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垂直與水平天線效果差多少

No.09   1993 May.   p56~58,   by 吳尊周 / BV2AP



    垂直式天線與水平式天線感度的差異並無定論。一般狀況下,只要雙方都採用同樣極性,即可以有良好的表現;否則,兩個不同極性的電台,彼此訊號差將可達 20dB 以上 (即大於功率 100 倍以上)。筆者在此僅就一些常用定則提出討論,分成 HF 與 V/UHF 兩部分 (或視界 100 公里內與視界外)來作比較。


依賴電離層的 HF 波段

    HF (3-30MHz) 電波強度在距離電台數公里外即強烈衰減;通常是藉由電離層的反射,才能與數百、數千公里外的對方通聯。電離層的一次反射距離約在 2-4 千公里,有時要經過數次反射才能安抵對方,而每一次的反射會衰減掉約 6dB 強度,加上海面波浪之起伏不定及高空電離層因地球自轉,每秒有 500 公尺以上之移動;高空的日夜溫差達 1000C 以上,作為 HF 電波媒介的電離層也是波濤洶湧,不可捉摸。

定向天線

    兩天線的極性偏波面已經暈頭轉向,分不清東南西北。但重要的是;天線的輻射角度方向是否對向電波的來向!有時使用定向天線指錯角度會收不到對方,有時原指向北極接收美國來的訊號,卻在 180°轉彎後收訊更強。定向天線對特定方向之通訊良好是事實,但對於業餘之 CQ 全方向呼叫,效果並不一定好,因為 360°內只能收到 90°內的訊號,而且定向天線多為水平架設,以地平面 5 ~10°內仰角之 DX 遠距通訊為主,2 千公里短距離的通訊,角度較大,效果也會差些 (其差異是在指向性,不是偏波面)

水平半波天線

    水平的半波天線其實是最標準的短波天線,其輻射角度自地平線起至天頂 180°,皆可輻射,但在架設時,離地至少要有 1/4 波長的高度以上才行。其指向性為 " ∞ " 字形,有指向性。若要獲得 360°全指向,則需要裝設兩組才可,各朝東西及南北方向。若裝南北定向,則拉東西向。

垂直天線

    電波在低頻 (10MHz 以下) 時,偏愛夜間;10MHz 以上則偏愛日間。而在頻率低時,因半波天線的 1/4 波長甚長,架設不便,故多採用垂直天線。

    垂直天線 360°皆可輻射,但是對高角度輻射效果較差,因為電波之偏波面歷經電離層與海浪之折騰,在達到數千公里外時,已經是面目全非。此時若裝設兩組垂直天線,相隔 1/4 波長以上,用兩台相同性能之接收機收同一頻率之遠方訊號,會出現一台接收訊號強,另一台或許完全沒訊號的現象!有時數秒交替一次,有時兩台都很強,此現象即因偏波面不同之相位減衰所造成。

    所以,HF 電波在垂直與水平時並無甚大差別。若可能的話,建議裝兩支垂直的 GP 天線,相離 1/4 波長遠;兩支水平半波天線 (互相垂直);再加上一支離地 1/2 波長以上之五節三波段指定向天線,附 360°馬達旋轉器。

訊號變化強烈

    HF 之 QSB 電波衰落大於 20~ 30dB 時,功率差可達 100~1000 倍,收聽時有如浪潮般,數秒鐘一個起伏,在傳播狀況不良時,只要稍待數分鐘,可能會有強訊號出現。處於波浪谷點的千瓦訊號,有時不如處於峰點的一瓦訊號,完全要看時機。100 瓦的 HF 訊號雖在十公里外,收聽起來可能如蚊聲,非常困難;然而在數千里外,卻可能強到 59++, 60dB/uV 以上。

    在筆者萬華居所實測結果:收到蘆州 100 瓦的 HF 訊號約 40dB/uV;收和平東路 / 新生南路口也是 40dB/uV 左右,但是接收日本 NHK 100 瓩的 17810KHz 廣播時,竟高達 80dB/uV,比 40dB/uV 的訊號強了千萬倍!但是,電離層只要一變化,雖有千萬瓦特之強電台,收不到就是收不到,但有時卻只要數米長之單線即可收訊良好。同好們可以試收 3925/6055/9595KHz 的 NSB 日本短波放送,24 小時 5 萬瓦特全年無休的廣播訊號:或是 9635KHz 的新加坡電台。

架設天線

    垂直 GP 與水平DP天線的架設很容易,只要諧振好,效率也不差,端視電離層願不願意反射。至於天線選用的種類,並無重大差別,只要隨時注意電離層狀況,傳播良好時,雖只有 1 瓦 (甚或不到),也可以通全世界!短縮天線的效率差些,放在架設時最好是架高一點,在半波長直徑範圍內無阻擋物,且不得有另一支天線。筆者曾於水平定向天線下方,用銅線拉起另一水平天線,雖彼此相距 5 米,但當兩組天線平行時,SWR 變差。因此,在旋轉塔上裝兩組以上的天線時,彼此之間得相距半波長以上,且不得平行。電離層是通訊遠近的 決定因素,天線與功率只是盡人事而已!當然,天線的性能愈好,通達的效果愈好。


VHF/UHF 超高頻

    相對於 HF 的長波長,VHF/UHF 超高頻之波長較短,易於做到標準的半波天線,架設安裝也較簡易,效率高,適合移動使用。一般電視天線多用水平式多節定向天線,而行動電台多為垂直 1/4 波長天線,兩者互相垂直,降低了強力廣播電台與行動電台之間的干擾。在一般情形下,水平與垂直天線的訊號差可達 20dB 以上。

