天線的第一個(gè)重要特性是饋電點(diǎn)的阻抗。無線電業(yè)余愛好者可以在指定的頻段內(nèi)選擇工作頻率，因此我們必須了解一副天線的饋電點(diǎn)阻抗是怎樣在一個(gè)波段內(nèi)隨工作頻率變化的。如果打算在多個(gè)波段使用一副天線，我們還要了解天線饋電點(diǎn)的阻抗在各個(gè)不同波段中的變化情況。

天線有兩種形式的阻抗：自阻抗和互阻抗。和你設(shè)想的一樣，自阻抗是天線完全遠(yuǎn)離其他任何導(dǎo)體時(shí)在饋電點(diǎn)終端所測得的阻抗。

互阻抗又稱為耦合阻抗，是由于附近導(dǎo)體的寄生效應(yīng)而產(chǎn)生的，也就是說，互阻抗是由于有導(dǎo)體處于天線的電抗性近場區(qū)產(chǎn)生的?；プ杩拱ǖ氐挠绊懇仼伒厥且粋€(gè)有損的導(dǎo)體，但它畢竟是一個(gè)導(dǎo)體。和自阻抗一樣，互阻抗也是由歐姆定律定義的。但互阻抗是一個(gè)導(dǎo)體中的電壓和另一個(gè)（耦合）導(dǎo)體中的電流的比。相互耦合的導(dǎo)體會使有高度方向性的天線的方向圖發(fā)生扭曲，也會改變饋電點(diǎn)處的阻抗。

在關(guān)于天線的基本理論的討論中，我們不會直接談到互阻抗，而是把它看作是天線附近導(dǎo)體產(chǎn)生的副作用。在這里，我們會集中精力于處在自由空間的天線的討論上，這時(shí)天線遠(yuǎn)離地和其他任何導(dǎo)體。

自阻抗

電流要流過天線的饋電點(diǎn)，必須要有一定的電壓。天線的自阻抗是饋電點(diǎn)電壓與電流的比。如果電壓與電流同相，那么自阻抗是個(gè)純電阻，即電抗部分為零。這時(shí)的天線是'諧振'的（業(yè)余無線電愛好者通常對'諧振'一詞的使用不是很嚴(yán)格，通常僅是指'幾乎諧振'或'接近諧振')。

應(yīng)該注意到天線不需要諧振就可成為有效的輻射體。事實(shí)上這對諧振天線來說沒什么好奇怪的，但前提當(dāng)然是你要用有效的辦法對天線饋電。很多業(yè)余無線電愛好者使用非諧振的（甚至是任意長度的）天線，這些天線使用明線傳輸線饋電并且用到了天線調(diào)諧器。這種天線系統(tǒng)和使用同軸電纜與諧振天線的系統(tǒng)一樣地輻射信號。這種天線還通常可以在多個(gè)波段上使用。把天線和它的饋線看作一個(gè)系統(tǒng)是很重要的。在這個(gè)系統(tǒng)中，應(yīng)該使所有的損耗都達(dá)到最小。

除了在真正諧振的頻點(diǎn)上，天線的電流和電壓的相位是不同的。換句話說，此時(shí)天線表現(xiàn)為饋電點(diǎn)阻抗，而不是純電阻。饋電點(diǎn)處的阻抗是由容抗或感抗與串聯(lián)的電阻共同組成的。

輻射阻抗

加在天線上的功率通過兩種途徑消耗掉：一種是以電磁波的形式輻射出去；另一種是以熱能的形式在導(dǎo)線和附近的電介質(zhì)中損耗掉。輻射出去的功率是我們所要的，是有用的部分，但同樣可以認(rèn)為輻射出去的功率也是一種'損失'，就像以熱能形式損耗掉的那部分一樣。在以上兩種情況中，所消耗的功率都等于 I2R 。在熱能損耗的情況， R 代表真實(shí)的電阻。但是，在輻射的情況， R 是一個(gè)'虛'的電阻。這個(gè)電阻值如果用真實(shí)的同阻值的電阻來代替，會消耗和天線實(shí)際輻射出去的功率相同的能量。這個(gè)電阻稱為輻射阻抗。于是，天線的總功率等于 I2 ( R? 十 R )，其中 R?為輻射阻抗， R 為總的損耗電阻。

在業(yè)余無線電頻率上工作的普通天線，導(dǎo)體中的熱損耗不超過加在天線上的總功率的百分之幾。用分貝表示的話，這種損耗小于0.1 dB 。即使是使用14號這么細(xì)的銅導(dǎo)線，其射頻損耗電阻相對于輻射阻抗來說也是十分小的﹣﹣只要天線周圍沒有太多物體，也不是太靠近地就行了。因此你可以認(rèn)為只要天線的架設(shè)地點(diǎn)合理，其熱損耗是可以忽略的，而天線的總的阻抗（饋電點(diǎn)處的阻抗）就是輻射阻抗。作為電磁波的輻射體，這樣的天線是一個(gè)效率很高的設(shè)備。

