【天线专题】10KHz–30MHz | 仅靠一块PCB板的短波Mini Whip有源接收天线
仅依靠一小块PCB板就能达到近乎全尺寸天线的接收效果，mini-whip天线接收信号强度略逊于全尺寸天线，但是，有降噪和提高话音分辨度和清晰度的效果，不失为一款值得拥有的便携超小型HF有源接收天线。
MiniWhip天线的基本原理
文：Pieter-Tjerk de Boer，PA3FWM
刊载在荷兰业余广播杂志《电子》（Electron）2014年1月
PA0RDT设计的“ Mini Whip”是用于LF，MF和HF频段的著名有源天线。参见[1]。关于这种天线的工作原理存在许多观点和误解。在本文中，我希望通过一些基本理论对此进行解释。
该图显示了典型MiniWhip天线设置的示意图。它由几米高的桅杆组成，最理想的是在空旷的地方，在其顶部还带有一块小金属板和一个放大器，它们整合一个塑料外壳中（这就是MiniWhip天线）。同轴电缆从Mini Whip沿着天线杆向下延伸到接收器。现在，我们假设桅杆是导电的并且接地，但是如果不是这种情况，我们稍后将看到会发生什么。该放大器是一个电压跟随器，具有很高的输入阻抗，以便不给金属板加载，并且具有低输出阻抗，以便能够为50欧姆同轴电缆提供足够的功率。参见[1,2,3]。这个想法是金属板在其位置“测量”电场，并将结果通过同轴电缆发送到接收器。
为了直观的了解这款天线，和电台小叔BG5WKP看个支持10KHz – 30 MHz HF MiniWhip有源天线测试视频：
原理与电场
让我们做以下假设：桅杆的高度与波长相比较小，并且要接收的信号是垂直极化的。这些是合理的假设：Mini Whip通常被吹捧为LF和MF的天线（因此波长为几百米），并且那些信号主要是垂直极化的（由于相对较近的导电大地的影响）。在较高的HF短波频率下，根据桅杆的高度，这些假设变得不太现实。
这种垂直极化的无线电信号在天线周围的区域中产生垂直场线，因此即所谓的等势面（在其上的电位即接地电压在各处均相同）的表面。Mini Whip中的金属板将具有与其等电位表面相同的电势。
但是，Mini Whip中的放大器不仅与金属板相连，而且还与接地的桅杆相连。更准确地说：放大器测量板和桅杆之间的电位差，对其进行缓冲，然后在屏蔽层和同轴电缆的中心导体之间施加相同的电位差。这很关键：最终在接收器中的信号是平板和桅杆之间的电位差。
这种潜在差异有多大？最简单的推论是，板的电位与距地面几米（桅杆的高度）的电场相同，而桅杆本身处于接地电位（因为其下端接地）。但是，这是一种简化。如果整个桅杆都处于接地电位，则较高等电位的表面将无法穿过它，因此必须变形。
桅杆周围的等势面
该图显示了变形的曲面的外观（通过让我的计算机求解相关的麦克斯韦方程式来计算）。底部的黑线表示地球。上面有一个（相当厚的圆柱形）桅杆，上面漂浮着一块金属块，两者也都以黑色显示。金属块是MiniWhip的金属板。红线是等势面，或者说是切穿它们的地方。这些线中的每条线都对应一个以伏特表示的电势：该等电势表面的电压w.r.t。地面。大地和桅杆本身处于接地电位，例如0伏。最低的红线可以例如为1μV，下一个为2μV，依此类推。
等电位线表面远离桅杆，几乎是水平的，就像人们期望的是垂直极化电场一样。由于整个桅杆都处于接地电位，因此桅杆周围会扭曲。而且在其上方的金属块周围，线路也会变形，因为导体上的电势到处都是相同的。但是实际上，失真还不是太严重。在金属块上，电位与在相同高度远离桅杆的电位几乎没有什么不同。进一步的计算表明，随着桅杆变薄，变形减小。
孤立的桅杆
如果门架不导电怎么办？放大器仍将测量极板与放大器电路“接地”之间的电势差。如果桅杆不导电，则唯一连接到电路接地的是同轴电缆的屏蔽层。在这种情况下，将测量板与电缆屏蔽层之间的电位差。如果电缆屏蔽层牢固地连接到更远的地方，则其作用与接地的桅杆一样好。但是，如果屏蔽层未接地，进入电台小屋并连接到“脏”地（例如，电源安全地），那么，那个脏地上的所有噪声都会导致放大器输入端的电位差，因此最终进入接收器。因此，良好接地是很重要的。
用玻璃纤维代替同轴电缆可能是一个主意。这样可以消除所有通过同轴电缆进入放大器的噪声。但是，如果没有与外部的任何导电连接，整个电路将处于相同的电势，因此接收到的信号将不会引起可以传递给接收器的电势差。结果，什么也收不到。PA0RDT最近在实践中尝试了此操作，并在RSGB-LF邮件列表中进行了报告：实际上，他什么也没收到。
