如今具有高度活動性且頻率範圍在GHz之譜的小型無線裝置當道，具有歷史意義的長線型偶極天線似乎已經過時，但事實並非如此。這種天線具有許多優點，因此仍廣受軍事、緊急服務、廣播電台及業餘無線電愛好者喜愛，用於遠距全球點對點連線和廣域廣播。
偶極天線的優點包括靈活、設定簡單、可調整輻射場形、對外能見度低，以及尺寸小巧，無論包裝或攜帶都十分方便，主要應用在低於30MHz(10m波長)的頻率，這在以往稱為高頻(HF)，指3MHz~30MHz的頻段，也可用於較低的頻率/較長的波長。偶極天線的另外一個優點是，若在偶極兩臂中添加名為陷波器的簡易諧振電路，則單一條偶極天線就可同時用於多個頻段。
以下將概述長線(偶極)天線的原理、指出一些理論與現實的考量因素，並說明陷波器如何充分發揮多頻段天線的優勢。其中某些考量適用於其他偶極配置，例如摺疊式偶極，但不同配置間也有明顯差異。
為何使用長線偶極天線？
如今許多天線屬於短式天線(大多數尺寸約為1m或更短)，或幾乎看不見，例如智慧型手機中的晶片諧振器，以及PIFA平面倒F形天線，因此長線偶極可能給人過時或稀有之感。但馬克士威方程式(Maxwell's Equations)與波形理論顯示，一個有效的偶極輻射器/接收器，其主要尺寸必須是其相關波長的一半。這種經典的偶極天線並未接地，為發射器功率放大器和接收器前端放大器提供均衡、對稱的負載(圖1)。一個理想的偶極，標稱阻抗為73Ω，但通常直接說是75Ω，此差異甚小可以忽視。若將天線連到常見的50Ω饋線，饋線和天線之間就須採用適度的阻抗匹配配置。
圖1 這款基本的經典偶極天線有兩個四分之一波長臂，在諧振工作頻率下顯示為73Ω平衡電阻負載
圖片來源：MicrowaveTools
如果這款偶極採用細線，頻寬通常約為中心頻率的5%；若採用粗線，頻寬將增加20%之多，但會影響其他效能屬性。如果是透過接地電路連到發射器或接收器，並使用同軸纜線當作饋線，可能須使用平衡不平衡轉換器的變壓器。但是，只要阻抗匹配得宜，許多情況也能直接使用同軸纜線。
長線偶極天線的設計簡單，因此吸引力顯而易見。只要使用兩段等長的電線，並找方法連接到樹木、建築物、路標或任何手邊物件即可。天線通常不會直接連到這些支撐物上，而是用一段電線和絕緣體當作連接「隔離柱」(圖2)。
圖2 偶極一般是透過絕緣體和電線線段連到支撐物上，以便偶極臂長度能獨立維持，不受支撐物之間的距離影響
圖片來源：Physics Forums
實際上，由於電線厚度有限，而且有其他偏離理論的情況，因此實際的天線長度可能須進行調整，才能達到最佳效能，但這種調整通常小於5%。即使未調整，效能通常也很優秀，電壓駐波比(VSWR)通常低於一般可接受的1.5:1。
在天線阻抗明顯偏離或不符的情況下，VSWR會升至不可接受的程度，因此效能會受到影響。在此情況下，會在饋線中使用可調整的天線調諧器進行補償，並且實施過渡。
偶極的理論增益約為2dBi(dB相對於等向性)其輻射場形很簡單，通常呈現圓環狀(圖3)。
圖3 偶極的輻射場形，一為垂直平面上視圖(A)，一為水平面側視圖(B)，形狀像圓環
圖片來源：Science Direct
使用者可以調整天線方向，將最大發射器能量/接收器敏感度導向預期的無線電收發器(通常位於數千哩外)。過去有許多記錄顯示，在大氣傳播條件適宜的情況下，在20m和40m處使用發射功率遠低於1W的偶極，能在數千哩外成功通訊，一切都要歸功於其優異的效率和輻射場形。
多頻段運作讓功能更多元
在許多真實的高頻通訊情況下，必須嘗試同時在多個頻段中建立聯繫，或在不同的時間切換頻段，因為連接性會隨許多變數而異，例如太陽黑子、大氣雜訊、在白天還是夜間運作，以及不斷變化的傳播條件。因此，單頻段偶極天線可能不足以勝任。
要解決問題，顯然要設置多條偶極天線，各負責不同的頻段/波長。但此作法有諸多實際層面的困難，包括多條饋線的裝配、纏結、管理和切換。有時雖能利用射頻(RF)分配器/結合器，將一條饋線連接至兩條天線，但這會引發損耗和新的阻抗匹配問題。
所幸有一個更好的解決方案，就像偶極一樣，從最早的無線年代使用至今，稱為「陷波器」。目前尚不清楚此術語是誰於何時首次提出，1941年美國專利2,229,865號提出此技術時，並未使用這個名詞。陷波器是一種簡單的並聯式電感電容(LC)組合，可在兩個相關頻段之間自諧振。
在偶極每個臂中插入一個陷波器，可讓天線有兩種電氣長度但只有一個實體長度。頻率低於諧振頻率時，陷波器的電抗會是電感式；高於諧振頻率時為電容式。陷波器就像開關一樣，在陷波器的設計頻率下，以電氣方式切斷天線其餘部分，並在低於天線諧振頻率下充當負載線圈。
