（变得更具电容性）来实现--这也引入了元件之间所需的相位差。
这可以从上面的图片中看到：
其中一个元素的波长通常在 0.21 波长/半左右，而另一个元素的波长则在 0.25 波长左右。
一个短元件和一个长元件穿过外管，并与内管相连。
而相反的一对元件只与外管相连。
外管是裂开的或开槽的（槽宽 0.5 毫米）。槽长约 0.23 波长。
两个偶极子之间的长度关系至关重要。
通常情况下，这需要在网络分析仪上进行测量，并将每个元件的馈电阻抗设为 R+j45 欧姆（较长的偶极子），另一个元件的馈电阻抗设为 R-j45 欧姆。
这将给出元素之间正确的相位关系。
半毫米的变化会产生很大影响，使好的天线变成平庸的天线。
上面最后一张图片显示的是特氟龙管。
它从下往上插入导管，紧贴外导管和内导管。
然后上下滑动调节 R+-jX 的 "R "部分，直到匹配度达到 50 欧姆。
这不会影响天线的辐射模式或特性。
要获得 50 欧姆的阻抗匹配，也可以通过微调元件长度来实现，但同时会破坏天线的辐射模式和圆度。
这就是为什么在家里做不那么简单，也是为什么到处出售的 "Hobby King "等变体大多是垃圾。
你可能会用它们实现几公里的航程。
记住，任何旧电线都会辐射。
在 2.4GHz 频率下，我使用两个分离式护套平衡器，经过适当匹配和微调，交叉偶极子，用 500milliwats 就能轻松实现 15 公里的距离。
有兴趣的朋友可以去看看：
参考资料包括 - RSGB VHF/UHF 手册 - 第 8.45 页
现代天线设计 - 第 255 页
以下是我的一些照片 分离式护套平衡器 交叉偶极子
分路鞘式平衡器交叉偶极子¶
了解 dB、瓦特和 dBm¶
"这款" 分贝（dB） 是一个对数比率，可用于描述信号功率值在一定范围内的非线性差异（正负差异意味着信号的增益或损耗）。例如，您可以使用负 dB 值来描述信号通过导电介质时的非线性损耗率。分贝 分贝
单位基于日志 10 (科学计算器上的 "对数 "功能）。 dBm 是以 1 毫瓦（mW）为基准的测量功率的分贝（dB）功率比的缩写。换一种说法，dBm 值是一个值超过 1mW 的分贝数：0dBm 是 1mW，1dBm 是 1.259mW 等）。
基本换算公式如下：
瓦特至 dBm:
10*log10([信号 于 功率]*1000)
dBm 至瓦特:
(10^([比例 于 dBm]/10))/1000
用 dB 或 dBm 表示的功率计算可以使用简单的加减法。例如，将一台输出功率为 60mW 的收音机连接到增益为 14dBi 的天线上，使用 7 米长的电缆（每 100 米衰减 25dB）。我们可以计算出输出功率，如图所示：
TX_Power= 60mW = 0.06W = 17.78 分贝 (使用上述换算）
电缆_损失 = 25 分贝/100 米 = 每米 0.25 分贝 * 7 米 = 1.75 分贝
天线增益 = 14dBi
输出功率 = TX_Power - 电缆_损失 + 天线增益
输出功率 = 17.78 - 1.75 + 14 = 30.03 分贝 = 1W (使用上述换算）
致谢¶
乔-诺奇（Joe Noci）提供的这些天线信息中，有很多是本讨论的延伸： 433 UHF LRS 天线 "转梃".