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方框天线

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方框天线单个单元的尺寸
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一个业余无线电台使用的两单元方框天线
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一个四单元业余无线电台天线。正在作业的两名工人显示了其规模。金属丝环形单元悬挂在交叉支撑结构的末端，几乎难以察觉。

方框天线（英語：Quad antenna）是一种用于高频（HF）和甚高频（VHF）频段的定向线天线。它属于八木天线的一种，与普通八木天线的区别在于方框天线使用环形单元而非偶极天线作为辐射单元。一个基本的方框天线由一个驱动单元和一个或多个寄生单元（英语：Driven and parasitic elements）组成。环形单元通常呈方形，也可以采用圆形或其他形状。 方框天线主要被业余无线电爱好者用于 HF 和 VHF 业余频段。

历史

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方框天线并非由某一项单独的发明直接发展而来，而是经过多种環形天線设计逐步演变形成的。

1924 年，Moses Jacobson获得了一项菱形环形天线专利[1]。

1938 年，George Brown等人获得了一项环形天线专利。该天线采用菱形结构，每条边的长度为四分之一波长[2]。

1951 年，克拉伦斯·摩尔（英语：Clarence C. Moore）获得了一项双环天线专利。摩尔当时是 HCJB 的工程师兼基督教传教士。HCJB 是一家位于安第斯山脉高海拔地区的短波福音电台。由于当地空气稀薄，使用高电压定向天线时容易产生严重的电晕放电，因此摩尔希望通过新的天线结构解决这一问题。他将自己的设计称为“方框”（Quad）天线，并把这种结构描述为“拉开的折叠偶极天线”[3]。

虽然摩尔的专利核心是一种双环单元结构，这种结构与今天通常所说的方框天线并不完全相同，但专利中已经提到了双单元单向方框天线，并给出了相应的示意图。专利还描述了全波环形天线的设计思路：

摩尔后来回忆道：

摩尔的设计消除了电晕放电所造成的问题。普通偶极天线的导体存在端点，在高电压下容易产生所谓的“端点效应”，而闭合的环形单元没有这样的端点，因此可以避免这一问题。

环形结构还带来了其他优点。上述引文所说的较高阻抗意味着较低的电流，从而可以降低馈线中的损耗；同时，环形单元组成的八木天线也可以获得比普通偶极八木天线更高的增益。

1957 年，James Sherriff McCaig获得了一项双单元多波段方框天线专利，这种结构后来被称为「立方方框天线」[5]。

1960 年，Rudolf Baumgartner在瑞士获得了方框天线的专利[6][7]。

1969 年，Werner Boldt发明了 DJ4VM 方框天线[8]。

1971 年，Hans F. Ruckert发明了“单环三波段立方方框天线”[9]。

与偶极八木天线相比的特点

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对环形单元构成的八木天线，即方框天线进行的测试表明，与采用偶极天线作为辐射单元的传统八木天线相比，方框天线存在一些优势[10]。

极化方式灵活
改变馈电点的位置即可较容易地改变天线的极化方向，使其在水平极化和垂直极化之间切换。
更容易实现多波段设计
与多波段八木天线相比，多波段方框天线的设计相对容易。
更高的增益
两单元方框天线的增益几乎可以达到三单元八木天线的水平，比普通偶极天线高约 7.5 dB。三单元方框天线的增益则高于三单元八木天线。
不过，随着寄生单元数量增加，继续增加方框单元所带来的增益会逐渐减小。威廉·奥尔（英语：William I. Orr）对此曾指出方框天线阵列中寄生环形单元的最大实际数量限制为 4 或 5 个，尽管理论上拥有 20 或 30 个寄生引向单元的寄生定向天线更加高效、增益更高[11]。
较高的阻抗
阻抗会受到天线离地高度、单元间距以及周围环境等因素影响。不过，方框天线的辐射电阻通常高于八木天线，因此与 50 Ω 同轴馈线的匹配通常更为有利。
对安装高度要求较低
奥尔曾指出一个安装在离地 35 英尺的高度两单元、三波段的方框天线即可在三波段八木天线无法胜任的情况下提供良好的性能[12]。
所需桅杆较短
奥尔在 1996 年介绍过一种覆盖 10 米、15 米和 20 米三个业余频段的双单元方框天线，其支撑桅杆高度仅为 6 英尺 10 英寸[13]。
多波段单元可以相互嵌套
多波段方框天线中，不同频段的环形单元之间相互影响较小，即使使用同一条馈线也可以正常工作。因此，可以将尺寸较小、工作频率较高的方框环嵌套在尺寸较大、工作频率较低的方框环内部。这样，一个天线就可以通过嵌套多个环形单元覆盖多个频段[14]。
关于较低辐射角的说法
长期以来，一直存在一种说法，认为方框天线比八木天线能够“更早打开远距离传播”，也就是说，在相同条件下，方框天线具有更低的辐射角。
Root在 2008 年指出，这种说法已经流传了约 50 年，但计算机建模并未发现方框天线与八木天线之间存在这样的差异。Root认为，方框单元在垂直方向上的两条边可能产生额外的低角度辐射分量，从而造成这种印象[15]。

