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簡單實用的 Cubical Quad

No.09   1993 May.   p35~43,   by 易永生 / BV2KI, 台北市 84-609 號信箱



Fig 01
圖 1:筆者與架設完成的 GEM QUAD 天線。

    筆者於 1991 年初無意中接觸到迷人的無線電後,隨即掉入「香腸族」泥沼中;進而以一非科班的外行人通過了 HAM 的資格考試,又陷入「火腿族」的無底深淵。如同許多 HAM 的經驗一樣,對於架設電台前,究竟選用什麼樣的天線,著實令人迷惑。同樣地,也像大多數的電台一樣,為了及早汲取實務的經驗,對於天線的選擇以「實用、多頻帶」的 GP 天線為起步的考量;但是…


前言

    91 年 12 月 l 日筆者的電台正式數用,老天似乎相當幫忙,傳播條件 (Propagation) 好的不得了,簡單的 GP 天線讓筆者嚐到 DX 樂趣;但是好景不長,92 年 3 月底以後,各頻帶受夏季型電離層影響,傳播條件差異甚大,GP 天線已無法像以前一樣良好通訊。由於每 11 年週期的太陽黑子活躍期逐減降低,為了在這段黑暗期得以享受到通訊樂趣,空中的友台,無不紛紛地做出改善條件之舉;筆者當不例外,也在選擇何種天線中打轉,遲疑不定。

    92 年 4 月份某天,BV2DD, Eddie 在例行的 NET 上問筆者道:「Bruce,你曉不曉得,一部 Mobile Crane (移動式吊車) 可以伸到多高?」,詢之所問何來?Eddie 神祕地說:「我們幾個傢伙,幾個月前進口了四套 GEM QUAD 天線,體積相當大,很輕,但就是不曉得怎麼把它架到屋頂上去?所以想到了利用吊車的念頭上來」

    QUAD?筆者才疏學淺沒見過,僅有多次在 Dxing 中抄收到某些國外電台使用到。印象中的 QUAD 應該是些巨大無比的大堆頭,好像只有位於鄉村或空曠處的電台才能有其架設的可能;但無可諱言的,使用 QUAD 的電台效果確比使用其他天線好。

    乖乖!Eddie 居然已經進口了 QUAD,好吧!不服輸的個性使然,趕緊找出所有有關 QUAD 的資料來,熟讀 GEM QUAD 的安裝說明書,勘察 Eddie 家的屋頂 (19 樓高) 及周圍道路狀況,多次圖上模擬按裝程序,發現到:吊車方式不可行,樓層太高、道路離吊點太遠、使用吊車費用不貲、佔用馬路太久;最重要的是,其他三套 QUAD 的安裝模式是否適合 Eddie 家的條件?種種考量後,甚至於想到利用廣告用的大氣球來做為提昇上去的著力方式,但是由於風力穩定度的考量及施工安全 (曾有過人手不足,把人拖上天空中不見蹤影的記錄 ),也只好放棄。

    GEM QUAD 的尺寸大約為 6x6x8m 般的立方體天線 (四個單元者),其說明書也清楚地提到各單元如何組合、按裝,唯獨如何地將整組天線架上 Mast (桅桿),則付之闕如,端視各人道行。一般架設大型天線,大都利用高聳的鐵塔及吊車,或採傾斜式鐵塔 (Tilt Tower) 以臻其功,但是在台北市區內能在屋頂水塔上佔有一席之地已算不錯,何能奢求高聳鐵塔?甚而求傾斜式者?!

    就在筆者跟 Eddie 大肆討論之際,BV2AH / Tony 不甘寂寞,悄悄地把 GEM QUAD 的基本單位… 2 Element QUAD,架上他那小得可憐的水塔頂上,悶聲不響地作起 DX;40W 功率直達英國 59+20dB,威力十足;接收狀況的比較則以 92 年 3 月份與福龍號 (第一艘由中國人駕駛 29.5 呎橫渡太平洋的小帆船) 開始通訊後,與 BV2BT / Sam 的 3 Element Yagi 不相上下 (兩組同在 7 樓頂)。

