集中讨论垂直单极子天线

　　图13 h =0.25λ时，随地网辐线长度和数目（ N ）的变化曲线。 N 较小时，使地网辐线的长度大于0.1λ意义不大。对于给定长度的地网辐线，增加 N 会减小 Rg ，此时增加地网辐线的长度有用，可进一步减小Rg。取其他力值时情况类似。
　　这样的地面系统效率很低，即 Rg 较大。当仅使用16条地网辐线时，将电网线的长度增大0.1λ， Rg 下降1~2Ω，地网辐线的长度大于0.1λ长时， Rg 随地网辐线长度的变化曲线开始变得平坦。没有必要继续增大地网辐线的长度，因为超过0.1λ后，地网辐线外端中的电流很小， Rg 基本保持恒定。增加地网辐线的数量，更远距离处地网辐线中的电流会增大，此时增加地网辐线的长度是有用的。这种效果是不断累积的﹣﹣地网辐线的数量越多，地网辐线的有效长度越大，进而减小了地面损耗。如图3-14所示， Rg 随地网辐线数量的增加而降低，在地网辐线的外端变得平坦。例如，使用128条地网辐线时，地网辐线的有效长度为0.25λ或更大。
　　图13的例子中，地网辐线使用＃12线。与土壤相比，地网辐线的电阻非常小，尤其是当使用的地网辐线数量很多时，无论地网辐线多细，对总的损耗的影响都不会很大﹣﹣改变地网辐线的尺寸，地面和地网辐线系统中电流的比值将随之缓慢变化。使用更粗的地网辐线也只能极小地减小 Rg 。原则上讲，地网辐线应该选用很细的导线。不过在实际应用中＃18或＃20已经足够细了。线太细了，埋入地下时很容易断掉，铺设在地面上，行人和车辆的碾压也很容易让它断掉。
　　另外，比＃12粗的导线很贵。铺设数千英尺的＃8线，所需的资金对于广播站来讲也许是可以承受的，但是对于大多数业余爱好者来讲却并非如此。并且即使将线的尺寸从＃20增加到＃10， Rg 的减少量也很小。当然，正如W9QQ（T 。 Hullick ，W9QQ，“ A Two - Element Vertical Parasitic Array For 75 Meters ，” QST ， Dec 1995， pp 8~41.）所指出的那样，如果你恰好有数千英尺的 RG -8旧电缆（其直径与＃0000线相当），那么的确可以较为有效地减小 Rg 。不过，使用小尺寸的导线比使用大尺寸的更符合经济效益。选择什么样的尺寸的导线，更多的是机械上和经济上的问题，而不是电学上的问题。
　　改变图13例子中的地面特性，曲线的形状保持不变，但是会发生上下移动。例如，干燥土地的 Rg 较大，但是对于给定的 N 值，地网辐线的有效长度将增大。潮湿土地的导电率较大， Rg 较小，对于给定的 N 值，地网辐线的有效长度变短。
　　对短天线而言， Rg 开始下降得非常剧烈，很快，它的变化曲线变得平坦。这说明对短天线而言，可使用相对较短的地网辐线。考虑到短天线系统中的高损耗，最好铺设大量的地网辐线。与前面的例子一样，增大 N 将同时增加地网辐线的有效长度。
　　频率从波长160m开始增大， Rg 将随之缓慢增大，并稳定在7MHz频率附近，这取决于地面特性。这一点同趋肤深度与频率的变化关系相类似，具体将在后面文章部分加以讨论。同时，频率增加时，地网辐线与地面中的电流比值将有一个小的变动。
　　7．注意
　　在前面讨论中，我们给出了很多的曲线图。通过观察这些图表，我们可以知道应该怎样来设计地网辐线系统。每张图在推导时都假定地面的导电率和介电常数已知。但是，在实际中，业余爱好者对天线下面的地面特性只有一个粗略的了解。并且即使经过了仔细的测量，在一年中，地面特性还会随着降雨量的变化而变化。
　　由于土壤在竖直方向上总是分层的，在可与地网辐线长度相比拟的距离范围内，在水平方向上地面特性可能会成比例变化﹣-2倍或更大。因此，再精密的测量，所获得的结果也只是一个平均值。另外，通常对地面系统的尺寸和形状会有所限制。所以，我们可使用前面的计算结果和图表作为总体的指导思想并作出初步设计，但是实际安装地面系统，我们应该试着去测量，或者至少是估计出 Rg 值。
　　Rg 值停止下降，或者我们的耐性或资金用完时，就应该停止增加地网辐线的数量了。我们可以使用阻抗电桥来测量馈点电阻以估算 Rg 值。天线馈电点阻抗等于辐射电阻和损耗电阻之和。要确定 Rg 值，首先要估算 Rr ，（根据天线高度）和其他加载、导体引起的损耗，然后将它们从总的输入电阻中减去，差即是 Rg 。增加地网辐线数量， Rg 将随之减小。 Rg 停止减小时，恐怕我们已经铺设了相当数量的地网辐线了﹣﹣其长度等于有效长度。要进一步减小 Rg ，需要更多更长的地网辐线。。
　　8．有关垂直天线地面系统的一些实用的建议
　　如果条件允许，地网辐线的数量至少要达到16根。实验和计算结果表明，地网辐线数量为16时，依据地面特性的不同，损耗电阻使0.25λ垂直天线效率下降30%~50%。一般而言，对于安装在地面上的垂直天线来说，更好的方法是铺设大量的地网辐线（即使它们中的一些甚至是全部都比较短），而不是只铺设几根长的地网辐线。导体的直径并不那么重要，这一点前面已经讨论过，#12到＃22之间的铜导线就可以了。
　　表1对上述结论进行了归纳。 John Stanley ，K4ERO最先在1976年10月的 QST 中提交了这份材料。另外一份地面系统设计的资料是 Radio Broadcast Ground Systems 。表1中的大部分数据来表自于该资料，或者从该资料所提供的数据推导得到的。
　

