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2 米波段杜普勒矩環定向天線

No.4   1992 June.   p53~57,   by 林茂榮/BV5OC



杜普勒矩環定向天線外型輕巧,製作容易,可以減低雜訊,提供大扇形面通信涵蓋區域, 並有良好前後比及低駐波比,趕快動手,你也能擁有……。

    對杜普勒矩環 (DOPPLE QUAD) 天線或許有些陌生,但如果稱它為雙矩環定向天線 (TWIN-QUAD BEAM),在許多人的腦海裡,就馬上會有些具體的形狀出現;事實上,兩者 指的就是同一種天線。很多人或許頭一次聽說這類天線,因為它既無現成的商品,也沒 有受到廣泛的注意及推廣。當我製作完,並經過一段時間的試用,發現它的特性非常理 想,願將製作的過程、經驗以及使用心得,和大家一起分享。

起源德國

    杜普勒矩環定向天線可以說是矩環 (QUAD) 天線的延伸,起源於德國,約在 1980 年左 右,正確時間已無跡可考。德國業餘家對此種天線花了相當多的精神時間,從事發展與 設計,做各方面的試驗。從較為正式的文獻追蹤,此種天線,首先出現在卡爾 (Karl Weiner; DJ9HO) 所著的《超高頻概論》 (THE UHF COMPENDIUM) 書中。

屬性獨特非凡

    雙矩環定向天線,有其獨特非凡的屬性,因而吸引了不少使用極高頻 (VHF) 與超高頻 (UHF) 的朋友選用此種天線,它的特性有:

  1. 屬水平極化,同時有相當窄的垂直指向夾角,這可以減少拾取到不必要的雜訊。
  2. 有相當寬的水平指向夾角;半功率點夾角超過 60 度;因此在定向天線一般要求有足 夠指向性增益的前提下,還能提供相當理想的大扇形面通訊涵蓋區域。
  3. 有相當好的前後比 (FRONT-TO-BACK-RATIO),並能提供大約 9-10dBd 的增益。
  4. 饋送點的處理極為簡單,它可以採取直接饋送,也就是同軸電纜直接連結天線,勿需 其他匹配,並有相當低的駐波比 (SWR)。
  5. 外型小巧、重量極輕、容易製作。

    對於剛開始接觸 2 米波段的人而言,以簡單實用的天線,尤其是容易自製的天線,做 為開始進入「自製」的業餘生涯活動,是最恰當不過的了。因為由簡入煩、循序漸進, 可以免去許多不必要的挫折。尤其愈來愈多的人,對人造衛星無線電通訊,深感興趣, 最近更常有太空梭做各種不同的通訊試驗,甚至載人的蘇聯和平號太空船 (MIR) 上, 與地面聯絡的話務及數位包封通訊,均採用 2 米波段;其他像蘇聯的業餘無線電通訊 衛星,RS 10/11 及 RS 12/13 的模式 A 及業餘無線電通訊衛星 AO-21 的標幟訊號和 DO-17 的遙測訊號,也都採用 2 米波段。從此了解,雙矩環定向天線有寬的水平夾 角,及輕巧的尺寸,是極佳的選擇。

    在這裡,我不打算深入探討雙矩環定向天線的原理與理論,有興趣者,可自行參考上面 提過的《超高頻概論》一書。撰寫本文在說明製作此種天線的細節,並期能拋磚引玉, 鼓勵有更好設備的朋友,做更進一步的試驗與改良。

雙矩環構造

    顧名思義,雙矩環由兩個矩形環構成,事實上,它是由在同一平面上的兩個矩環並聯而 成,這兩個矩環和饋送點相對稱(在同一平面上)。除此之外,它還有一個反射體,該 反射體是至少三根以上的金屬管放置在同一平面且相互平行所構成,外觀如下圖。

外觀 A 外觀 B 外觀 C

    做為推動元件的雙矩環,每個環的周長為一波長,因此矩環的每邊為四分之一波長。理 論上,一只全波長的矩形天線,在自由空間 (FREE SPACE) 中,其輻射阻抗 (RADIATION RESISTANCE),大約介於 100 到 140 歐姆之間,由於雙矩環定向天線採用 兩個矩環並聯,因此其饋送點阻抗,降為介於 50 到 75 歐姆之間。但是在實際的應用 中,加上反射體,雙矩環與反射體的間距大小,及其他環境因素,都明顯地影響此天線 的有效輻射阻抗,關於這些問題,下面再做更詳細的討論。