Fig 02
圖 2:八木天線與矩型天線的外型比較。

    經過 Tony 初步的測試後,著實地引起台北天空的一陣騷動。接下來的二個星期日,Tony 仍不死心地將另外的兩個 Element 裝將起來;其安裝過程,筆者及 Eddie 有幸參與協助觀摩,且親身動手去做,才體會到 GEM QUAD 之柔軟度、輕量化、簡單的達成諧振等等之好處。也由於此次的經驗,讓筆者修正了今後如何在各種不同的場地來安裝 QUAD 的標準模式。為免日久生疏及應 BV2WC 之邀,特寫下本文,以供日後有志於安裝 QUAD 的同好做一小小的參考。


Cubical Quad 天線

    Cubical Quad (CQ) 矩型天線的動作原理及其構成,均有專書介紹,筆者非本行科班,不敢搬門弄斧;如果讀者看過八木 (Yagi) 天線的話,只要想像將八木天線上的每根元件 (Element) 之兩端點,向上延伸 1/4λ後再內彎結合在一起,當然,此時每支元件之水平向長度約為 1/4λ。

    至於其每個環形元件 (Loop Element) 如何去聯接起來,以達到整組天線的實用性,就是設計者要傷腦筋的事了。一般而言,圖 2 中天線的虛線部份即俗稱的支撐桿 (Arms),每個 Loop Element 的虛線交點 (即 Arms 之交點) 用 Boom 橫桿來挑起來,當然 Boom 之重心處就是一般的桅桿 (Mast) 之位置了。

Fig 03
圖 3:145MHz 頻帶的矩型天線製作。
Fig 04
圖 4:145MHz 頻帶的矩型天線實體。

Fig 05
圖 5:增益梯度表

    CQ 天線就是這麼簡單,例如以 VHF 145MHz 來做的話,一個 Loop 的單邊尺寸亦僅為 55cm 左右,3 個單元的 QUAD,亦僅佔 55x55x75cm 之立方體。

    圖 4 中的框架係利用玻璃纖維棒 (約 8mm Ø) 以塑膠束帶綁結而成;中間豎桿 (Mast) 以任何桿類均可,筆者係採用 BV2DD 之剩餘物質 (摔斷的 GEM QUAD 支桿 Arms) 臨時充數的。該支天線曾在 92 年 10 月 10 日台灣首次舉辦的獵狐活動中表現得頗為出色。其駐波比約在 1.4~1.7 之間 (屋內),如果架設到屋頂及加上一些可變電容等,可調到 1.1~1.2。如果需要得到更好的指向特性,那就儘管地加上引導元即可。當然,第二支以上的引導元長度仍為每邊 50cm,間距為 33cm。根據「增益梯度表」,如圖 5,QUAD 之單元數 如到達四單元即可達到 12dBi,每再增加一單元時,其增益有限 (每增加一單元僅能增加 1~2dBi 而已 ),體積亦相對增大,得失之間,讀者自行考量;圖 5 顯示 3 單元矩型 QUAD 天線之增益值 (10dBi )相當於 4 單元八木 Yagi 天線,您說迷不迷人?


GEM QUAD 的產生

    由前述 CQ 的簡單介紹,可以瞭解到 CQ 天線製作原理極為單純,只要有足夠的空間及足夠強度的支桿系統,一支單波段,四個單元的 QUAD 隨手可得。但是如果想將最常用到的 20 米,15 米及 10 米波段放在一起成為 Tri-Band QUAD 時,那就可能相當棘手了。

    前節所述每根元件之間距隨其波長而變 (0.15 ∼ 0.2λ ),三個波段如何做成各為二單元者,可想到如何去設計?GEM QUAD 就是這樣的一個”天才型”的設計。以二單元 QUAD 為例。一個發射單元及一個反射單元,如圖 6 右,各單元中它將 3 個波段:20 米、15 米及 10 米由外向內圈成 3 個 LooP,請注意各 Loop 之間距以支桿之斜向關係各自形成該有的距離。圖 6 左即為普通傳統的單波段設計, (由於 Spacing 固定之原因 )。以同樣大小體積的 QUAD 天線言,當然 GEM QUAD 的巧妙設計就格外的令人讚賞。

Fig 06
圖 6:GEM QUAD 與傳統設計之比較。
Fig 07
圖 7:二單元三波段GEM QUAD 立體圖。
Fig 08
圖 8:方錐形的鋁製基座 (Spider 6061-T6)。