中心饋電的偶極天線的阻抗

中心饋電的半波偶極天線是天線的一種基本類型。在歷史上，λ/2偶極天線在業(yè)余無線電愛好者中廣泛使用，很重要的一個(gè)原因是偶極天線易于架設(shè)并且性能出色。它也是很多其他天線系統(tǒng)的基本組成部分，包括像八木天線這樣的定向天線。

中心饋電的半波偶極天線由下式定義的λ/2的直導(dǎo)線組成，并在中心饋電。

'偶極'源于希臘單詞'兩極'。圖1為λ/2偶極天線只是偶極天線的一種形式。實(shí)際上，中心饋電的偶極天線的電尺寸可以是任意長度的，只要它有兩條相同長度的對稱的振子。還有不在中心饋電的偶極天線，這種偶極天線稱為偏心饋電偶極天線，或者縮寫為' OCF 偶極天線'。

圖1中心饋電偶極天線。它假設(shè)功率源直接位于天線饋電點(diǎn)，沒有插入傳輸線。通常在業(yè)余應(yīng)用中，整個(gè)偶極天線的長度為λ/2，不過天線實(shí)際上可以是任意長度。

在自由空間中﹣﹣意思是天線遠(yuǎn)離任何其他物體﹣-用無限細(xì)的導(dǎo)體做成物理長度為半波長的偶極天線的阻抗理論值為73+j42.5Ω。這種天線的電阻和電抗同時(shí)存在。+j42.5Ω中的正號表示天線在饋電點(diǎn)呈現(xiàn)電感性。與確切的諧振長度相比，這時(shí)天線的電長度稍長了一點(diǎn)。在諧振時(shí)，天線的電抗為零。

任何天線的饋電點(diǎn)的阻抗都會受波長與導(dǎo)體直徑之比（ λ / D ）的影響。理論家們喜歡指明天線是'無限細(xì)的',因?yàn)檫@在數(shù)學(xué)上比較容易處理。

如果我們保持天線的物理長度不變，而改變導(dǎo)線的粗細(xì)會出現(xiàn)什么情況呢？進(jìn)一步，如果我們改變工作頻率，從剛好低于諧振頻率到剛好高于諧振頻率，天線饋電點(diǎn)處的阻抗又會怎樣變化呢？圖2給出了自由空間中用極細(xì)的導(dǎo)線做成的100英尺長、中心饋電的偶極天線的阻抗變化圖。導(dǎo)線的直徑只有0.001英寸。這里的100英尺并沒有特別的意思，這只是有具體數(shù)字的一個(gè)例子。

圖2自由空間理想100英尺長度偶極天線的饋電點(diǎn)阻抗與頻率關(guān)系，中心饋電并且導(dǎo)線直徑精確為0.001英寸。 y 軸中間零線的上方為正（感性）電抗值，往下方向負(fù)（容性）電抗值。這些電抗值范圍在﹣6500~+6500Ω之間。注意 x 軸由于表示饋電點(diǎn)阻抗電阻的實(shí)部范圍很大，從2~10000Ω，因而采用對數(shù)方式。沿著曲線標(biāo)注的數(shù)值為以 MHz 為單位的頻率值。

實(shí)際上，我們不可能架設(shè)這么細(xì)的天線（我們也不可能把它架設(shè)在'自由空間'中），但我們可以用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件 NEC -4.1模擬出天線的工作情況。

圖2中加在天線上的頻率從1~30 MHz 變化。由于在頻率范圍內(nèi)天線阻抗變化很大，所以對 x 軸取了對數(shù)，而 y 軸則表示是線性的，代表阻抗的電抗部分。在 y 軸上感抗是正的而容抗是負(fù)的。螺旋線上的粗體字是以 MHz 為單位的頻率。

在1MHz上，天線的電長度非常短，其電阻部分為大約2Ω，而其電抗呈容性，比電阻高幾個(gè)數(shù)量級，大約-5000Ω。在接近5 MHz 處，螺旋線經(jīng)過零電抗線，這意味著天線在此達(dá)到半波諧振。在9~10 MHz 之間，天線達(dá)到感抗的峰值，約為6000Ω。在9.5~9.6 MHz 之間天線達(dá)到全波諧振（再次通過零電抗線）。大約在10MHz處，電抗峰值大約為﹣6500Ω。大約在14 MHz 處，再次通過零電抗線，意味著天線在這里達(dá)到3/2波長諧振。