材料及尺寸

    在製作矩環天線時,當矩環的元件材料,其線徑與波長的比例是非常小的時候;例如 大部份高頻使用的矩環天線就是典型的例子;那麼矩環的邊長就必須比四分之一波長 更長一些,這是由於導線形成矩環時,天線體就不是一個絕對的自由空間,所以必須 有修正因子。 但是製作極高頻 (VHF) 以上的矩環天線,實際上元件的材料,均採用 粗管徑的銅,或其他實心的金屬管,這樣子,一來極高頻或更高頻率,其波長短,二 來,天線體的材料管徑粗,因此管徑(元件)與波長比就不會太小,這似乎抵銷了, 延伸矩環邊長的效應。所以這裡不應該考慮加長矩環的邊長。計算矩環的周邊長度, 可以採用下列公式:

    L(總周長)=300/頻率(MHz) l(矩環單邊長)=1/4L=75/頻率(MHz)

    所求出來的 L 及 l,單位都是公尺。

    利用上述公式,把天線的中央頻率設在 146MHz,求出來總周長 L 為 2.05 米,矩環每 邊長 l 為 0.51 米。

    關於反射體通常為反射網或反射板,但是也不一定非網或板不可,尤其 VHF 範圍 ,其體積雖不像高頻 (HF) 波段那麼龐大,但也還算不小,如果能用代替的方式,製作 上會更加方便,因此這裡便採用多根相平行的金屬管所構成的反射體,做為反射元件, 以代替反射板或反射網。反射體上管子根數的多寡並不很重要,理論上,管子數愈多, 天線增益會有稍許的改善。製作上,你也可以採用反射網,甚至反射板做為反射元件, 但是這樣在施工上的投資與改善的增益根本不成比例,可以說那只是徒增困擾而已,尤 其是對兩米波段而言,更是如此。

    在《極高頻概論》書中,有使用三根及七根管組成的反射體,我則決定採用五根管。因 為對我而言,三根管子與雙矩環湊在一起,一前一後,總是不大對眼,儘管它的增益與 七根者相去不遠。主要是,我可以利用這個機會來印證並探討一下,究竟不同反射體的 構造,也就是五根與三根和七根間有多大的差異。但是,使用五根的反射體,可以讓整 個天線結構看起來頗為協調美觀,才是我選用五根管的最主要因素。

    構成反射體的管子長度,應該比二分之一波長稍長些,我採用 2.5% 這個因子,計算的 公式如下:

    LR = 1/2*L*1.025

    LR 為反射體上管子的長度,L 則為波長,它與上述的總周長相同。

    針對中心頻率 146MHz,換算出來的反射體上管子長度 LR=105.3 公分。

Refl. No. Spacing (CM)
3 51
5 38
7 30

    反射體上,每根管子的平行間距並不很重要,如果採用奇數根管子,則以一根放在反射 體的中間,然後以此為對稱點,兩邊分別等數置放即可。表一分別為三根、五根及七根 管子時,所保持的管距。觀察表一,細心者可以發現七根管的間距似乎是大了些,其實 是因為,除了反射體外,它是在雙矩環前面還加裝了導向體 (DIRECTOR) 時的尺寸資料 ,在此特別說明。

    反射體與推動元件(雙矩環)所保持的距離是決定此天線性能的重要因素之一。目前從 各種不同距離下,所測得的結果,相關數據仍然有限,不足以導出公式,來決定這個尺 寸。不過,大多數的德國試驗者,所採用的尺寸為 28 公分,而我則採用 32 公分,因 為在多次的嘗試中,只有在這個尺寸下,我可以量得整個業餘波段內有最低的駐波比 (SWR),如果再加大尺寸,或許對增益、前後比 (F-B RATIO) 及天線的輻射阻抗都會有 影響,不過影響的細節,我並沒有詳加記載及比較,因此也不很清楚。

加工及骨架結構

    骨架的結構必須經得起強風掃刮,尤其是應考慮在颱風的強悍吹襲下,也不應有解體之 慮。除了強風之外,別無其他限制及要求,不過在寶島的氣候狀態下,最理想的骨架, 可考慮一英吋的方形鋁管,並應選用可耐抗腐蝕的編號 6061 材質,當然選用方便取得 的木材也未嘗不可,長度只要可容下雙矩環的身長及反射體即可,針對 2 米波段天線 用,一米六左右最為適宜,如果為了固定天線或其他用途,可自行加減長度,這並不會 影響天線的性能。另外反射體與雙矩環的距離,如果可以調整的話,對有興趣試驗的朋 友,有著極大的方便性。起初我用幾組不同長度的木材來試驗性能,並取其最優者再代 之以鋁材,於此同時,發現骨架所用的材料,不論是一般木材或金屬鋁,對天線性能的 影響並不明顯。首先我把天線主體——雙矩環,先行加工,選用的材質是厚肉的銅管, 當然你可以選用銅線或其他可容易成型的金屬材料。我選用銅管的理由是,它加工容易 ,且成型後不易變形。製作雙矩環所須的銅管,總長度大約是四米半左右,從文獻上得 知,製作此類天線的前輩中,有人曾採用相當編號 4 (AWG);大約是 5mm 直徑的接地棒 ,雖然這種實心棒在成型上,比銅管容易進行得多,但是此類材料本地不很普遍,較難 取得。