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　　表1是基于地网辐线数量的。不同的配置对应不同的最佳地网辐线长度和导线使用总长（用波长度量）。
　　对于给定的 N 值，使用比表中所建议的更长的地网辐线，或者地网辐线长度确定的情况下使用更多的地网辐线，虽不会使系统性能变差，却也不能明显地改善性能。这明显不符合导线和时间使用的最优化原则。在可使用导线总长给定的条件下，表中的每一条建议满足地网辐线长度和数目的最优化。表1给出了以下几条建议。
　　如果只铺设了16条地网辐线（配置 A ），这些地网辐线不需要很长，0.1λ就足够了﹣﹣频率为1.8 MHz 时，地网辐线的总长为875英尺。
　　如果你有足够的导线、空间和耐性来铺设120条地网辐线（配置 F ），此时选取地网辐线长度为0.4λ。该地网辐线系统与16条地网辐线系统相比，可获得3 dB 的增益，频率为1.8MHz时，导线总长为48λ（26000英寸）。
　　如果铺设36条0.15λ长的地网辐线，与配置 F 相比将损失1.5 dB 。频率为1.8 MHz 时，导线总长为5.4λ（3000英寸）。
　　表1假定 h =0.25λ。使用更短的天线时可以做一个大略的近似：天线高度减半则损耗增倍（ dB ）。对更高的天线而言，按表1中的配置 A ，随天线高度增加，损耗将下降，最多可下降2 dB 。天线越长效果越好。
　　表1中地面的导电率取平均值。不同配置之间损耗的变化是相当可观的，尤其是当使用的地网辐线较少时。如果天线安置在干燥或砂石地面上，损耗将更大。另一方面，地面导电率高于平均值的潮湿土壤时，辐线数目最少的那些配置更有吸引力。天线（无论是寄生天线还是全激励天线）排列成阵列时，天线之间的互阻抗会降低各个天线元的辐射电阻，这将极大地增加地面损耗，因为在相同的功率水平上，I₀变大了。例如：天线馈点阻抗为50Ω，其中10Ω为地面损耗电阻，天线效率近似为83%。由两副相同天线组成的有源天线阵，效率将下降到70％或者更低。
　　在这些情况中，为了获得理想的效果，我们必须特别注意。一般而言，宽间距边射天线阵在这方面的问题很小，因为 Rr 很大。但是，除非采用了低损耗的地网辐线系统或其他预防措施，尽量不要使用小间距端射天线阵，因为 Rr小得多。后面文章会对对垂直天线阵进行了详细讨论。
　　天线的方向性比较好或空间上允许时，可以在一个方向上铺设宽间距的长地网辐线，而在另一个方向上铺设小间距的短地网辐线。多频带地面系统在不同频段使用的最优化配置不同。通常，低频段使用的地网辐线数量较少。频率升高，增大短地网辐线的数量，可获得更好的效果。
　　就表1中的配置来说，具体操作时不需要那么严格，地网辐线数量或长度的小的改变并不会引起大的问题。32条0.14λ或者40条0.16λ地网辐线系统的使用效果同配置 C 相差不大。
　　如果地网辐线的数量少于90，那么它们的长度没有必要取到0.25λ。这一点与接地平面天线（谐振辐射棒安装在地面上空）相比有很大的不同。对一副安装在地面上的天线来说，辐射棒取0.25λ长并不是最优的，因为这些辐射棒实际上是安装在地面上的，如果辐射棒完全位于地面上，则它们通过电容或导体与地面耦合，此时谐振效应变得不再重要。地网辐线的作用就是为地面电流提供的一个低损耗的流通路径。
　　Radio Broadcast Ground Systems 中指出“实验表明：包含15条地网辐线的地面系统，每条地网辐线长0.1λ就足够了，再长则没有必要，包含113条地网辐线的地面系统，每条长度可以超过0.5λ”。该文献给出了大量图表对这个说法进行了验证。当然，这并不是说这两套系统的效果一样，事实上也不一样。但是，如果每条地网辐线的长度为0.1λ，那么就没有必要使用比15条还多的地网辐线，除非垂直天线的高度也很小。天线设计者应该：
　　弄清楚各种地网辐线配置的花费和收益：
　　比较各种增大发射功率的方法及其花费：
　　考虑增加垂直天线的高度（电长度），而不是一味去改善地面系统。
　　使用多元天线阵来满足方向性和增益要求，注意与互阻抗相关的必要的预防措施。



原作者：BG4ICC 火腿天线