天线高度和通联有效性的研究（By N6BV，K1TD）

天线高度和通联有效性的研究（By N6BV，K1TD）

都知道对于DX来说，天线一寸高一寸强。但是到底天线的架设高度，对于发射仰角的影响程度有多大，对于提升远距通联成功率有多少帮助？国外两位科技撰稿人，N6BV和K1TD，在文章“Antenna Height and Communications Effectiveness”（第二版）中对天线高度相关问题做了一些较为深入的探讨，在这里将其精华部分摘取出来，供我们学习讨论。

例如他们经过计算测度指出：在其他条件一样情况下，一个架高40多米的天线可能比一个10多米的天线高出8～10倍的有效发射功率（某低仰角方向），将直接影响通联的成功率。这就提醒我们很多时候不但要考虑天线自身的问题（天馈、增益等），还要严重考虑天线架设高度的问题。

电离层反射

上图是电离层反射示意。当入射角高于临界角，电波直接穿透电离层无法被反射回地面。越低的入射角，（单跳）能到达的DX距离越远。红色的“Skip Distance”意思是越距区，因为有临界角的问题这个区域靠天波反射无法触达。单跳能覆盖的最大距离（0度仰角）大约是4000公里，更远就需要多跳了。因为入射反射角度是一样（镜像）的，每多一跳所覆盖及传播的距离都会增加一倍。因此图中B大约是A的两倍距离（地面及传播路径）。第一跳的入射仰角决定了后继跳的入射仰角。

一般来说电波能经过两、三跳，某些条件下最多能到四、五跳。

对于每一跳来说，经过电离层（特别D层）时都会有大量的能量吸收、各个方向散射，电离层只是能将一部分电波反射（其实是逐渐折射）回地面，而地面也会有大量散射。因此只有一小部分电波能从发射站传播到接收站。在图中B站的接收中，通过单跳过来的信号，要比两跳过来的信号可能高上五到十倍（地形的反射情况、电离层的情况等很多变数）。每一跳的信号损失大约在7～10dB之间。这就是为什么一般很难超过四、五跳。

平地上的水平偶极天线

水平偶极天线是很多天线分析理论的基础，同时也是实践中常用的天线，因此有必要先探讨下水平偶极的辐射图。

因为大地对于短波天线来说相当于一个反射器，短波天线的辐射都要受到大地的影响。水平放置的天线，大部分向下的发射都会被大地反射上来，与其他方向的发射结合到一起生成辐射图。这其中的影响因子有天线高度、频率、其下及周边地面的电气属性等。

结合出来的辐射图，有的方向上会波峰-波峰叠加，总体效果增强；有些方向波峰-波谷叠加，降低辐射。形成的辐射瓣主要受到天线高度的影响，大地的电气属性也会有一点点轻微的影响。

上图是水平偶极天线在不同的架设高度下的竖直方向辐射图，其中深色的线为1个波长架设高度，它被拆成了四个辐射瓣；浅色的为1/2波长架设高度，有左右两个辐射瓣。

低高度天线的发射角度峰值在30度左右；更高天线的峰值在15度及50度左右，不过注意它在某些方向上有洞（两个侧瓣之间。所以说如果给定所需发射仰角的话，天线在某些高度时也可能会出现很低的效率，说明天线过高了。天线一寸高一寸强不是完全绝对的）。

规律上来说，天线越高，增加出来的侧瓣就越多（每个瓣的最大峰值大致是一样的），最下面一瓣就能越贴近地平线。最低角度峰值的公式是（理想地面）：

其中θ是最低（峰值）仰角，h是天线离地的波长数。

所以对于DX来说，一般天线越高发射仰角越小。实际地面的电气状况会造成一些影响，但不大，不影响结论。

yagi之类的波束天线虽然辐射图会在空间里压缩以提供大于偶极天线的增益，但是架设高度对于发射仰角的影响上，仍然跟水平偶极是一致的。

天线高度对于通联的影响

先来看上图。上图是某个站，位于美国东岸麻省的波士顿，在14Mhz（20米波段）上以八木天线与欧洲大陆的通联情况，在整个11年太阳黑子周期里的统计汇总。横坐标是1到30度不同的发射仰角，左侧的竖轴是在不同仰角下传播路径打开的时间百分占比。例如5度下发射有12%的时间能通，11度下有10%的时间能通。波士顿跟欧洲之间能通联的仰角范围在1～28度之间。

同时三架不同高度（120'是36米，70'是21米，35'是11米左右）的八木天线，以不同的颜色标注出其在不同仰角下的增益（右侧竖轴）。

图中可以清楚看到36米天线对于低角度的增益是比较好的，虽然在大于12度仰角上增益并不总是最佳。而21米天线在所有角度上都有不错的覆盖。

再来一张类似的图，这次是波士顿到更远的距离——澳大利亚悉尼的通联汇总。注意到所需的传播路径能打通的发射仰角就更低了。这里最佳的仰角是2度，哪怕对于36米的天线来说都不是最理想了。但是即使如此，36米天线仍然比21米天线在5度的发射仰角上要高出10个dB左右的增益。

再来一张图，换个波段，28Mhz。这个时候能看出，36米的yagi，在很多仰角上出现了空洞（波瓣之间空隙），因此它对于10米波段来说，架设的过于高了。

对于7Mhz波段，上图是旧金山到欧洲的通联汇总整理。这里能看出，36米yagi已经高度不够了，要61米高度天线才能较好覆盖。

天线架设地形对发射仰角的影响

之前的讨论都是在平地上。如果实际驾驶的位置地形并不平坦呢？假设某个天线立在一个小坡上，四周的地面有固定的向下的斜率，其整体效果就是会将发射仰角降低这个斜率。例如地面斜率-3度，原本最低10度的最大增益发射仰角就变成了10-3=7度。当然，实际中如果地面有不少起伏，其响应出来的辐射图还会有改变。

上图是由K5MA（Jan Carman）提供的，在美国西法尔茅斯科德角，面对着日本方向的一个台站，其四周的地形图。在方圆一百五十多米内，他的台站所在的塔四五十米高，然后周边高度迅速下降，在接近一公里外地形降到接近海平面。

上图是用计算机模拟出来的，14Mhz上不同的八木天线的增益响应情况。其中蓝色的是塔上的21米八木，红色是塔上的36米八木，粉红色是作为对照，架设在平地上36米高度八木。

能看出在塔上，在低于3度的范围内，21米天线比36米其实要好一些，但在更高的仰角上就不是这样了。塔上两个天线的增益围绕着平地上的参考天线的增益曲线上下震荡，这都是由于其复杂的周边地形造成的。

7Mhz（20米波段），在6度仰角上，塔上的36米天线比21米天线上高了约3个dB，而且比作为参照的地面上的36米天线增益也高了2个dB。再更低的仰角，例如1度上，这种差距就更明显了。

虽然上述讨论都是研究发射，但对于接收增益来说也是一样。更高天线接收低仰角信号的能力更强。