Last update : Sep 15, 2006
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Multi Turn MW Small Loop

Pic 01


2005 年短波傳播逐漸掉到谷底,家中也因為多了第二個寶寶,沒有時間在沈寂的頻段撈訊號,於是轉向收聽 MW DX,

要做 MW DX 所需要的天線,首推全波長 (或更長) 的 Beverage 天線,不過在台灣要架設幾條數百公尺的電線猶如天方夜譚,再來 就只有 Multi-Turn Small Loop 才是真正實用的天線。於是著手製作一支桌上型 Small Loop,效果不差,後來沒有時間收聽就送給了 網友 Miller。2006 年家中小朋友比較不會黏人,又重新製作了大一號的 Small Loop ,效果令我滿意。在此先介紹製作及使用方法,最後再 談談 Small Loop 的原理。

什麼是 Small Loop

Small Loop 就是將一段長度小於 0.1 波長的電線繞成一圈或好幾圈,形成一個大面積的電感來收發信號,一般會將這個電感並聯一個諧振 電容,讓感應在天線的信號在諧振頻率有最大的電流,然而諧振的時候,從電感的兩端來看,它的阻抗接近無限大,無法與無線電機匹配, 所以還要利用另一個阻抗比較低的線圈將信號感應到無線電機,如下圖一。由於 MW 頻段的 0.1 波長仍然很長 (1600KHz 一個波長為 187.5m ,530KHz 一個波長為 566m),所以通常會把電線繞成很多圈,本文所指的 Small Loop 就是 MW 波段的 Multi-Turn Small Receiving Loop。

Fig 01
圖一:基本的 Multi Turn Small Loop 圖示,L1 是總長小於 0.1 波長繞成的 Loop,VC 是可變電容以方便調整諧振,L2 是感應線圈 (Coupling Loop) ,連接到收音機,邊長略小於 L1,位於 L1 裡面,可以繞一圈或數圈。如果你的收音機不能外接 MW 天線,L2 可以省略。



Small Loop 的基本特性

  1. 有很高的 Q 值:這使得 Small Loop 在諧振頻率上就好像一個窄頻濾波器,在強信號很多的中波頻段,它有助於消除混頻干擾,提升 S/N 比。

    mwloop01.wav (128k) 這段錄音錄製於 540KHz,收聽的主要對象是 CNR1,然而這個頻率剛好是 1206KHz 台廣新竹台以及 666KHz 海峽之聲的差頻,這兩個頻率用室外 random wire 去收聽都有 59+30dB 以上的強度,因此在 540KHz 用 random wire 收聽就有很明顯的混頻干擾。 錄音的前 10 秒使用的是 random wire,可以在 540 KHz 聽到 1206KHz 說相聲的內容,10 秒以後切換至 Small Loop,混頻干擾消失,CNR1 聽得很清楚。Small Loop 高 Q 值的表現相當明顯。

  2. 它的場形為 8 字形,例如你現在面對螢幕,電線是沿著螢幕的邊繞成 Small Loop,它的場形為就像是一個甜甜圈,中間的洞面對著你。射出射入 螢幕的方向收訊最弱,沿著螢幕平面往外延伸收訊最強。如果由正上方看甜甜圈的剖面圖,就是 8 字形,如下圖二。所以我們可以利用 8 字形 凹陷的地方來砍掉干擾訊號,也可以利用這個特性來標定信號來源。所以一般 Small Loop 都是垂直架設而且要能夠旋轉。

    mwloop02.wav (176k) 這段錄音錄製於 801KHz,收聽的主要對象是觀音的光華之聲,錄音的前 10 秒是把 Small Loop 對著干擾訊號最強的地方,幾乎無法聽懂女主持人在講什麼,之後把天線轉到可以把雜訊砍掉的位置,光華之聲的訊號就變得相當清晰,另外一個電台的歌唱聲也清晰悅耳。Small Loop 砍雜訊的能力相當明顯。

Fig 02
圖二:Small Loop 水平方向的場形,一般來說,收訊最差與收訊最好的信號強度差距可達 -30dB,如果製作良好的話,差距達 -60dB 也是有可能。



Small Loop 的使用方法

由於 MW 廣播電台的發射天線絕大部分都是垂直偏波,與電場同時形成的磁場則在水平方向,所以 Loop 與地面垂直才能擷取最多的磁力線。 操作 Small Loop 的方法很簡單, 首先設定好接收機接收頻率,然後轉動可變電容使收到的訊號最強 (聲音最大)。再來 轉動天線,使想要收聽的訊號有最好的 S/N 比,這是操作 Small Loop 最精華的部分。在 MW 頻段,同一個頻率可能同時存在好幾個電台,而上下鄰頻可能也有很強的電台, 因此使想要接收的訊號最強並不保證聽得最清楚,所以要一邊轉動天線,一邊靠耳朵聆聽才是重點。