在19~20 MHz 之間，天線達(dá)到4/2λ諧振，此頻率為全波諧振頻率的2倍，半波諧振的4倍。如果你還想觀察一下在超過30 MHz 時(shí)天線的情況，它最終會螺旋下降到電阻部分為200~3000Ω之間的某處。它最終會在某處螺旋下降到電抗值約400Ω。這個(gè)值并不是任意的，實(shí)際上應(yīng)為376.7Ω-﹣真空中的波阻抗﹣﹣?zhàn)杂煽臻g中電場與磁場的復(fù)振幅之比。這個(gè)阻抗值也可以表示為√（μ?/ε?）=376.72,其中μ?為真空中的磁導(dǎo)率， ε?為真空中的介電常數(shù)。因此，我們可以從另一個(gè)角度來看天線﹣﹣可以把它看成把自由空間中的阻抗變換成在天線饋電點(diǎn)處看到的阻抗的一種變壓器。

現(xiàn)在請看圖3。圖3所示的是和圖2相似的螺旋線，只不過圖3中的天線比圖2的天線粗得多，其導(dǎo)線直徑為0.1英寸。這個(gè)導(dǎo)線直徑比較接近10號導(dǎo)線，實(shí)際上我們也很有可能用這種導(dǎo)線來架設(shè)一副實(shí)用的偶極天線。圖3的電抗范圍為±3000Ω，而圖2的電抗范圍為±7000Ω。在1~30 MHz ，圖3中天線電抗變化范圍為＋2300~-2700Ω。而在圖2-2的極細(xì)的天線中，在1~30 MHz ，電抗變化范圍為＋5800~-6400Ω。

圖4所示的是用真正比較粗的直徑為1英寸的導(dǎo)線做成的100英尺長偶極天線的阻抗變化圖。其電抗的變化范圍為＋1000~-1500Ω，這再次表明了直徑較大的天線其電抗隨頻率變化的偏移相對較小。注意在比5 MHz 稍低一點(diǎn)的半波諧振點(diǎn)處，其電阻部分仍為70Ω，這和用直徑小得多的導(dǎo)線所做成的天線是一樣的。雖然在全波諧振點(diǎn)處，粗一點(diǎn)的天線的阻抗值比較小，但天線的半波輻射電阻不會像電抗那樣，隨導(dǎo)線直徑的變化而有太大的改變。

圖3自由空間理想100英尺長度偶極天線的饋電點(diǎn)阻抗與頻率關(guān)系，中心饋電并且導(dǎo)線直徑為0.1英寸（#10)?？梢钥吹诫娍沟淖兓秶葓D2給出的小，在﹣2700~+2700Ω之間。其最大的電阻值，大約在5000Ω，也比圖2的細(xì)導(dǎo)線大約10000Ω的阻值低。

圖4自由空間理想100英尺長度偶極天線的饋電點(diǎn)阻抗與頻率關(guān)系，中心饋電并且導(dǎo)線直徑為1英寸。再次可以看到，在整個(gè)頻率范圍的電抗和電阻兩者的波動(dòng)范圍，粗導(dǎo)線的都要比細(xì)導(dǎo)線的范圍窄。

圖5為直徑10英寸的粗天線的情況。這時(shí)，電抗部分隨頻率的偏移就更小了；從＋400~-600Ω。注意這副特別粗的天線的全波諧振頻率大約為8MHz，而較細(xì)的天線的全波諧振頻率則接近9MHz。另外還要注意的是這副粗天線的全波諧振電阻大約為1000Ω，而圖2中的天線的全波諧振電阻大約為10000Ω。不管天線的振子直徑是多少，在圖2～圖5中顯示的幾副天線的半波諧振頻率均在接近5MHz處。再次說明一下，這副非常粗的天線的半波諧振電阻為約70Ω，這說明在這個(gè)頻率附近非常粗的天線的半波諧振電阻與細(xì)天線的差別要比其他頻率小得多。

圖2-5自由空間理想100英尺長度偶極天線的饋電點(diǎn)阻抗與頻率關(guān)系，中心饋電并且使用直徑很粗為10英寸的導(dǎo)線。這個(gè)長度與直徑的比率，與在432MHz頻率上常用的棒狀偶極單元一樣的。現(xiàn)在其最大電阻大約為1000Ω，最大電抗范圍從-625~+380Ω。這種做法在'籠狀'偶極天線中可以看到，采用數(shù)根并排的導(dǎo)線模擬一根粗導(dǎo)體。