    為了說明 GEM QUAD 的構成,請詳見圖 7 的二單元立體圖。為了使整體天線達到輕量及耐用,基座係利用高強度之鋁料 (6061-T6 型,大多數的大樓鋁門窗就是用這種鋁料 )設計成如圖 8 的”方錐形”,其中八根圓型鋁管係供兩單元 QUAD 的支桿所插進的根部,橫向的方形鋁管其中央部份另外焊上一根垂直向的鋁管,其作用係供桅桿 (Mast) 插入支持用。如果想做成三個或四個單元的 QUAD 時,此時橫向方管就是提供插入 Boom 的好位置了。

    根據廠商提供的資料及其二、三、四單元之 GEM QUAD 組成圖 (圖 9 及其列表) 可知道 GEM QUAD 的一般規格。依資料顯示,正如廠商所特別強調的:

  1. GEM QUAD 係依 20、15 及 10 波段為最基本之設計 (12 米及 17 米的新添組合已有報告出來,使用起來均今人滿意)。
  2. 一條簡單的饋電線配以阻抗匹配器即可工作。
    Fig 10
    圖 10:"三叉戟"式的支桿大樣圖。
  3. 前後信號比由 25dB 至 30dB。
  4. 支桿 (Arms) 係由三支 8mm 直徑的玻璃纖維桿以樹脂泡浸後之布條繞成一個 "三叉戟" 式的立體桿件。此一設計可大量的減輕重量並且更具彈性:每根支桿僅重 1kg (長度達 4.1 米),如適當的組合,可承受到每小時 160 公里的風速。
  5. 基座係由高強度鋁合金焊成。
  6. 每支單元包含各波段的調整組,組裝好後,僅需幾分鐘即可調整好。
  7. 可捕捉最大收信面積。
  8. 離地距離不需太高即有低輻射角度,可遠距通訊。
  9. 雷擊放電之災害機會幾乎為零。

   
Fig 9a
 
 
Fig 9b
 
 
Fig 9c
 
規格 二單元 三單元 四單元
增益 5.6dB 8.0dB 10.0dB
前後信號比 25dB 30dB 以上 30dB 以上
駐波比值 2:1 2:1 2:1
迴轉半徑 3.2m 3.5m 4.1m
受風面積 0.4 米平方 0.6 米平方 0.8 米平方
組合重量 10Kg 16Kg 20.5Kg
天線長度 2.90m 4.88m 6.86m
橫桿直徑 5.08cm 4.45cm 4.45cm
橫桿長度 1.83m 1.98m 3.96m
高及寬度 5.49m 5.49m 5.49m
饋線阻抗 50ohm 50ohm 50ohm
容許功率 2KW 2KW 2KW
旋轉機制 HDTV HAM4 HAM4
輻射型態 30 度    
最佳高度 10 及 19.5m 10 及 19.5m 10 及 19.5m
包裝尺寸 4.3x0.15x0.15m 4.3x0.15x0.3m 4.3x0.15x0.3m
運送重量 19Kg 30Kg 40Kg
元件間距 0.12 波長 0.08-0.17 波長 0.08-0.17 波長
圖 9:GEM QUAD 的規格



GEM QUAD 的安裝程序

    看了上述的基本資料後,你是不是想迫不急待的想想 GEM QUAD 的裝上屋頂上去?為了方便起見,筆者分為下列三個安裝程序:

準備工作

    (先收集資料,確定採購項目)

  1. 鐵塔:型式、高度、位置。
  2. 旋轉器:型式、電源線長度、線徑等
  3. 電纜線:直徑、長度及行經路徑。
  4. 天線:單元支數的考量。
  5. 按裝工具:詳圖 11 的工具一覽表。
  6. 其他:鄰居的天線是否衝突?諒解?