如果你的收音機在中波所使用的是內建的鐵粉芯棒狀天線,而沒有外接的 MW 天線接頭,那麼就不需要感應線圈,只要把收音機靠近 Main Loop 再調整可變電容使訊號最強就可以了。

一般的收音機中的棒狀天線在機體內都是水平設置的,繞在鐵粉芯棒上的線圈就是與地面垂直。為了得到最好的效果, 應使 Loop 與收音機內天線的線圈位於同一個方向,把兩者放在同一個旋轉台上一齊轉動,參考圖三。

Fig 03
圖三:使用感應的方式來增強一般收音機收訊的方法。

Small Loop 有兩個很深的 Null 可以用來砍不想要的訊號,但如果不想收聽的訊號與想要收聽的訊號來自同一方向,自然是無計可施,但如果是一個在東一個在西,倒是可以用圖四的方法試試看。自行調整距離以及夾角來砍掉不想要的訊號。

Fig 04
圖四:消除位於 180 度方向干擾訊號的方法。



調諧電容

電感電容與諧振頻率的關係如下:

(2*π*f)2 * L * C = 1 (f:Hz L:H C:F) 或 (2*π*f)2 * L * C = 1000000 (f:MHz L:μH C:pF)

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照片一:具有四組可變電容的收音機用的可變電容以及它的等效電路,

製作 Small Loop 首先要處裡的是可變電容的問題,目前在台灣要購買大電容量的可變電容並不容易,通常有可能買到的就是收音機用的可變電容,一種是有兩組可變電容,另一種有四組, 每一組可變電容包含一個與轉軸連接的可變電容和一個微調用的可變電容 ( 需要用螺絲起子轉動 )。

照片一是一個具有四組可變電容的收音機用的可變電容以及它的等效電路,C1~C4 為連動,轉動電容的旋鈕這四個電容就一齊轉動,C1T~C4T 是C1~C4個別的微調電容。 由於我們所需要的是單一個大容量的可變電容,因此必須自行將 C1~C4 並聯在一起,也就是將 A B C D 四個接腳焊接在一起。 此外,先用螺絲起子將微調電容調至 0pF (電容極板不重疊)。 如果可變電容的電容量不足以涵蓋整個工作頻段,就需要以固定電容以及開關在需要的時候將額外的電容量並聯上去。

例如我所購買的可變電容,其電容量略大於 300pF,我就額外加了 3 個開關,可以並聯 300pF, 600pF (2x300), 1200pF (4x300) 的陶瓷電容 ,如此我就可以在 0 ~ 2400 pF (300+300+600+1200) 的範圍調整。

S3
1200pF
S2
600pF
S1
300pF
固定電容器的總電容 加上可變電容器的可調整範圍
0 0 0 0 x 300 = 0 0 ~ 300
0 0 1 1 x 300 = 300 300 ~ 600
0 1 0 2 x 300 = 600 600 ~ 900
0 1 1 3 x 300 = 900 900 ~ 1200
1 0 0 4 x 300 = 1200 1200 ~ 1500
1 0 1 5 x 300 = 1500 1500 ~ 1800
1 1 0 6 x 300 = 1800 1800 ~ 2100
1 1 1 7 x 300 = 2100 2100 ~ 2400

將這個電容組以及相關的接線座以及插座固定在一個塑膠盒,以後要做不同的 Small Loop 來實驗就很方便了。此外,由於 Small Loop 的 Q 值相當高,所以轉動可變電阻的旋鈕要越大越好,可樣才方便轉到精確的諧振位置。

Fig 05
圖四:我所製作的萬用可變電容,C5=300pF, C6=600pF, C7=1200pF,皆是使用陶瓷電容。

Pic 02
照片二:自製的萬用可變電容。



Small Loop 的繞製

Small Loop 的形狀可以為三角形,四邊形,多邊形或圓形,以相同長度的電線,圓形可以圍到最大的面積,三角形最小, 實際運用上,正方形的結構最簡單,所以下面都是以正方形的 Loop 來討論。 不管你繞的是什麼形狀,下面幾個原則是要先知道的:

  • 面積越大,訊號越強:面積越大,代表可以擷取更多的磁力線,訊號越好。
  • 電線越粗,Q 值越高:電感的 Q 值等於電感抗除以電阻,這個電阻是指考慮集膚效應的電阻,所幸 MW 頻率不算高,電線的直徑在 0.3mm 以上效果就不會太差。此外盡量避免鍍錫銅線,因為錫的電阻比較大。
  • 要盡量避免寄生電容:電感的每一圈繞線,彼此間都會存在寄生電容,有了寄生電容,會使 multi turn Small Loop 的可用頻率下降,所以應盡量減少寄生電容。減少寄生電容的方法有兩個,一個是拉大繞線的間距,另一個就是減少介電質。

電感量的計算

剛開始做 Small Loop 的人最困惑的是電線要繞幾圈,要繞多大,才能適用於 MW 波段。 這裡介紹 G4FGQ 所寫的 RJELOOP3.EXE (Freewarw), 可以幫忙計算 Loop Antenna 電感量,電容量,Q 值阻抗等特性,相當好用。

我的製作經驗是,邊長 15cm 的 Loop 約繞 30 圈,20 cm 約繞 20 圈,60cm 約繞 10 圈,我的建議是,多繞一兩圈無妨,覺得整個工作頻段偏低 再依照狀況剪掉幾圈就好,如果做好前面介紹的萬用可變電容組,其實不用太煩惱計算要做到多麼精確。

要用什麼電線比較好?

理論上用粗的漆包線最好,因為在相同的繞線間距電線直徑下,漆包線的重量最輕 (沒有塑膠皮) 而且可以降低寄生電容。如果你使用漆包線,也要注意不要密繞,因為這樣仍然會有很大的寄生電容。 我覺得剛開始做的人暫時不用考慮這麼多,手邊有什麼電線就先使用。如果你要做大型的 Loop 也可以考慮用配電用的電線 (1.6mm 或 2.0mm有塑膠皮) 繞成圓形,因為電線又粗又硬,繞好以後就不容易變形,只要一根木頭就可以架起來。

Loop 的繞法

Fig 06
圖六:Spiral Wound,螺旋狀繞法。

  • Depth Wound: 如前面圖一 ,這是最常見的繞法,這種繞法的好處是結構簡單且電感量容易計算。
  • Spiral Wound: 見圖六,螺旋狀繞法的好處是因為每一圈 Loop 都在同一個平面上,所以 Loop 的 8 字形的 null 比較深,不過它的電感量計算複雜。
  • 隨便繞法:怎麼有這種繞法?其實這是告訴大家,只要你有可變電容,一段電線,一個框架,就可以做 Small Loop 了,而且效果 和前面兩種中規中矩的繞法相比,不會差太多。我的第一個加大型 Small Loop 就是這樣做的,只花了 20 分鐘,難看歸難看,做好以後覺得還蠻好用的。見照片三,本文前面的兩段錄音,就是使用這支天線接收。
  • 其他變通法:有些相關的文章會介紹使用電腦排線或多蕊的電纜 (例如印表機的電纜,一條就有 25 根電線在裡頭),然而這些電線都很細而且密集靠在一起,會有不小的寄生電容,此外,還要依序把電線連接,耗時耗工,所以我不建議這樣做。 還有一種方法是用印刷電路板直接做成螺旋狀線圈,這樣做面積通常不大,還要配合 pre-amprefier 才實用。

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照片三:使用廢棄電線、水管、木條、繩子快速做好的 MW Loop,雖然不美觀,但是效果也不差。只要可變電容器做好了,MW Loop 就是這麼簡單。 (補充說明:照片中,Loop 與可變電容之間的電線太長了,應該盡量縮短才對。)

感應線圈

通常感應線圈位於 Main Loop 內,一般是一圈,不過繞兩三圈也無妨。先前我在一個 20cm x 20cm 的 MW Loop 做過試驗,發現在低頻端繞 2 圈感應線圈的訊號比繞 1 圈的好一些,繞 1 圈則高頻端訊號比繞兩圈的好一些。 不過每個人製作的 Loop 都不盡相同,需要自己去實驗決定感應圈到底要用幾圈。 此外,加進感應線圈以後,會讓整個工作頻率往下飄移,所以有可能要把 Main Loop 減少 1, 2 圈來提升工作頻率。

框架

框架的材料一般是以非金屬為宜,利用木條做成交叉十字最方便。也有人直接把電線繞在紙箱,也有人用呼拉圈,這個部分就是依照個人可以取得及處理的材料去做就可以了。 如果你要求線圈每一圈要盡量保持等間距,就要花一些功夫去固定每一圈線圈的位置,否則在十字形框架的四邊釘上鐵釘或鐵鉤,就可以繞線圈了。