偏振
PA0RDT的另一项有趣的实验是，不将天线放在花园中的垂直杆上，而是放在窗户外的水平杆上，同轴电缆也连接到该水平杆上。他这样做的方式是，两种情况下的金属板最终都在同一位置，并注意到垂直极化的MF信号的接收同样强。乍一看，这表明天线没有极化：即使整个设置从垂直旋转到水平，接收信号也一样。
但是，这个结论是不正确的。放大器仍会测量极板与磁极（如果已导电且接地）或同轴电缆屏蔽层（可能通过电源接地）之间的电势差。因此，仍然在板（也位于同一位置）和地面（也没有变化）之间测量电势差，因此可以预期得到的信号是相同的。接地连接是垂直下降还是部分水平走弯都没有关系，只要弯路与波长相比较短即可。
蝶形天线或鞭状天线
像MiniWhip一样，大多数有源电场天线都不使用金属板，而是使用大约一米长的鞭状天线。这对于操作没有本质的区别。如果这样的鞭状天线比波长短，则将假定其周围的平均电势，在这种情况下，该电势比桅杆顶部高约半米。这半米的额外高度几乎不会影响到地面的电位差。
但是，还有另一个重要的区别，即板或鞭的电容。鞭每米长的电容几乎为10 pF，略微取决于其厚度。圆形金属板的电容为每厘米直径约0.35 pF（与直径成正比，而不是人们期望的面积）。我还没有找到矩形板的公式，但是形状不要太大，因此典型的MiniWhip板电容约为2 pF。该电容很重要，因为它与放大器输入电容一起形成电容分压器。如果板或鞭的电容较小，则在连接放大器时，会残留较少的电压。
方向性
场线和波因廷矢量
在我们可以说出天线方向性之前，最好仔细看看什么是无线电信号或确定无线电信号的“方向”。该图显示了垂直极化的发射天线，以及该天线在远距离（所谓的远场）产生的电场和磁场线。我们看到电场线是垂直的，这并不奇怪，因为电场是由例如电场引起的。偶极子天线的上半部带正电，下半部带负电（或者相反，半个周期后）。我们还看到磁场线是水平的，在天线周围形成一个大圆圈。这也是可以预料的，因为我们知道磁场线会在载流导线周围形成圆圈。
该图还显示了所谓的坡印亭矢量（Poynting vector）。它以英国物理学家J.H.指向，并指向波的传播方向。从数学上讲，它是由电场和磁场矢量的所谓外积给出的。可以通过转动左手来确定其方向，以使其抓住磁力线进入其手掌，并且手指与电场线对齐；然后拇指指示坡印亭矢量（Poynting vector）的方向。
天线如何比一个方向对来自一个方向的信号更灵敏呢？如果天线可以直接检测坡印廷矢量，则将很容易，因为该矢量直接指示传播方向。然而不幸的是，天线不响应坡印亭矢量（Poynting vector），而仅响应电场和/或磁场。
天线具有方向灵敏度的第一种方法是通过在几个位置测量电场或磁场，然后在这些位置“比较”信号的相位。这种情况发生在在八木天线中：从笔直前方到达的信号比偶极子更早到达第一指向矢。但是，对于小型天线，此原理不起作用：如果天线与波长相比较小，则信号几乎同时到达天线中的所有位置，因此不会产生明显的相位差。
小天线的方向性
为了使小天线具有方向敏感性，唯一的可能性是使用电场线和磁场线本身的方向。不幸的是，它们并不总是揭示信号的方向。
考虑上图中的垂直极化场。接收器所在位置的电场线是垂直的，无论发送器是左还是右，前还是后。因此，我们不能从电场中得出信号来自哪个方向的结论。（好吧，我们可以得出结论，信号是从天空中水平而不是陡峭地进入的。但是通常这并不那么有趣。）
相反，磁力线确实说明了方向。如果例如发射器在我们的西边，那么磁力线在南北方向。如果发射器在我们的北方，则磁力线向东/向西延伸。但这并不是明确的：如果发射器位于我们的南部，那么磁场线也将位于东西方。换句话说：在垂直极化信号的情况下，磁场线会告诉我们信号从哪个方向发出，尽管不确定度为180度。当然，这是从带有内置铁氧体棒状天线的便携式中波无线电中众所周知的：这样的天线是方向敏感的，但是如果将其旋转180度，接收不会改变。
位于80米处的Fox猎手/ ARDF参与者还使用铁氧体天线，它们响应磁场线的方向。为了解决180度的歧义，这些接收器通常具有一个附加的“感应天线”：响应电场的鞭子。如前所述，该磁场没有说明信号的方向，但是可以解决磁场线的180度歧义：根据方向，电信号与磁信号同相或异相180度。
