鞭狀天線

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鞭狀天線是一種由柔軟的直導線或長杆組成的天線。其底端與無線電接收器或發射器相連。鞭狀天線屬於單極天線。該種天線因柔性設計而不易折斷。其名稱源自於它在受到干擾時表現出的鞭狀運動。用於可攜式收音機的鞭狀天線通常由一系列互鎖的伸縮金屬管制成，因此在不使用時可以縮回。安裝在車輛和建築物上的較長的鞭狀天線由圍繞線芯的柔性玻璃纖維棒環繞線芯製成，長度可達11米（35英尺）。

鞭狀天線的理想長度取決於其所使用的無線電波的波長。最常見的是四分之一波長（長度約為1/4波長）的鞭狀天線。但鞭狀天線的長度也可以根據設計需求變更，從1/10波長的緊湊型電短波天線，到5/8波長的提高指向性的鞭狀天線，不一而足。

鞭狀天線是最常見的單極天線類型，工作於頻率較高的HF、VHF和UHF無線電頻段。它們廣泛用作手持收音機、無繩電話、對講機、FM 收音機、無線揚聲器和Wi-Fi設備的天線，也常見於汽車收音機和車載雙向無線電設備，安裝在各類輪式車輛和飛機上。安裝在屋頂、陽台和無線電桅杆上的大型鞭狀天線，則主要用作業餘無線電，以及警察、消防、救護車、計程車等車輛調度的基站天線。

## 輻射方向圖

(左）安裝在桅杆上的三根大型玻璃纖維鞭狀天線。

(右）用於 2 米和 70 厘米業餘無線電頻段的玻璃纖維鞭狀天線。

鞭狀天線是單極天線，與垂直偶極子天線一樣具有全向輻射方向圖，在所有方位角（垂直於天線軸線）輻射相等的無線電功率，輻射功率隨仰角下降。長度小於半波長的鞭狀天線（包括常見的四分之一波長鞭狀天線）具有單個主瓣，其下方為完美導電的接地平面，最大場強位於水平方向，沿軸單調下降至零。如果接地層較小或不完全導電，或者其下方沒有接地層，通常會導致主瓣向上傾斜，因此達到最大功率的方向不再是水平方向，而是以一定角度朝向天空的方向。

長度超過半波長的天線的方向圖是具有由多個圓錐形「波瓣」組成的圖案；在多個仰角處存在輻射最大值；天線的電長度越長，方向圖的波瓣就越多。

垂直鞭狀輻射垂直極化無線電波，電場垂直，磁場水平。

垂直鞭狀天線廣泛用於發射器（或接收器）的方向未知或不斷變化的地球表面的非定向無線電通信，例如在可攜式FM 無線電接收器、對講機和雙向無線電通信中車輛中的收音機。這是因為它們在所有水平方向上的傳輸（或接收）效果都一樣好，因而向天空輻射散失的無線電能量很少。

## 長度

鞭狀天線通常被設計為諧振天線；天線的線杆充當無線電波的諧振器，電壓和電流的駐波從其末端來回反射。因此，天線杆子的長度由所使用的無線電波的波長（$\lambda$）決定。最常見的長度約為波長的四分之一（$\tfrac{1}{4}\lambda$），稱為「四分之一波長的鞭狀天線」（儘管通常通過使用加載線圈來縮短；請參閱下面的電短鞭狀信天線）。例如，美國FM收音機上使用的常見四分之一波長的鞭狀天線大約有75cm長，大約是FM 無線電頻段無線電波長度的四分之一，即2.78to長。

半波長（$\tfrac{1}{2}\lambda$長）的鞭狀天線具有更大的增益。而八分之五（$\tfrac{5}{8}\lambda$長）的鞭狀天線，具有單極子可實現的最大水平增益，而這也是常見的長度。

## 增益和輻射電阻

天線的增益和輸入阻抗取決於鞭狀元件長度與波長的比例，也還取決於所使用的接地平面（如果有）的尺寸和形狀。在完美導電、無限大的地面上工作的四分之一波長垂直天線的增益為5.19dBi，輻射電阻約36.8歐姆。然而，除非接地平面的直徑達到數個波長的數量級，否則在實際工作中天線中永遠不會達到此增益水平。對於具有接地平面的半波長（$\tfrac{1}{2}\lambda$）的鞭狀天線，其典型增益是2dBi。安裝在車輛上的鞭狀天線使用車輛的金屬蒙皮作為接地層。在手持設備中，通常不提供明確的接地平面，天線饋線的接地側僅連接到設備電路板上的接地（公共地）。因此，此時無線電設備本身充當了基本的接地層。但如果無線電設備底盤並不比天線本身大很多，那麼拉杆和無線電的組合更像是非對稱偶極天線，而不是單極天線。增益將略低於偶極子或接地平面足夠大的四分之一波長鞭狀天線。

