MiniWhip天線的基本原理分析

僅依靠一小塊PCB板就能達到近乎全尺寸天線的接收效果，mini-whip天線接收訊號強度略遜於全尺寸天線，但是，有降噪和提高話音分辨度和清晰度的效果，不失為一款值得擁有的便攜超小型HF有源接收天線。

MiniWhip天線的基本原理

文：Pieter-Tjerk de Boer，PA3FWM

刊載在荷蘭業餘廣播雜誌《電子》（Electron）2014年1月

PA0RDT設計的“ Mini Whip”是用於LF，MF和HF頻段的著名有源天線。參見［1］。關於這種天線的工作原理存在許多觀點和誤解。在本文中，我希望透過一些基本理論對此進行解釋。

該圖顯示了典型MiniWhip天線設定的示意圖。它由幾米高的桅杆組成，最理想的是在空曠的地方，在其頂部還帶有

一塊小金屬板

和

一個放大器，

它們整合一個塑膠外殼中（這就是MiniWhip天線）。同軸電纜從Mini Whip沿著天線杆向下延伸到接收器。現在，我們假設桅杆是導電的並且接地，但是如果不是這種情況，我們稍後將看到會發生什麼。該放大器是一個電壓跟隨器，具有很高的輸入阻抗，以便不給金屬板載入，並且具有低輸出阻抗，以便能夠為50歐姆同軸電纜提供足夠的功率。參見［1，2，3］。這個想法是金屬板在其位置“測量”電場，並將結果透過同軸電纜傳送到接收器。

原理與電場

讓我們做以下假設：桅杆的高度與波長相比較小，並且要接收的訊號是垂直極化的。這些是合理的假設：Mini Whip通常被吹捧為LF和MF的天線（因此波長為幾百米），並且那些訊號主要是垂直極化的（由於相對較近的導電大地的影響）。在較高的HF短波頻率下，根據桅杆的高度，這些假設變得不太現實。

這種垂直極化的無線電訊號在天線周圍的區域中產生垂直場線，因此即所謂的等勢面（在其上的電位即接地電壓在各處均相同）的表面。Mini Whip中的金屬板將具有與其等電位表面相同的電勢。

但是，Mini Whip中的放大器不僅與金屬板相連，而且還與接地的桅杆相連。更準確地說：

放大器測量板和桅杆之間的電位差，對其進行緩衝，然後在遮蔽層和同軸電纜的中心導體之間施加相同的電位差。

這很關鍵：最終在接收器中的訊號是平板和桅杆之間的電位差。

這種潛在差異有多大？

最簡單的推論是，板的電位與距地面幾米（桅杆的高度）的電場相同，而桅杆本身處於接地電位（因為其下端接地）。但是，這是一種簡化。如果整個桅杆都處於接地電位，則較高等電位的表面將無法穿過它，因此必須變形。

桅杆周圍的等勢面

該圖顯示了變形的曲面的外觀（透過讓我的計算機求解相關的麥克斯韋方程式來計算）。底部的黑線表示地球。上面有一個（相當厚的圓柱形）桅杆，上面漂浮著一塊金屬塊，兩者也都以黑色顯示。金屬塊是MiniWhip的金屬板。紅線是等勢面，或者說是切穿它們的地方。這些線中的每條線都對應一個以伏特表示的電勢：該等電勢表面的電壓w。r。t。地面。大地和桅杆本身處於接地電位，例如0伏。最低的紅線可以例如為1μV，下一個為2μV，依此類推。

等電位線表面遠離桅杆，幾乎是水平的，就像人們期望的是垂直極化電場一樣。由於整個桅杆都處於接地電位，因此桅杆周圍會扭曲。而且在其上方的金屬塊周圍，線路也會變形，因為導體上的電勢到處都是相同的。但是實際上，失真還不是太嚴重。在金屬塊上，電位與在相同高度遠離桅杆的電位幾乎沒有什麼不同。進一步的計算表明，隨著桅杆變薄，變形減小。

孤立的桅杆

如果門架不導電怎麼辦？放大器仍將測量極板與放大器電路“接地”之間的電勢差。

如果桅杆不導電，則唯一連線到電路接地的是同軸電纜的遮蔽層。

在這種情況下，將測量板與電纜遮蔽層之間的電位差。如果電纜遮蔽層牢固地連線到更遠的地方，則其作用與接地的桅杆一樣好。但是，如果遮蔽層未接地，進入電臺小屋並連線到“髒”地（例如，電源安全地），那麼，那個髒地上的所有噪聲都會導致放大器輸入端的電位差，因此最終進入接收器。因此，良好接地是很重要的。

用玻璃纖維代替同軸電纜可能是一個主意。這樣可以消除所有透過同軸電纜進入放大器的噪聲。

但是，如果沒有與外部的任何導電連線，整個電路將處於相同的電勢，因此接收到的訊號將不會引起可以傳遞給接收器的電勢差。結果，什麼也收不到。

PA0RDT最近在實踐中嘗試了此操作，並在RSGB-LF郵件列表中進行了報告：實際上，他什麼也沒收到。

偏振

PA0RDT的另一項有趣的實驗是，不將天線放在花園中的垂直杆上，而是放在窗戶外的水平杆上，同軸電纜也連線到該水平杆上。他這樣做的方式是，兩種情況下的金屬板最終都在同一位置，並注意到垂直極化的MF訊號的接收同樣強。乍一看，這表明天線沒有極化：即使整個設定從垂直旋轉到水平，接收訊號也一樣。