你可能覺得奇怪，這副100英尺長的天線要用直徑10英寸的導(dǎo)線做成。但這副天線的長度和直徑之比為120:1，這與一副432 MHz 上直徑為0.25英寸的半波偶極天線的長度／直徑比是非常相近的，其比值為109:1。換句話說，這副100英尺長、10英寸粗的天線的長度／直徑比在實(shí)際的 UHF 頻段上是十分平常的。

圖6 3種不同粗細(xì)直徑中心饋電偶極天線，在半波諧振點(diǎn)附近頻率范圍的擴(kuò)展情況。頻率用單位為 MHz 沿著曲線標(biāo)注的數(shù)字標(biāo)注。串入電抗與串入電阻的變化斜率，較細(xì)天線的要比1.0英寸直徑天線的變化陡峭，表明了細(xì)直徑天線的 Q 值要高些。

圖6是突出天線電阻與電抗變化關(guān)系的另一種表示方法。圖中把在半波諧振頻率附近，從4~6 MHz 處的曲線展寬了。在這個(gè)區(qū)域中，每條螺旋線都十分接近直線段。細(xì)天線（直徑為0.001英寸）所代表的直線段的斜率比粗天線（直徑為0.1英寸和1英寸）所代表的直線段的斜率大。圖7是研究天線半波諧振頻率附近阻抗數(shù)據(jù)的又一種途徑。此圖所對應(yīng)的天線是用14號導(dǎo)線做的100英尺長偶極天線。這里沒有顯示出頻率，而顯示的是波長，這樣這幅圖的通用性就更強(qiáng)了。

圖7另一種觀察該100英尺長，中心饋電＃14號導(dǎo)線構(gòu)成的自由空間偶極天線數(shù)據(jù)的方式。沿著曲線標(biāo)注的數(shù)值表示小數(shù)波長，而不是像圖6那樣表示頻率?？梢钥吹教炀€通過半波長諧振點(diǎn)長度是0.488入，而并不剛好是準(zhǔn)確的半波長物理長度。

圖8是處理這些天線數(shù)據(jù)的又一種方法。這里引入一個(gè)常數(shù)' K '，用來與自由空間的半波長相乘，作為半波長和導(dǎo)線直徑比的函數(shù)。這條曲線的 K 值在導(dǎo)線無限細(xì)的情況下逼近1.00，也就是說，在半波長／直徑比為無窮大的時(shí)候 K 值等于1。

圖8天線直徑對半波長諧振長度的影響。用一個(gè)倍乘系數(shù) K 來表示，乘以自由空間的半波長長度。

具有不同 λ/D 的天線的影響與具有不同 Q 值的普通串聯(lián)諧振電路的影響相對應(yīng)。當(dāng)電路的 Q 值較小時(shí)，電路的電抗也較小，在諧振頻率附近電抗隨頻率的變化也較小。如果電路的 Q 值較大，則上述結(jié)論的反面成立。低 Q 值電路的頻率響應(yīng)曲線比較寬，而高 Q 值電路的頻率響應(yīng)曲線則比較尖銳。對應(yīng)于天線的情況，粗天線的阻抗在較寬的頻率范圍內(nèi)變化較慢，而細(xì)天線則變化較快。天線的 Q 值由下式定義：

其中f?為中心頻率，△ X 為隨頻率改變量△ f 改變的電抗變化量， R?為f?處的電阻。對圖2中的直徑為0.001英寸的細(xì)天線來說，頻率從5.0 MHz 變化到5.5 MHz ，電抗從86Ω變化到351Ω，而 R? 為95Ω。因此 Q 值為14.6。對圖4中的直徑為1.0英寸的粗天線來說，△ X =131Ω, R?仍為95Ω, Q 值為7.2，大約為細(xì)天線的一半。

讓我們重溫一下前面的內(nèi)容。首先我們把天線描述為一個(gè)變換器，然后把它描述為變換一系列自由空間阻抗的一種變換器。現(xiàn)在，我們又把天線與串聯(lián)調(diào)諧的電路進(jìn)行比較。在半波諧振頻率附近，中心饋電的半波偶極天線的特性和這種電路非常相近。在真正諧振的頻點(diǎn)上，饋電點(diǎn)的電流和電壓是同相的，饋電點(diǎn)的阻抗值為純電阻。在低于諧振頻率處，電流的相位領(lǐng)先于電壓的相位，此時(shí)天線的電抗呈容性；在高于諧振頻率處，情況恰好相反，電流的相位落后于電壓的相位，此時(shí)天線的電抗呈感性。就像普通的串聯(lián)調(diào)諧的電路一樣，天線的電抗和電阻決定著它的 Q 值。