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製作天線的搭檔 -- 雜訊電橋

No.08   1993 Mar.   p101~103,   by 劉克正 / BV2CL






前言

    測量天線阻抗之工具可用網路分析儀、天線阻抗計、駐波比表、雜訊電橋……等。其中,網路分析儀價格昂貴,非一般業餘無線電人員所能擁有;天線阻抗計依照設計之方式,可能要再購買陷波表 (DIP METER) 來配合;駐波比表誤差率較大,且無法得知天線阻抗高或低於標準值 (50Ω),利用駐波比表是無法得知天線的純阻抗、感抗或容抗之效應。

    目前,有一種雜訊電橋 (Noise Bridge) 由美國 Palomar Engineers 公司生產,編號為 RX-100,它的電路簡單,使用時,只需配合接收機測量天線阻抗,而不必再購買其他電子裝置,即可掌握天線阻抗特性。藉由電橋敏銳和簡單特性來調整您的天線,花費低,且誤差不致太大,若再配合電場強度表,在製作高增益、強前後比值且匹配良好之天線時會更加容易。

Fig 02
圖二:RX-100 簡略電路圖

Fig 01
圖一:雜訊電橋外觀及操作說明書。電橋上方為手握式麥克風之大小比較。
Fig 03
圖三:基本電橋電路

電橋達成平衡需要:
公式 1:|Z1|.|Z4| = |Z2|.|Z3|
公式 2:∠θ1 + ∠θ4 = ∠θ2 + ∠θ3
|Z| 為阻抗值,∠θ為相位角度
其中|Z| = SQRT( R2>+X2),∠θ=tan-1(X/R)
R 為 |Z| 中電阻成份
X 為 |Z| 中電容或電感成份




一般描述和原理

    RX-100 中包含了一個寬頻雜訊產生器,經由環形電感耦合送入電橋比較,其基本電路如圖二。

    依據操作說明書可知 RX-100 可測量天線的頻帶從 1~100MHz 的範圍,純電抗 0~250Ω,電容或電感成份 0~70P,適合 HF 及 L-VHF 天線製作量測。

    在此基本電橋中,能量由 C 和 D 點加入,RX-100 利用電感 L1,,L2 及 L 耦合加入信號,且 L1= L2,即

公式 1:|Z1| = |Z3|
公式 2 ∠θ1 = ∠θ2可簡化成:
公式 3:|Z2| = |Z4|
公式 4:∠θ2 = ∠θ4

    RX-100 利用公式 3, 4 來推算待測天線之等效阻抗。


操作

    從 RX-100 正面可看到 9V 電池扣,上方 UNKNOWN 端為 M 型母座,連接於天線下方,使用同軸線愈短愈好。左側 RCVR 端為 M 型母座。

    連接同軸線至接收機信號輸入端。測量前先設定接收機之工作頻率,例如欲使 10 米波段天線諧振於 28.5MHz 則接收機要先設定於此頻率。將下方右側 R 旋鈕順時鐘旋轉打開電源,再反覆調諧 R 和 C 旋鈕直到接收機產生雜訊,在訊號最弱時讀取 R 和 C 值。測量時請選擇無其他電台訊號之頻率,若使用收發訊機操作時;絕對禁止發射,請將收發訊機功率輸出及麥克風增益旋鈕轉至最小並切至 SSB 或 CW 模式,以免 RX-100 在不慎使用中損壞。

Fig 04
圖四:RX-100 面板刻度
Fig 07
圖七:RX-100 內部電路板及旋鈕



數值轉換

    原則上,天線電阻抗接近大氣傳播阻抗 370Ω左右,會有最好傳遞效率,且於諧振頻率時,容抗或感抗特性愈小愈好,可使功率儘量消耗於有效軸 (純電阻部份)。當天線阻抗和收發訊機輸出阻抗 (50Ω)不同時,務必使用轉換器 (例如 Balun),用以達成匹配。