但是，這個結論是不正確的。

放大器仍會測量極板與磁極（如果已導電且接地）或同軸電纜遮蔽層（可能透過電源接地）之間的電勢差。因此，仍然在板（也位於同一位置）和地面（也沒有變化）之間測量電勢差，因此可以預期得到的訊號是相同的。接地連線是垂直下降還是部分水平走彎都沒有關係，只要彎路與波長相比較短即可。

蝶形天線或鞭狀天線

像MiniWhip一樣，大多數有源電場天線都不使用金屬板，而是使用大約一米長的鞭狀天線。這對於操作沒有本質的區別。如果這樣的鞭狀天線比波長短，則將假定其周圍的平均電勢，在這種情況下，該電勢比桅杆頂部高約半米。這半米的額外高度幾乎不會影響到地面的電位差。

但是，還有另一個重要的區別，即板或鞭的電容。鞭每米長的電容幾乎為10 pF，略微取決於其厚度。圓形金屬板的電容為每釐米直徑約0。35 pF（與直徑成正比，而不是人們期望的面積）。我還沒有找到矩形板的公式，但是形狀不要太大，因此典型的MiniWhip板電容約為2 pF。該電容很重要，因為它與放大器輸入電容一起形成電容分壓器。如果板或鞭的電容較小，則在連線放大器時，會殘留較少的電壓。

方向性

場線和波因廷向量

在我們可以說出天線方向性之前，最好仔細看看什麼是無線電訊號或確定無線電訊號的“方向”。

該圖顯示了垂直極化的發射天線，以及該天線在遠距離（所謂的遠場）產生的電場和磁場線。

我們看到電場線是垂直的，這並不奇怪，因為電場是由例如電場引起的。偶極子天線的上半部帶正電，下半部帶負電（或者相反，半個週期後）。我們還看到磁場線是水平的，在天線周圍形成一個大圓圈。這也是可以預料的，因為我們知道磁場線會在載流導線周圍形成圓圈。

該圖還顯示了所謂的

坡印亭向量（Poynting vector）

。它以英國物理學家J。H。指向，並指向波的傳播方向。從數學上講，它是由電場和磁場向量的所謂外積給出的。可以透過轉動左手來確定其方向，以使其抓住磁力線進入其手掌，並且手指與電場線對齊；然後拇指指示

坡印亭向量（Poynting vector）

的方向。

天線如何比一個方向對來自一個方向的訊號更靈敏呢？

如果天線可以直接檢測坡印廷向量，則將很容易，因為該向量直接指示傳播方向。然而不幸的是，天線不響應

坡印亭向量（Poynting vector）

，而僅響應電場和/或磁場。

天線具有方向靈敏度的第一種方法是透過在幾個位置測量電場或磁場，然後在這些位置“比較”訊號的相位。

這種情況發生在在八木天線中：

從筆直前方到達的訊號比偶極子更早到達第一指向矢。但是，對於小型天線，此原理不起作用：如果天線與波長相比較小，則訊號幾乎同時到達天線中的所有位置，因此不會產生明顯的相位差。

小天線的方向性

為了使小天線具有方向敏感性，唯一的可能性是使用電場線和磁場線本身的方向。不幸的是，它們並不總是揭示訊號的方向。

考慮上圖中的垂直極化場。接收器所在位置的電場線是垂直的，無論傳送器是左還是右，前還是後。因此，我們不能從電場中得出訊號來自哪個方向的結論。（好吧，我們可以得出結論，訊號是從天空中水平而不是陡峭地進入的。但是通常這並不那麼有趣。）

相反，磁力線確實說明了方向。如果例如發射器在我們的西邊，那麼磁力線在南北方向。如果發射器在我們的北方，則磁力線向東/向西延伸。但這並不是明確的：如果發射器位於我們的南部，那麼磁場線也將位於東西方。換句話說：在垂直極化訊號的情況下，磁場線會告訴我們訊號從哪個方向發出，儘管不確定度為180度。當然，這是從帶有內建鐵氧體棒狀天線的行動式中波無線電中眾所周知的：這樣的天線是方向敏感的，但是如果將其旋轉180度，接收不會改變。

位於80米處的Fox獵手/ ARDF參與者還使用鐵氧體天線，它們響應磁場線的方向。為了解決180度的歧義，這些接收器通常具有一個附加的“感應天線”：響應電場的鞭子。如前所述，該磁場沒有說明訊號的方向，但是可以解決磁場線的180度歧義：根據方向，電訊號與磁訊號同相或異相180度。

這些原理的一個很好的應用是DF6NM的定向長波接收機［4］。他使用兩個呈90度角的磁性天線確定訊號的方向，並使用一個電天線解決180度的歧義。他使用這些資料來生成瀑布圖，其中的顏色表示方向。