旋轉台

因為 Small Loop 具有雙指向性,所以需要放在方便轉動的旋轉機構上。我目前是把 Loop 固定在一個伸縮三角架上 (攤販所使用的那種,打開以後下面是一個三角架,中間有 3, 4 節伸縮桿)。 如果你所製作的是桌上型的小 Loop,可以考慮擺在旋轉電話座或把兩個大塑膠碗疊放,上面鋪木板或厚的瓦楞紙板,再把天線及收音機放在上面。


實做的例子

這是我所製作的第一個 MW Loop,主要的設計考量,是基於使用和製作的方便性,先訂出我想要做的 Loop 有多大,再視狀況決定 Loop 的圈數。

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照片四:以兩條木條夾著塑膠片,使這支 Loop 具有任意調整傾斜角的能力,但實際使用以後,發現需要故意傾斜一個角度的機會並不多。

  1. 因為希望這個 Loop 可以直接擺在桌子上,所以每邊大約 15 公分。
  2. 雖然大部分 Loop 都是垂直於地面,不過因為以前用隨身聽在聽中波的時候,有時候需要把收音機傾斜一個角度才會收訊最好,所以要求自製的Loop可以任意傾斜 Loop 平面。
  3. 預估要繞的線圈數應該有 20 圈以上,繞太密或用有絕緣皮的電線會增加太多寄生電容,所以用細的漆包線,用細的電線雖然會降低一些 Q 值,但還可以接受。
  4. 手頭上的可變電容 (收音機調諧電容) 調整範圍約 0~330pF,經過計算,大約繞 33 圈電線配合這個電容可使 Loop 工作於 1600 ~ 600 KHz,幾乎已涵蓋整個 MW 波段。至於 600KHz 以下的頻率,就用一個開關,在需要的時候並聯一個 300pF 的陶瓷電容。

主要材料:

  1. 細木條鋸成 20 cm 四段 (我是到五金行買 6mm x 12mm x 1800mm 的木頭壓條,再依照需要裁切)
  2. 塑膠片,用裝 CD 片的塑膠外殼切割所需的形狀。
  3. 塑膠盒,用來安裝可變電容,旋鈕,接頭等,同時也是 Loop 這支天線的底座。
  4. 可變電容,使用收音機的調諧電容。
  5. 旋鈕,使用飲料瓶子的塑膠瓶蓋。
  6. 32AWG 漆包線,電子材料行有賣,如果買不到,可以到製作變壓器或馬達的工廠去看看。
  7. 搖頭開關 ON-OFF-ON 單刀雙擲。
  8. 陶瓷電容,這是因為單一個可變電容無法涵蓋較低頻段,在必要時使用搖頭開關控制並聯上去的電容。所並聯上去的電容應該比可變電容略小一些,如此在頻帶邊緣才會有一小部分重疊,以確保頻帶的連續性。
  9. RCA 座 (一般電視錄影機 AV 線的插頭就是 RCA 插頭,它的座就是 RCA 座。
  10. 圓孔單排 IC 座 8 個,切成兩孔一組,共四組,其中兩組做插座,兩組做插頭,作為 main Loop 及 coupling Loop與塑膠盒的連接。之所以會這樣做是因為我希望 Loop 可以和底座分離以方便拆解攜帶,考慮有限的空間以及接頭的可靠度,所以選擇使用圓孔 IC 座。
  11. 一小片萬用電路板。
  12. 工具:美工刀、鋸子、電鑽、烙鐵、銲錫等。

製作

  1. 先依照自己的設計裁切木條、塑膠片並鑽出相關螺絲孔以及電容、開關的安裝孔。這大概是最耗時間的部分。
  2. 組合天線之支撐架,先繞內部耦合線圈,再繞外部主要線圈 (Loop 本體),注意各圈線圈盡量平整均勻。
  3. 完成塑膠盒內各接線。

結構的示意圖如圖七,成品如照片五以及最前面本文標題下的照片。

Fig 07
圖七:桌上型 MW Loop 結構圖。

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照片五:桌上型 MW Loop 完成圖。 A: 以塑膠片做成繞線架。 B:傾斜機構。 C:塑膠瓶蓋作為電容旋鈕。 D:以搖頭開關接一個陶瓷電容,在頻率低於 600KHz 時,可並聯額外的電容。 E:把支撐柱鎖在塑膠盒上,直接以塑膠盒作為底座。 F:RCA 插頭,直接使用電視用的 AV 線連接無線電機。 G:以漆包線繞成的線圈,感應線圈因為與主線圈靠得很近,所以看不太出來。