未安裝在收音機本身上的鞭狀天線通常使用50或75歐姆阻抗的同軸電纜饋線進行饋送。在發射天線中，天線的阻抗必須與饋線相匹配，以實現最大功率傳輸。

半波長（長度$\tfrac{1}{2}\lambda$）鞭狀天線的增益比四分之一波長鞭狀天線稍高，但它在杆底部的饋電點處有一個電流節點，因此它具有非常高的輸入阻抗。如果它無限薄，天線將具有無限的輸入阻抗，但典型的、實用的半波鞭狀天線由於其有限的寬度，阻抗為800—1,500歐姆。這些通常通過阻抗匹配變壓器或四分之一波短截線匹配部分（例如，J極天線）饋送。這種天線有一個優點：因為它充當偶極子，所以不需要接地層。

單極天線的最大增益在八分之五波長$\tfrac{5}{8}\lambda$的長度處實現。所以這也是鞭狀天線的常見長度。然而，在這個長度下，輻射方向圖呈現為一個水平波瓣和一個呈60°角的小第二波瓣，因此高角度輻射效果較差。輸入阻抗約為40歐姆。

## 接地平面天線

在未安裝在導電錶面上的鞭狀天線（例如安裝在桅杆上的鞭狀天線）中缺乏來自地平面的反射無線電波會導致輻射圖的波瓣向天空傾斜，因此水平方向輻射的功率較少，不適合地面通信。此外，單極元件的不平衡阻抗會在支撐杆中和同軸饋線的接地屏蔽導體外部引起射頻電流，導致這些結構輻射無線電波，這通常對輻射圖產生有害影響。

為了避免這種情況發生，當在建築物上固定鞭狀天線時，通常使用一個人工「接地平面」，該人工「接地平面」由三到四根四分之一波長長的杆子組成，連接到饋線的另一側，從拉杆底部水平延伸。這稱為接地平面天線。這幾個短線元件用於接收來自驅動元件的位移電流並將其返回到傳輸線的接地導體，使天線在某種程度上表現得就像它下面有一個連續的導電平面。

具有水平地線的四分之一波長的地平面天線的輻射電阻約為22歐姆，與同軸電纜饋線的匹配性較差，並且輻射圖的主瓣仍然向天空傾斜。通常（參見圖片）接地平面杆以45度角向下傾斜，這具有降低輻射圖的主瓣的效果，因此更多的功率在水平方向上輻射，並增加了輸入阻抗與標準 50歐姆同軸電纜良好匹配。為了匹配75歐姆同軸電纜，可以將接地平面的兩端向下翻轉或使用摺疊單極驅動元件。

## 電短鞭天線

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為了減少鞭狀天線的長度以使其不那麼笨重，其上通常會串聯一個電感器（負載線圈）。這使得天線可以比四分之一波長的正常長度短得多，並且通過抵消短天線的容抗而仍然諧振。這稱為電短鞭天線。線圈添加在天線的底部（稱為底部加載天線）或偶爾添加在中間（中心加載天線）。在最廣泛使用的橡皮鴨天線種類中，通過用彈性線的窄螺旋製成天線，將加載線圈與天線本身集成在一起。螺旋線將電感沿天線的長度分布，改善了輻射方向圖，並使其更加靈活。有時用於縮短天線的另一種替代方法是在末端添加「容量帽」、金屬屏蔽或輻射線。然而，所有這些電短鞭狀天線的增益都低於四分之一波長的天線。

多頻段操作時可以使用大約二分之一波長或三分之一波長和三分之二波長的線圈，它不會對最低頻段的天線產生太大影響，但它會在較高頻段處產生堆疊偶極子的效果（通常為×2或×3 頻率）。

在較高頻率下，饋電同軸電纜可以上升到導管的中心。導管和天線的絕緣交界處由同軸電纜饋電，同軸電纜進入的下管端有一個絕緣支架。這種垂直鞭狀天線是全偶極子，因此不需要接地平面。它通常在地面以上幾個波長處工作得更好，因此通常僅限於微波頻段。

## 車載天線的損壞情況

車輛上的鞭狀天線可能會被自動洗車設備損壞，尤其是那些使用旋轉刷磨擦車身外部污垢的設備。由於刷子必須與車輛表面接觸，因此它們可能會使鞭狀天線彎曲或完全折斷。一般建議將這些天線取下或縮回，以便刷子不接觸天線。又或者車主只能使用「非接觸式」噴射自動洗車機。

## 圖片庫

帶電短路鞭的對講機集。兩端的裝置和前景中的小裝置帶有 "橡皮鴨 "天線。

## 參見

- 戰術背心天線系統
- Waves (Juno) （為其傳感器之一使用兩個鞭狀天線）
- 場（在帕克太陽探測器上使用四個鞭狀天線）