名 稱 規 格 數 量 用 途
鷹架組 80 * 180 * 180 3 組 可搭設至 5.1m 高,供天線之組合、信號調整用
GIN-POLE 1.5"Ø 4-6米 1 支 Boom 及元件吊放用
滑輪或登山用
之扣環
可供 15mmØ 之繩索穿過 3 只 放在 GIN-POLE 上端供吊索通過
繩索 12mmØ,20 米
15mmØ,30 米
18mmØ,60 米
3 條
1 條
1 條
單元、Boom 之吊裝及小工具袋用或按裝鷹架及 Mast 用。
由樓下送上較中的物件用。
鐵絲 3.2mmØ 20 米 固定滑輪、鷹架、GIN-POLE 等。
安全皮帶   1-2 組 高空作業用
帆布工具袋   1 只 高空作業時盛裝小工具及用具。
鉗子、起子、
扳手、銼刀
扳手 8 ~ 14 號 各一支 含電工用膠帶若干
烙鐵焊槍 瓦斯型 1 支  
電纜固定釘及束帶 塑膠製束帶 若干 固定電纜及電源線
三用電錶      
圖 11:工具一覽表

家庭作業

Fig 12
圖 12:筆者自家屋頂的 GEM QUAD 架設圖。(單位:公分)

    當你選定好了以上的準備作業後,由於戶外作業需要 3 人以上的共同作業,最好將部份的小組件,稍做量測、調整及組合,以免屆時因晒昏頭弄錯了而前功盡棄。諸如 Balun 的組合、防水措施,Stub 的聯結焊接及所有銅線長度的量度、檢查是否與預計的一樣長,支桿上各波段穿線處的 Tension Tube 的綁紮,繫桿 (Tie Rod) 兩端點鑽孔及預穿不鏽鋼鐵絲電纜線接頭,電源線接至主控盤的接線等等小工作都需要好好的利用閒時將之完成,以便一旦往屋頂 (或操作場) 送時,即可順序組裝。其他一些的工作順序及作業也要一併計劃好 :比如說工具及其他零件是否齊全;工作伙伴們的名單,時間是否確認;甚至工作當天的茶水便當是否約好家人代為處理,此類小動作雖煩,也要一一記錄到一個清單,一個 " 好的事前準備作業,就是架設天線成功的一半 ",筆者相信,不僅按裝 CQ 天線必須如此,其他簡單不過的 GP 天線也不應失前述的標準程序,願各 HAM 共勉之。

戶外作業

    經過一番策劃,該可以動手做了。此一戶外作業應分為二個階段:

  1. 鐵塔及 Mast 之架設 (或中心 Mast 上裝旋轉器的金雞獨立型)
  2. 天線的按裝,第一階段的鐵塔或 Mast 的組裝,視各類鐵塔之設計而定,本文不再重複敘述,請自行參考廠商說明書,本文的重點在於第二階段,天線的組裝程序。

    為了方便讀者免於浪費時間,有關如何細部的組成各單元及有興趣的讀者,讀詳閱本刊下期筆者所譯 "GEM QUAD 天線之安裝及維修說明手冊 "。本節即以如何將各單元元件架上 Mast 再詳細說明 (此為原廠商說明書上所沒有的)。先以筆者家裡屋頂鐵塔及天線完成後之相關尺寸作說明。


安裝順序

Fig 13
圖 13

  1. 將 Boom 平放在機械房頂,Boom 尾稍突出床板緣。

  2. 兩人在屋頂直接將第一引導元 (約 4.5kg 重)送到機械房頂,此時機械房頂的兩人,先以支桿為著力點,直接抓到 Boom 的中心桿套進去 (如圖 13)

  3. 同樣地,將第二引導元再次地往 Boom 尾端送,此時,第二引導元往上送之前,需將四支繫桿固定於第二引導元上,繫桿另端則懸空待命。

  4. 將第二引導元確實地以螺栓牢牢地鎖在 Boom 上。當然 Boom 上的螺栓孔,都是在事前就分別在試裝上去時就鑽好孔的。順便一提的是:由於 GEM QUAD 完成後,其所受的風力來自於四面八方,因此造成對 Boom 桿心的扭力即隨時產生。所以為防止扭力的產生,螺栓的選擇極為重要:Eddie、Tony 及筆者的 Boom 經過三次颱風的洗禮,發現到當初所選用的不鏽鋼螺絲 (61mmØ) 均不堪使用,除部份螺絲釘鎖的太緊有斷掉的現象,大部份均將 Boom 的管壁擴孔成橢圓形,阻擋扭力時由於孔徑加大,其左右旋轉幅度,著實嚇人。 因此筆者建議以 6mm ~ 7.5mmØ 的螺栓較為實用。