到目前為止，所有考慮都與垂直極化訊號有關。對於水平極化的訊號，情況則相反：電場線水平延伸並顯示方向，而磁場垂直，則什麼也沒說。

MiniWhip的方向性

那MiniWhip呢？我們已經看到，它對垂直極化訊號的電分量作出響應，並且與波長相比很小。那麼只有一個結論是可能的：它不是方向敏感的。

但是，MiniWhip確實有一個垂直下降：它不會響應來自上方的訊號。這樣的訊號的電場線和磁場線都是水平的，因此該天線沒有響應。在Twente大學的WebSDR中，這一點非常明顯。有時荷蘭使用者抱怨其天線質量不好，因為他們聽不到80 m處的荷蘭電臺的聲音太好。但是這些訊號幾乎是從電離層反射回來的。

有人建議為了接收來自筆直上方的訊號，應該在MiniWhip的垂直板上端安裝一個水平板。這是行不通的：MiniWhip仍會測量極板與地面之間的電勢差，對於來自直線向上的訊號，該差為0。

結論

從所有這些理論中我們可以得出什麼結論？

MiniWhip是垂直極化的。

接地很重要：

如果天線僅透過同軸電纜在電臺小屋中接地，則可能會吸收很多噪聲。

順便說一句，接地不需要是流電的：即使不直接接地，大塊金屬也可能具有足夠的接地能力。

接收訊號的強度與天線在地面上方的高度成正比，只要它的w。r。t。波長。

桅杆是否導電對於接收來說幾乎無關緊要。但是，如果門架是導電的，則當然不能在門架上方而是在門架上方安裝天線板。

天線是全向的，除了垂直向下傾斜。

金屬板的方向或形狀無關緊要；b。t。w。，對於基於鞭的有源天線，鞭也是如此。

電位測量演示

到目前為止，關於等勢面的全部考慮都是純粹的理論。但是，正如我在2013年的“業餘業餘無線電大會”（Dag voor de Radio-Amateur）（荷蘭業餘無線電大會）上所演示的那樣，我們實際上可以對其進行測量：

電位測量設定

我們看到兩個大的導電板，在它們之間施加了交流電壓。因此，在板之間存在類似於來自遙遠的垂直極化發射器的電場的電場。我們可以放例如下部板上的一堆金屬罐可以模擬桅杆。使用“探針”，我們可以在任何地方測量電勢。或更準確地說，我們可以測量電勢差w。r。t。接地，在這種情況下為下板。

“探針”本身由一塊金屬製成，後跟一個具有很高輸入阻抗的放大器。實際上，該放大器的功能與MiniWhip中的放大器相同。它不測量探頭位置的電勢，而是測量與地的電勢差，接地參考透過探頭和電錶之間的柔性遮蔽電纜的遮蔽層到達。

該儀表的輸入阻抗（基於［5］）已透過使用“自舉”技術提高了：兩個藍色電容器確保了連線到輸入的元件（即FET）另一側的電勢和10M電阻）隨輸入電勢而變化。因此，這些元件的寄生電容不再具有影響。在我的電路上，我測得的輸入電容為0。5 pF。在我的情況下，這塊金屬的電容約為2 pF，因此，實際上，緩衝電路不會將其負載太多。

非極化天線？

如上所述，Mini Whip是非極化的並不正確。但是，從更普遍的角度來看，這是正確的：從理論上講，不可能製造出非極化的天線，也就是說，接收水平，垂直，圓形和橢圓形的極化都同樣好。以下“ Gedanken experiment”證明了這一點。

讓我們假設我們確實有一個非極化的天線。首先向該天線施加一個水平極化的訊號場，然後再施加一個同樣強的垂直極化場。由於聲稱的天線是非極化的，因此兩種情況下的輸出都必須同樣強。接下來，同時施加兩個訊號。天線的輸出訊號現在必須是兩個單獨訊號的總和。最後，更改兩個訊號之一的相位，以使輸出處的兩個訊號處於相反相位：然後它們將彼此抵消，因為它們相等。因此，我們現在將訊號施加到天線，該訊號的極化是水平極化和垂直極化的混合，並且具有一定的相位差：這是橢圓極化訊號，並且天線沒有響應。

這意味著最初聲稱天線對所有極化均同樣敏感的說法必定是錯誤的！

參考資料：

［1］ De pa0rdt-Mini-Whip， een actieve ontvangantenne voor 10 kHz tot 20 MHz， PA0RDT， Electron 5/2006。

［2］ http：//pi4utr。nl/wp-content/uploads/download/pa0rdt_whip。pdf

［3］ Technische notities van PA3FWM， Electron 3/2010。

［4］ http：//df6nm。de/ColourDF/ColourDF。htm

［5］ AN-32 FET Circuit Applications， Texas Instruments。

［6］ Active Reception Antennas， Observations， Calculations and Experiments； Detlef Burchard， VHF Communications 2/96 （and UKW-Berichte 4/94）。

source： www。pa3fwm。nl/technotes/tn07。html