    RX-100 測量天線電阻成份可以直接讀取獲得,容抗或感抗則要利用圖五換算:

    若要量測 21MHz 之天線,假定中心點為 21.25MHz 時,測得天線 Xc 容抗成分為 30,從圖五,Xc=30 處往上對應曲線之橫軸得 1700 歐姆 (OHMS),但 1700 歐姆為 1MHz 時測得參考值,對應於 21.2SMHz 為 1700 歐姆÷工作頻率 (21.25)=80 歐姆,即此天線在 Xc=30 時,容抗為 80 歐姆。若天線有感抗成分,亦用同法換算。

Fig 05
圖五:容抗或感抗與 RX-100 轉換表



天線長度與容、感抗

    當天線長度大於諧振天線時,會呈現電感性,長度較短時,呈現電容性,而純電阻部分則有微小幅度改變,因此修正天線長度的工作易於使用 RX-100 來觀察及操作。其實天線都有電容及電感特性,要視 1. 長度 2. 環境 (天線高度、障礙物…) 3. 材質,影響電容和電感能否相互抵消或降低。


應用:測試平衡 - 不平衡轉換器 (Balun)

    損壞的 Balun 很難用歐姆表檢測好壞,我們可以利用 RX-100 的 UNKNOWN 端接上 Balun 的不平衡端,RCVR 端接上接收機,若此 Balun 為 1:1 的轉換器,則於 Balun 之平衡端接上 50 歐姆無感電阻,而 4:1 之轉換器要改成 200 歐姆電阻,測量方法和接天線相同,使用 1:1 之 Balun,其結果應接近 R=5O,X=0,而 Balun 有其操作頻寬,在測量工作之頻帶,當 R、X 之值偏差過大時,Balun 之效率自然降低。 自製 Balun 可利用此方式確定耦合電感圈數比例。

Fig 08
圖八:雜訊波形,X=2 μ S/DIV Y=100mV/DIV



D.I.Y. 自製 Noise Bridge

    RX-100 電路及內部結構如圖六、七。此電路是利用半導體對溫度之微小變動來作放大,在 T1 初級圈所得雜訊波形如圖 (八)所示。

    繞製 T1 之方法於圖九中用 3 條 AWG-32 號線於磁環 FT-37 上繞製 7 圈。電路製作完成時,先檢測 T1 之 A、B 點波形,如圖八,應有雜訊產生。

Fig 06
圖六:RX-100 電路圖 RX-100 零件表

電阻 R1   2.2KΩ 電阻 R9   10KΩ 電容 VC1   140pF (空氣)
電阻 R2   1KΩ 電阻 R10   4.7KΩ 電晶體 Q1~Q3   2N918
電阻 R3   470Ω 電阻 R11   470Ω 二極體 D1~D2   1N5227
電阻 R4   150Ω(無感) 電阻 R12   220Ω 漆包線   AWG-32, 1 碼長
電阻 R5   10KΩ 電阻 R13   10Ω 9V 電池扣
電阻 R6   4.7KΩ 電阻 VR1   250Ω(附開關) 磁環 T1   FF37
電阻 R7   470Ω 電容 C1~C7   0.1uF 連接座   M-TYPE 母座, 2 個
電阻 R8   220Ω 電容 C8   68pF (雲母) 金屬外殼   長寬高 = 11x6x3 公分
RX-100 零件表

Fig 09
圖九:T1 繞製方法和電路對應接點



刻度校正

    自製之雜訊電橋完成後,利用無感電阻做刻度刻劃之工作。將 25 為倍數之無感電阻分別接至 UNKNOWN 端,接線愈短愈佳。當調整 R 及 X 旋鈕,並於接收機產生雜訊最小時,R 值等於採用無感電阻值,X 值等於 0,如此可刻劃出 25,50,75,…之 R 旋鈕。X 旋鈕以 0 為中心即可,將電阻串接一個電感做測試,可知 X 旋鈕一方向為電感性,另一方向為電容性,對於刻度不用太在意。 END



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