  5. 第二引導元完成固定手續後,即將第一引導元往 Boom 中心退縮至預定位置,以同樣方式鎖牢之。

  6. 此時懸在第二引導元上的四支繫桿,已遠離機械房緣約 2 米以外;以另一支繫桿桿端綁成釣狀,可將四支繫桿釣到屋緣,並將四支繫桿分別與第一引導元固定之;如圖 14)

Fig 14
圖 14
Fig 15
圖 15
  
Fig 16
圖 16
Fig 17
圖 17

  1. 利用 Mast 上之小滑輪或扣環,穿過 l2mmØ 繩索將上述兩個 Element,往鐵塔上吊送上去,(此時之重量約 12kg 左右),並於鐵塔上稍作固定 (如圖 15 至圖 17)

  2. 將反射器與發射器的二基本單元 (重約 10kg) 以同樣方式,利用 Mast 為吊點,將此二單元連吊帶送的往 Boom 上掛釣。由於二基本單元組台後的體積相當大,所以需要三到四人以連吊帶送的方式往上送,此時即可表現出 GEM QUAD 的彈性及柔軟度。同樣地,請注意此二基本單元往上送前一定要將四支繫桿綁牢在發射器與反射器間,同時亦需將另外四支繫桿一端綁在發射器單元上,另端懸空。

    Fig 18
    圖 18

  3. 利用二層鷹架的工作方便性,將二基本單元鎖牢至 Boom 上。(圖 18)。並將 Boom 提昇到 Mast 頂端左右。(圖 19、 20)。但 Spider 不插入 Mast 內,利用暫時固定的繩索,將 Boom 旋轉,使前述懸空的繫桿綁到第一引導元上去;至於如何去旋轉而不 "作繭自縛",則待讀者去傷點小腦筋了。

  4. 此時四個 Element 都架上鐵塔上了,接下來的工作就是把電纜線接到 Balun 上去,記得:由於天線需要旋轉的空間,電纜線必需預留出其旋轉的長度來 (如圖 21)

  5. 接下來,你就可以依照說明書來調整 FB 前後比值及各波段的諧振點的測試及調整了,此時您可藉著架設至 5.1 米高的鷹架上作業,可就方便多了。

  6. 如果決定要做 2 米波段放到 QUAD 時,可在整個天線昇到 Rotator 之前先完成。

Fig 19
圖 19
Fig 20
圖 20
  
Fig 21
圖 21
Fig 22
圖 22:在整組 GEM QUAD 昇上去之前,2 米波段要先架上去。



信號測試

    筆者安裝完成後,迫不及待的就想試機,由於尚未做任何 Stub 的調整,測試出來的幾個波段的諧振點與原預計者不同,但經過 Tuner 調整後也就無所謂了 (說明書上亦如此說)。由於 Tony、Eddie 及 BV2IP/Jerry 的調整經驗得之,原廠所計算的長度,如果掌握的好,幾乎不需要什麼樣的調整,即可得到預定的效果,其結論就是:Stub 處直接短路即可。經過直接短路後,筆者測試出來的 VSWR,如圖 23 上半部表示。至於直接 On Air 的效果,筆者與 Tony、Eddie 三人於 1992 年 7 月至 9 月底,長期的與福龍號每天的測試相信 QUAD 的效果遠勝於 5 Element Yagi。

Fig 23
圖 23:VSWR 駐波比實測值



結論

    筆者使用 GEM QUAD 以來,著實覺得花費如此大的功夫,得到的 DX 樂趣實在值得。也由於與各路好漢共同研究按裝方式及實際到各地參與施工,前後半年的時間相處,各家老婆們雖有怨言,但也更堅定了「玩天線的人不會學壞」,也因此,各家 XYL 也不時地透過經常的聚會而更增加彼此的認識,未嘗不是另一個收獲。

    特別感謝 BV2DD、BV2AH、BV2IP、 BV2FB、BV2FR、BV2MP 及 BV2BT 等 OM 的協助,讓筆者的 QUAD 天線佇立在台北市中心,感受到一種優越感,願本文能給想使用 QUAD 的同好一個小小的幫助。 END



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