    銅管質軟,加工容易,根據尺寸彎成矩形應不困難,倒是加工時,矩形的三個直角不容 易完成,而我則於直角尖頂附近使成弧狀,而不致使角尖的銅管變形成扁狀,也因為角 尖是弧狀,因此矩形邊長尺寸的精確要拿捏準確,否則容易發生過大的尺寸誤差。 Fig 1

    做好兩個矩環之後,在同一平面上相銜接,因為這接點也同時是饋送點,因此你可以用 銅片形成的圓環來相含接。我則用擴管器,使銅管內外相含,並用噴燈焊接,不過這樣 的施工,要動用較多的工具。後來我發覺,如果在成型時,使銅管一路到底的話,也就 是使雙矩環一氣呵成,那麼接點只剩下一個,不但使焊接點減少,而且天線體也變得更 結實,不易變形。

    另外值得注意的是,基本上雙矩環天線,於兩遠端處有最大的電流,其餘四處角端有最 大的電壓,因此固定雙矩環天的骨架,可以不要求絕緣良好,(如圖一)。做過矩環 (QUAD) 天線的人都明白,如果天線元件 (ELEMENT) 的材質直徑與電波的波長比例不當 ,則有調整邊長的必要,這在前面我們也曾提到過,也就是如果元件管(線)徑與波長 的比例超過定值,則應把矩環的邊長適度地增加。

    反射體用的銅管,為了達到長時間不易腐蝕,銅管兩端開口處分別用銲錫封住,不過若 用銲槍因熱度不夠無法進行,需要以噴燈行之。另外一個可行的辦法,就是開口處填入 一小段矽膠 (SILICON),或以熱膠封住。這樣可以避免內部因進水或氧化,而加速侵蝕 作用。

組合與阻抗匹配試驗

    至此,天線已經到了最後的組合階段,剩下來,唯一有待解決的,就是推動元件的矩環 和反射體距離的支柱要裁剪,由於這個長度是試驗的重點,你可以像上面提到過的,做 成可任意調節的方式,以便於實驗的進行。上面提到過的德國同好們,絕大多數採用間 距為 28 公分,經過試驗,我則使用 32 公分。間距的改變很明顯地影響了駐波比值, 如果你純為實用上的製作,不打算進行更進一步試驗,則可以採用固定的間距,選用 28 或 32 公分,如果有人追問,究竟選用那一個尺寸比較好,那麼我只能說,答案就 在「硬幣」上,說實在的,很難有絕對的答案,我只能說:兩者均可。若不嫌麻煩的話 ,那就自行比較這兩個不同的尺寸,選其優者而從之。

    兩只 100 到 140 歐姆的矩環並聯在一起,因此雙矩環可以得到 50~70 歐姆的饋送阻 抗,同軸饋送線可以直接聯結這只天線使用,毋需其他匹配,只要把饋送線接上做為饋 電點 (FEED-POINT) 的雙矩環焊接點,同軸電纜外層接一邊,毫無疑問的,這種接法一 定會引來很多爭議。因為大家都清楚得很,像雙矩環天線之類的結構,乃屬平衡式饋電 ,應該採用平衡式饋送,若直接以非平衡式饋送,務必引起對系統有破壞性的效應,如 此造成的問題即使不至於「叢生」,想必也一定「不少」。一來為求心安,二來前人種 下的理論規則,冒犯不得,同時想到可能導致一些不良的後果,疏忽不得。於是我趕緊 做了一個以四分之一波長同軸電纜的匹配器接用,可是試了老半天,說也奇怪,無論如 何調整推動元件與反射體的間距,仍然無法得到理想的駐波比值,為了證明該四分之一 波長同軸匹配器的性能正常無誤,把天線換下來,改用假負載,它的確能共振,而且有 很低的駐波比。百思不解之餘,還做了其他一些嘗試,包括:接近饋送點處,在同軸電 纜的外層套上一整串的磁蕊珠 (FERRITE BEADS),如果因為不匹配的話,串用的磁蕊珠會 把流往外層的射頻訊號阻絕,但看來更奇怪,如此做,反而使駐波比值增加,因此最後 仍決定採用直接饋送的方式。