    垂直天線對近距離 VHF 通訊較佳是不爭的事實;有人主張在 VHF 作 DX 通訊時採用水平天線,主旨是在避開本地之強力垂直天線電台的干擾。在同一極性下 (例如垂直天線)作 FM 通訊時,只要附近有強 10dB (10 倍)的訊號,即會被強食遮沒。若改用水平天線,受到另一方的垂直天線干擾程度,會減少 20dB (100 倍)左右,對接收弱訊號之改善頗有助益。而 V/UHF 的電波易於反射、散射、折射,會干涉因複徑傳播而生之環節點,導致行動台每移動 1/4 波長距離,訊號強度會有 30dB 以上,一波一波的變化,有如天堂地獄之別。

    在空曠地即無此現象,若改為多節定向天線,因具指向性之極性排整,排除了異徑之相差訊號,降低了環節現象,然則收發同一偏波之要求,也相對需要了。

垂直天線

    V/UHF 通常不因電離層而反射,多作為 100 公里內的固定或移動通訊,天線多為垂直極性,天線離地至少 1/4 波長以上。經實際試驗;144/430MHz 的移動通訊,以 1 米長的垂直鞭狀天線最佳;太短則離地 (或基座板)不夠,有效輻射徑不是,輻射效率偏低;太長則機械強度不夠,車行時搖擺不定,將導致強烈 QSB,降低了解度。

水平天線

    水平天線一般比垂直天線多一倍增益,而且,加高架設之效果遠比垂直天線改善許多。然而行動電台一定是東西南北隨意移行,故仍須利用無指向性的垂直天線。垂直共軸天線因為壓縮了向天頂方向的功率,使得指向於地平面水平方向之能量作 360°平均射出,有利於 30~100 公里內之無指向行動電台。而由建築物等的反射作用,實際上,水平偏波並不會完全收不到,重要的是天線的指向性及干涉的環節點問題。在通不到的地點,只要移動數米,或到空曠地,即可改善。計程車無線電搶台的要點是;在空曠地連喊三聲車號。

環節點影響通訊

    在目視距離內可直通的兩個固定台,因為天線固定,受到複徑傳播的影響,會產生環節點,使通訊效果產生迥異的變化。在通訊不良時,只要更換頻率數十KHz 或改變位置,以錯開谷點,即可強烈影響訊號強度。同樣地,水平與垂直天線也會有強烈對比,如同 HF 波段一樣,電波經過多重反射、折射後,垂直與水乎天線的 20dB 標準公稱差異,也就所差無幾了。但是在使用多節排骨 (定向)天線時,雙方一定要垂直或水平一致,否則,會有千百倍之差距,甚或完全收不到!絕對不可說水平垂直無差別。

    電波是無所不在、無孔不入。其捉摸不定的特性,無人能 100% 指出,得靠大家多利用各種天線予以捕捉,繼續研究其特性。

機會短暫

    多年來,筆者時常在本地收到 V/UHF 的 DX 訊號,曾經就收過來自日本大阪的 FM OSAKA 85.1MHz 廣播電台;訊號強時,用小型手提 FM 收音機,短短數十公分的天線,水平或垂直,都可以收得非常清晰,但是一年僅有數次,每次都很短暫,僅有數小時而已。即使跑到三千公尺的高山上,用數十節大型天線嘗試接收,在電離層不反射時,收不到就是收不到!

避開阻擋,天天守聽

    一般在地平線仰角 5~10°內,只要避開高山、建築物阻擋,天天守聽外國 FM 廣播電台的強訊指標,即可意外遇上。在虎尾以北地區,往日本方向無高山阻擋之地,如彰濱、員林、台中大肚山以西、林口、台北市區,要以 144/430MHz 通日本,應當每年會有數次機會。筆者在萬華就曾用 2 米半長垂直半波 CB 天線,接上家用一般調頻收音機,收到新加坡、馬來西亞、菲律賓、泰國、韓國、北海通、關島、昆明、貴川、廣西、四川、甘肅、兩湖、江西、大陸東北的 90~ 100MHz FM 廣播電台訊號!因此,若要用 144/430MHz 通達上述各 地,是絕對可行的,只要用 5~12 節的 YAGI 八木天線、50 瓦輸出的條件,每年至少會有一次以上的機會。在夏日冬夜、颱風日或氣候強變之日,通達的機率最高。有興趣的同好,請多注意。


結論

    水平天線與垂直天線其實並沒有很大的差別,20dB 的訊號差對於大自然的數十、數百 dB 而言,顯然太微不足道了。只要收與發的兩方各用同型天線即可。指向性比偏波性要來得重要,而偏波性只要是同型即可。太空中的通訊則橫豎相同,無環節也無干涉。

    台灣南北僅 500 公里內,300 公里高的電離層反射鏡要仰角 45°以上,才可通達,僅能用 4 ~10MHz 高仰角輻射之條件來完成通訊,高於 10MHz 會穿透電離層。國內業餘台近來常在 7.060MHz LSB 通聯,南北各地可以通得很愉快。而要避開本地干擾作 DX 遠距通訊,最好還是採用水平極化的天線。若要作 EME 月面反射通訊,或 1 千公里以上的 V/UHF 通訊,所使用天線的增益則要高於 30dBi。 END



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