与其他天线相比的缺点

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带宽有限

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如果将三单元方框天线调谐到获得最大增益，其工作带宽会受到限制。当天线偏离设计频率时，寄生单元的近谐振状态会遭到破坏，从而导致性能下降。

不过，可以适当加长引向单元，以牺牲约 1 dB 的增益为代价换取更宽的工作带宽。

维护困难

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方框天线是三维结构，因此维护起来通常比平面天线更加困难。即使使用可倾倒式塔架，维修人员有时仍需要使用高梯或高空作业车。

针对立方方框天线、旋转器或塔架的维护，也有专门的锁定机构，可以将整个塔架放倒到地面。这类机构在桅杆下降时会解除天线的固定，使天线随之转动并避开塔架；当桅杆重新升起至工作位置时，天线会在重力作用下重新锁定。

E-Z-O 变体

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一个三单元E-Z-O天线

2008 年，Daniel Mills设计了一种可能改进方框天线结构的天线，并将其称为 E-Z-O 天线[16]。E-Z-O 天线使用柔性介电质代替刚性杆来支撑环形辐射单元。米尔斯认为，由于这种天线的环形结构更接近圆形，其增益略高于传统方框天线。这种设计还表现出较为明显的介电效应，其对高频段环形单元的影响程度出乎预期。最佳的单元长度需要通过实验确定。

Jefferies 和 Koulouris在2003年的一篇文章中曾指出目前还没有关于将环形天线包裹在介质中的报道工作[17]。

参考

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文献

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  1. ^ US patent 1747008,Moses Jacobson,「Antenna」,发行于1942 
  2. ^ US patent 2207781,George Brown and others,「Ultra high frequency antenna」,发行于1938 
  3. ^ US 2537191,Clarence C. Moore（英语：Clarence C. Moore）,发行于1951 
  4. ^ Orr, William Ittner; Cowan, Stuart D. All about Cubical Quad antennas (PDF) 2nd. Wilton, Conn: Radio Publications. 1970: 8 （英语）. 
  5. ^ GB patent 850974,James Sherriff McCaig,「Improvements relating to composite aerials」,发行于1957 
  6. ^ CH patent 384644,Rudolf Baumgartner,「Vollgespeiste Richtantenne für Kurz- und Ultrakurzwellen」,发行于1960 
  7. ^ Blattenberger, Kirt (ZS6PP). The Swiss quad antenna at ZS6PP. QST（英语：QST） Magazine. 2021-08-05 –通过RF Cafe. 
  8. ^ Boldt, Werner. A new multiband quad antenna (PDF). Ham Radio（英语：Ham Radio (magazine)）. August 1969: 41–46. [永久失效連結]
  9. ^ Ruckert, Hans F. Mono-loop tri-band cubical quad. CQ Amateur Radio（英语：CQ Amateur Radio）. January 1971: 41–43. 
  10. ^ William I. Orr（英语：William I. Orr）; Cowan, Stuart D. All about Cubical Quad Antennas (PDF) 3rd. Radio Publications. 1982 [2023-10-07]. ISBN 978-0-933616-03-5. LCCN 82080282. 
  11. ^ Orr & Cowan (1982), p. 48
  12. ^ The ARRL Antenna Book 17th. Newington, CT: American Radio Relay League（英语：American Radio Relay League）. : 12￭1–12￭13. 
  13. ^ William I. Orr（英语：William I. Orr）. The W6SAI HF Antenna Handbook. CQ Communications. 1996. ISBN 978-0-943016-15-3. 
  14. ^ Orr (1959), p. 63
  15. ^ Root, Stephen J. Design and construction of a quad that will last (PDF). National Contest Journal（英语：National Contest Journal） (Newington, CT: American Radio Relay League（英语：American Radio Relay League）). January 2008: 5 [2021-02-25]. 
  16. ^ Mills, Daniel. New Antenna Design - A Successful Alternative to the Cubical Quad. N8PPQ. [2025-12-12]. 
  17. ^ Jefferies, David J.; Koulouris, Athanasios. Dielectric loading of ADR antennas: Experimental results. antenneX. No. 69 online. January 2003 [2022-08-09]. （原始内容存档于2018-06-24）. 

来源

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外部链接

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