这些原理的一个很好的应用是DF6NM的定向长波接收机[4]。他使用两个呈90度角的磁性天线确定信号的方向，并使用一个电天线解决180度的歧义。他使用这些数据来生成瀑布图，其中的颜色表示方向。
到目前为止，所有考虑都与垂直极化信号有关。对于水平极化的信号，情况则相反：电场线水平延伸并显示方向，而磁场垂直，则什么也没说。
MiniWhip的方向性
那MiniWhip呢？我们已经看到，它对垂直极化信号的电分量作出响应，并且与波长相比很小。那么只有一个结论是可能的：它不是方向敏感的。
但是，MiniWhip确实有一个垂直下降：它不会响应来自上方的信号。这样的信号的电场线和磁场线都是水平的，因此该天线没有响应。在Twente大学的WebSDR中，这一点非常明显。有时荷兰用户抱怨其天线质量不好，因为他们听不到80 m处的荷兰电台的声音太好。但是这些信号几乎是从电离层反射回来的。
有人建议为了接收来自笔直上方的信号，应该在MiniWhip的垂直板上端安装一个水平板。这是行不通的：MiniWhip仍会测量极板与地面之间的电势差，对于来自直线向上的信号，该差为0。
结论
从所有这些理论中我们可以得出什么结论？
MiniWhip是垂直极化的。
接地很重要：如果天线仅通过同轴电缆在电台小屋中接地，则可能会吸收很多噪声。顺便说一句，接地不需要是流电的：即使不直接接地，大块金属也可能具有足够的接地能力。
接收信号的强度与天线在地面上方的高度成正比，只要它的w.r.t.波长。
桅杆是否导电对于接收来说几乎无关紧要。但是，如果门架是导电的，则当然不能在门架上方而是在门架上方安装天线板。
天线是全向的，除了垂直向下倾斜。
金属板的方向或形状无关紧要；b.t.w.，对于基于鞭的有源天线，鞭也是如此。
电位测量演示
到目前为止，关于等势面的全部考虑都是纯粹的理论。但是，正如我在2013年的“业余业余无线电大会”（Dag voor de Radio-Amateur）（荷兰业余无线电大会）上所演示的那样，我们实际上可以对其进行测量：
电位测量设置
我们看到两个大的导电板，在它们之间施加了交流电压。因此，在板之间存在类似于来自遥远的垂直极化发射器的电场的电场。我们可以放例如下部板上的一堆金属罐可以模拟桅杆。使用“探针”，我们可以在任何地方测量电势。或更准确地说，我们可以测量电势差w.r.t.接地，在这种情况下为下板。
“探针”本身由一块金属制成，后跟一个具有很高输入阻抗的放大器。实际上，该放大器的功能与MiniWhip中的放大器相同。它不测量探头位置的电势，而是测量与地的电势差，接地参考通过探头和电表之间的柔性屏蔽电缆的屏蔽层到达。
该仪表的输入阻抗（基于[5]）已通过使用“自举”技术提高了：两个蓝色电容器确保了连接到输入的组件（即FET）另一侧的电势和10M电阻）随输入电势而变化。因此，这些组件的寄生电容不再具有影响。在我的电路上，我测得的输入电容为0.5 pF。在我的情况下，这块金属的电容约为2 pF，因此，实际上，缓冲电路不会将其负载太多。
非极化天线？
如上所述，Mini Whip是非极化的并不正确。但是，从更普遍的角度来看，这是正确的：从理论上讲，不可能制造出非极化的天线，也就是说，接收水平，垂直，圆形和椭圆形的极化都同样好。以下“ Gedanken experiment”证明了这一点。
让我们假设我们确实有一个非极化的天线。首先向该天线施加一个水平极化的信号场，然后再施加一个同样强的垂直极化场。由于声称的天线是非极化的，因此两种情况下的输出都必须同样强。接下来，同时施加两个信号。天线的输出信号现在必须是两个单独信号的总和。最后，更改两个信号之一的相位，以使输出处的两个信号处于相反相位：然后它们将彼此抵消，因为它们相等。因此，我们现在将信号施加到天线，该信号的极化是水平极化和垂直极化的混合，并且具有一定的相位差：这是椭圆极化信号，并且天线没有响应。这意味着最初声称天线对所有极化均同样敏感的说法必定是错误的！
参考资料：
[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
粉丝点评：
风吹6700：
天线理论就是这样研究的，可效果如何呢？有源天线何时能比得过那个“够长”的线缆是一直期待的事情。非常心疼研究天线的博士们，太苦啦！
抗震救灾车队：
接近1/4波长的偶极线天线基本是王道，其它的只能是折中。电小天线一直是人类的追求。