Small Loop 的原理

對於 Small Loop 尺寸的定義有許多種,有的認為小於 0.5 波長就是 Small Loop,有的書定義為小於 0.1 波長,ARRL Antenna Handbook 的定義為小於 0.085波長,但是 ARRL Handbook 則定義為小於 0.08 波長,後面三種定義的著眼點其實相同,就是讓 Small Loop 的尺寸遠 小於一個波長,使得幾乎任一瞬時在 Loop 上的電流方向均為同相。在此,我個人採取小於 0.1 波長這個比較寬鬆的定義。

Fig 08
圖八:

圖八是介紹 Small Loop 工作原理的示意圖,在圖右邊有一支垂直天線正在發射訊號,電波的電場方向與地面垂直,磁場方向與地面平行但與螢幕垂直 (射出或射入螢幕), 圖 8B 是一個週期電場強弱及電場方向的示意圖,圖 8C 中,左邊一條垂直粗線代表有 一支 Small Loop 與地面垂直且面向發射天線,它的上邊與下邊與電場垂直,不會產生感應; 而兩個垂直的邊與電場方向相同但感應到的電場強度相同,所以電壓差相同,不會產生感應電流。換成磁場的觀點來看, Loop 平面與磁力線平行, 感應不到磁場的變化。所以天線在這樣的位置收不到訊號。

圖 8C 中,左邊一條水平粗線代表有一支 Small Loop 面對地面,它的四個邊都與電場垂直,不會產生感應;換成磁場的觀點來看, Loop 平面與磁力線平行,感應不到磁場的變化。所以天線在這樣的位置收不到訊號。

圖 8A 中,Loop 左右兩邊感應到的電場強度不同,於是在天線上產生電壓差,就會產生電流,換成磁場的觀點來看,Loop 平面與磁力線垂直, 可以感應到最大的磁力線變化,所以天線在這樣的位置收訊號最好。

上面,對圖 8A 的分析有一個要件,那就是天線的總繞線長度要遠小於一個波長,所以在上面流動的電流在任一瞬時才能往同一方向流動。 也因為這樣,Small Loop 就好像一個單純的電感,可以直接用電感以及磁場的模式來分析,所以這種天線又稱為 Magnetic Loop。

由於 Small Loop 的實體相較於一個波長實在太小,這使得 Loop 左右兩側的電場強度差也很小,所以 Small Loop 的增益 相較於 四分之一波長的天線都在 -20dB 以上,實際上可以擺在室內的的 Loop 大約都在 -30dB 以上, -50dB ~ -70dB 其實是司空見慣的,所幸 MW 電台的功率都很大, 所以還是可以收到不少訊號。此外,Small Loop 的 Q 值都有 150 以上,加上前置放大器還是能保持良好的 S/N 比,若要聽 DX,準備一個 20~30 dB 的前置放大器也是不錯的選擇。

若不使用前置放大器,要加強訊號的方法有兩種:

加大面積
從磁力線的觀點來看,面積越大所能切割的到的磁力線數量越多,如果一段 40m 長的電線圍成一圈正方形,則每邊 10 公尺, 面積就是 100 平方公尺,若繞 10 圈,則每邊 1 公尺,總面積只有 10 圈 x 1 平方公尺 = 10 平方公尺,光看面積 至少就有 20dB 的差距。 所以一定要在實用的範圍內把總面積加大。

在線圈內部加入導磁物質
磁力線會受到導磁物質影響而往導磁物質集中,所以可以擷取到更多磁力線。一般收音機把 Small Loop 繞在鐵粉芯棒上,就是這個原因。 棒狀天線的效果主要與導磁率有關以及長度有關,基本上,鐵粉芯棒是越長越好。



後記

MW 電台多,通常同一頻率中會有一個強電台以及數個 DX 電台,要將這些電台逐一析離出來收聽以及確認,挑戰性很高,而台灣地狹人稠,在都市中也難以架設高效率的中長波天線,使得著力於 LW/MW DX 的人少之又少。

然而 MW 廣播電台幾乎是每天 24 小時 都在發射訊號,隨時開機都可以聽,精神好的時候可以做 DX Hunting,精神不好的時候,可以挑個節目聽聽,舒緩一下精神也不錯,所以也很有彈性。 此外,MW 節目深具地方性,聽新聞、聊時事、吸收新知、地方戲曲、講古說書、節目多樣,有時候聽賣藥節目也有不同的樂趣,這與聽短波廣播各有不同的興味。希望這篇 Small Loop 的文章能幫助更多人走進中波收聽的世界。



BV3FG / Robert Suen