    其實此天線的發源地——德國的一些同好們,仍然採用直接饋送的方式,敏感的朋友 也許心底馬上會浮起一個接一個的問號,可行嗎?當然明顯而直接的破壞,就是電波 輻射圖案 (RADIATION PATTERN),也就是當平衡式饋點的天線,若直接以非平衡式饋 送線接用,則該天線的指向性會受到破壞。這裡發生同樣的現象。經由約略的測量, 證明了這一點。與饋送線軸心接觸的一邊,指向性偏移了大約 6 度左右,事實上這 一不很嚴重的效應,對這只天線的使用並不打緊,不過我們仍然要洞察,除了破壞輻 射圖案外,尚有那些不好的效應存在。毫無疑問的,碰到這種不匹配的饋送方式,當測 量駐波比時,駐波比值與饋送線的長短,有重大的關係,宜特別注意。至於饋送線上隔 離網可能的輻射外洩,個人認為,當不至於對此天線的性能有太大的影響。另外剛提到 的,當測量駐波比值,你的駐波比表串接點,不宜太近天線,因為它會受到饋送線外層 的隔離網外洩出來的輻射所影響,但是這種影響,會隨著遠離天線而逐漸變小,通常經 過數個波長距離後,就幾乎消失了。

VSWR
F/B
PBBS
DO-17

性能測試

    我使用的饋送線是 RG-8/U,全長 15 米,在 146 MHz 下,發射機輸出端 50 瓦,天 線端 35 瓦,全程損失約 1.5 分貝 (dB)。在此補充說明,饋送線與天線的饋送點接 好後,應立即往後折回到反射體後方。圖二及圖三分別是駐波比值曲線與功率曲線, 它分別與我架在鐵塔上的垂直天線做比較。前後比 (FRONT-TO-BACK) 的測量結果如 圖四所示,測量的方式是克難的。於空曠的田野上,把訊號產生器放置在鋁梯上,離 鋁梯約 50 米左右,置有一收發機,調節訊號產生器的輸出位準,使得收發機上訊號 強度表的讀數為 9,然後把此雙矩環天線旋轉 180 度,使其背向訊號源,並記下此 時的訊號強度讀數,之後再回轉 180 度,以確定仍然是 S9 的讀數,如此反覆不已 ,從 144-148 MHz 的 F/B 比如圖四所示,從圖中不難發現,像這類結構簡捷、容易 自製的天線,有這麼傑出的 F/B 比,實屬難能可貴。

更好的 S/N 比

    根據文獻,前輩們宣稱,此天線的增益為 9-10dBd,當然感性上我毫不懷疑,不過我 沒有實際測量過。增益的測量,就留給那些有更好設備及足夠時間的同好去做。此天 線的性能頗佳,我曾利用這只天線,聯結從頭頂漂浮而過的和平號太空梭 (MIR) 上 之包封佈告欄站台 (PBBS) (如圖五),接收的訊號強度超過 9,而且發射功率也只 有 5 瓦左右。由於雙矩環天線是水平極化的關係,雜訊的位準總比垂直天線低很多 ,因而有更好的 S/N 比,使得系統的性能增色不少。另外值得一提的是,在眾多天 線中,用來接收業餘衛星訊號時,很奇怪地,有時候垂直天線拾取的訊號很強,但卻 有失真的現象,例如,在低仰角下的 DO-17 業餘衛星,使用高增益的垂直天線接收 時,可以拾取到強度 S=5 的訊號,但是無法解出 DO-17 業餘衛星傳送下來的包封遙 測資料,但是當我切用此雙矩環定向天線時,雖然訊號強度弱到連接收機的指針都推 不動,卻可以完全解讀出該衛星的訊號。利用此天線來接收 DO-17 業餘衛星傳送下 來的遙測資料,在包封模式 1200 鮑的傳速下,於衛星出現的 10 餘分鐘內,平均總 是可以解讀出大約 15K BYTE 的遙測資料(如圖六)。

    如果你想自製一只 2 米波段的 VHF 天線的話,不妨考慮嘗試這只雙矩環天線,它的 製作材料與過程有很大的彈性,而且性能也頗佳,不論在花費與時間上也都頗為經濟 ,祝你成功,製作愉快。 END



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