在陷波器的簡化電氣模型中，可顯示實體電感和電容，以及微弱的寄生電阻(RP)(圖4)。
圖4 陷波器是一種簡易的諧振LC電路，帶有一些非預期但無法避免的電阻，可以採用串聯配置(a)，或當作並聯RLC電路(b)
圖片來源：AntenTop
陷波器最大的問題在於損耗，這會是傳輸和接收模式的隱憂。然而，陷波器若經過適當設計和調諧，就可讓損耗維持在1dB程度，在追求便利性的前提下，這通常可以接受。
選擇陷波器元件值
在數學層面，有無窮無盡的LC配對數量能產生所需的諧振頻率。但在許多情況下，須採用與超大(或超小)電容匹配的超小(或超大)電感。這種配對會受到寄生元件和實體尺寸問題的嚴重影響，其品質因數對相關頻段來說，不是太窄就是太寬。
所幸，在挑選陷波器尺寸方面，目前有很多根據理論、實作和現場實際經驗寫成的文獻。舉例來說，對於80/40m的偶極來說，其適合的陷波器可採用5.55μH電感搭配100pF電容(圖5)。
圖5 圖中顯示的元件值和偶極線性尺寸(以呎為單位)，就是適合80/40m多頻段偶極的好選擇
圖片來源：QSL Net
挑選陷波器元件時，不只要判定合適的L和C值，還有些與功率處理及耐用度相關的現實問題要考量。若是純接收的天線，幾乎任何電感或電容都能處理非常少量的接收功率(只有幾毫瓦程度，且通常更低)。但是，發射器提供的功率級別通常介於數十瓦、數百瓦甚至更高，因此陷波器元件的額定值必須可配合上述功率級別。
陷波器亦會受到天氣影響。雖然某些偶極天線位於良性環境，例如閣樓或木質穀倉，但多數都在室外，必須承受雨水、風壓、極端溫度、冷凝等自然現象。因此，陷波器及其連接必須完全密封、具有某種排放和通風配置，或以耐天候的材料製造。即使連接保持完整無損，一旦進水或腐蝕就會影響元件值，進而改變諧振頻率。
陷波器構造通常須使用共形塗層，或某種耐天候的外露結構，將其元件密封裝入塑膠盒中(圖6)。通常會使用低成本的聚氯乙烯(PVC)管道作為纏繞電感的核心；在其他情況下，則會使用具有緊密端蓋的PVC管道作為外殼，並且搭配防水的取用孔。
圖6 自製的80/40m陷波器，在PVC管周圍使用手繞電感作為其核心支撐物
圖片來源：www.vk4adc.com
還有另一個實際的問題須納入考量：陷波器元件的調諧和修整。雖然首要步驟是計算元件值，但礙於寄生元件、電線直徑及電感繞組的缺陷(還有更多現實因素)，這些理想值往往有所不足。
因此，多數自製的陷波器及許多商業陷波器，都允許使用者在現場對L和C值進行一些調整，以達到所需的效能，通常使用電壓駐波比(VSWR)儀表來完成。這種微調可能反反覆覆、令人沮喪，尤其是DIY實作時。現在，有許多網站提供實用的建議可簡化此流程。
陷波器的運用並不限於在兩個頻段上使用長線偶極，也可使用一連串陷波器打造三頻段甚至四頻段的偶極天線。但是，這麼做須進行額外調整，並在天線輻射場形、增益、頻寬及其他參數方面做出取捨。
不限於簡易的偶極
陷波器雖然通常都會聯想到基本的長線偶極，但其實陷波器的應用並不限於這種天線設計。例如，多頻段、指向性的高增益八木天線，就是以一系列主動和被動偶極元件打造。這種八木天線會在其導向器、主動驅動器和反射器元件中使用陷波器，因此能跨多個頻段運作(圖7)。
圖7 陷波器能在基本偶極上進行三頻段操作，也能用於更複雜的多頻段天線，例如這個20/15/10m的八木設計；圖中從左到右分別是天線導向器、驅動和反射元件，各臂上各有兩個陷波器
圖片來源：OnAllBands
遇到一次性使用的情況，可以考慮自行打造專屬偶極，但也可參考標準商用產品，例如PulseLarsen Antennas的KGI825。這款基本的四波長偶極具有2dB增益，可在806~896MHz間作業，中心頻率為851MHz(圖8)。
圖8 KGI825是一款四分之一波長偶極天線，增益為2dB，中心頻率為851MHz
圖片來源：PulseLarsen Antennas
KGI825可處理達60W的發射功率，並在厚度0.138~0.158吋(3.5~4mm)的窗口內，提供便利的磁性安裝。該產品隨附一條14呎(4.25m)的RG-58/U同軸纜線，讓使用者將連接器連到此纜線。
偶極天線仍是好選擇
低技術性、樸實無華的長線偶極天線已經在無線領域服役超過一世紀。這種天線很簡易、適應力高、方便攜帶且有效，因此仍將繼續沿用。若使用被動陷波器，即便延伸到電磁頻譜高頻部分的兩個或更多頻段，仍能運作。
(本文作者為Digi-Key特約作家)