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430MHz 諧振空腔製作

No.10   1993 July.   p94~97,   by 施和夫 / BV4DI



    由於使用無線電通訊的人越來越多,任意加「龜」的人也越來越多,天空充滿了各種訊 號,若接收方面濾波之功能不是很好的話,常會收到一些混頻訊號,或遮蓋遠方微弱訊 號,造成困擾。要改善這種情形除了找出干擾源加以協調,或換較好之機器外,就是加 上適當之濾波器。

    濾波器常用的多為 LC 線路所構成,而於 V/UHF 頻段常用的尚有「諧振空腔」,諧振 空腔由於構造簡單,效率高,常被用來做濾波器 (BAND-PASS FILTER) 或雙工器 (DUPLEXER)。

Fig 1
Fig 2
Fig 3
    諧振空腔,顧名思義,為一會產生諧振之空間,其原理可由傳輸線的理論來看;無線電 的傳輸線一般認為和電力輸送線一樣只是傳送電力,沒甚麼不同,可是當您深入觀察同 一品牌之傳輸線,只要長度有所不同,就會導致輸出功率有所不同。讀者可以剪兩條 5D 電纜線,一條長約 35 公分,另一條約 40 公分,接在機子和駐波比錶之間,駐波 比錶之天線端不要忘了接天線或是 50 歐姆之終端負載,然後於 UHF 頻道發射,您就 會發現功率錶上之數值有所不同,有時還相差滿大的,就是連駐波比也有所不同,這問 題可大了!這似乎很難相信及解釋,而這也是為甚麼會有專門的書或章節來探討傳輸線。

    當電波形成後,不論是傳送或是輻射,皆是以波的型態進行,所以對波動的特性不了解 的話,那就很難了解為何有此奇怪之現象。波動的代表通常以繩波為代表,在此僅以一 些常見現象及簡易原理來解說傳輸線。

    繩波於傳送時如圖 1,於一端固定時,會產生如圖 1(a) 之反射波,於一端開放之 繩會產生如圖 1(b) 之反射波。因而於連續輸入波時,則各會產生如圖 2 之駐波;同 樣的,在一端封閉之傳輸線,就如同一端固定之繩子般產生類似之駐波,另外一端開口 之傳輸線亦產生如同一端開放之繩子般的駐波,唯有在終端負載為相同於傳輸線之特性 阻抗時,電波才會順利的通過而不會產生駐波;在阻抗不同時,亦會產生反射之電波, 因而產生駐波,如圖 3,這也就是為甚麼我們會為常用駐波比錶來量天線是否匹配,同 樣的,這也就是為甚麼天線端不接天線不行!假如沒接天線,就成了一端開口之傳輸線 ,因而引起駐波 (共振)。當採用很好的傳輸線時,電波將不會損失,因而造成電壓累 積昇高,導至輸出級電晶體崩潰損壞,不可不慎。

    瞭解了電波於傳輸線上之情形後,我們來看 1/4 波長一端封閉之短傳輸線,就如同前 面所說的特性,當電波輸入時,將產生反相之回波,又由於路徑來回剛好為 1/2 波長 ,適逢輸入電壓反相,因而產生電壓累積之效果,就如同 LC 並聯共振線路之效果,而 其他長度之短傳輸線也如同這樣,因而產生電壓領先電流或落後電流之電感電流現象, 當然這須較詳細之數學證明,在此先不討論,而短傳輸線其特性如圖 4,也就是我們可 以用短傳輸線來取代傳統的電容及電感,這已經普遍的使用於 UHF 電路基板上,是故 ,常有些電路板之結構會讓僅學過傳統電路的人看不懂。

Fig 4

Fig 5
Fig 6
    本諧振空腔便是使用如同圖 4 的 1/4 波長一端封閉之傳輸線。於特性上等於 LC 並聯 共振電路之原理製造的,其完整之結構如圖 5。當然,由圖 5 之結構很難看出那裡像 短傳輸線,所以我們須在圖 6 以拓樸學 (TOPLOGIC) 之眼光來說明:A 圖之結構就等效 於等 L 長之 B 圖結構,也就是長 L 之短傳輸線。圖 5 結構之好處是便於調整諧振空 腔之長度其原結構登於 "THE ARRL HANDBOOK P23~32"。由於材料及製做過程不是很詳 細,因而於此特別介紹之,並將筆者之改良型及原型做比較,此型通稱為 "J 型諧振空 腔 "。


材料

(1) 黃銅管,直徑 3" (3 英吋) (若找得到純銅管則更好)。
(2) 紅銅管,直徑 3/4" (3 分),長 4"。
(3) 銅板,厚 1.5mm,寬 9.5cm,長 11cm,兩片。
(4) 圓型銅板,直徑 3/4",厚 3mm,中心鑽 2mm 直徑孔,兩個。
(5) M 型接頭,最好是電木或鐵氟龍材質
(6) 2 分銅螺絲 3 英吋長一支,2 分銅螺母兩個。
(7) 鍍銀導線 0.8mm,一些。

1-4 項材料可在非鐵五金材料店購得,至於第 6 項可多跑幾家螺絲店找。


工具

(1) 鉗子,銼刀,尖嘴鉗。
(2) 瓦斯烙鐵 (最好用水電用噴燈)


步驟

  1. 銅管於購買時可請店家代為裁剪好。
  2. 將 3" 銅管依圖 4 規格打洞,並用瓦斯烙鐵將 M 型頭焊上,如照片 1、2。
  3. 將 3/4" 銅管以瓦斯噴燈焊於一片銅板中間,如照片 3。
  4. 將另一片銅板中心鑽一 6.5mm 孔,並用銅螺母焊於上下兩面,使銅螺絲能鎖入並 能隨意改變旋入之長度,如照片 4, 5。
  5. 以一小段 1.6mm 直徑之銅線將圓型銅板焊於 M 型頭上,並將焊有 3/4" 黃銅管之 銅板與 3" 之銅管對準中心後焊好,如照片 6。
  6. 將另一片銅板之銅螺絲對準中心細銅管後並焊好便完成,如照片 7。
  7. 完成後將諧振空腔接線,如圖 7,調整諧振空腔上之螺絲使輸出瓦數為最大便是諧 振點。

Fig 7 Fig 9
Fig 8

    經實際測試發覺頻寬蠻寬,以峰值取 3dB 約有 2MHz,在頻道日益擁擠的今天,似乎太 寬了一些,為了要有更窄的頻寬,筆者將之修改,原尺寸不變,僅將輸入端改變。原用 電容輸入,現在改為電感輸入,從底部輸入,底板構造如圖 8 及照片 8,完成品如照 片 9、10,其頻率功率圖如圖 9,由圖上可知改成這種型式後頻寬變得很窄,較適合近 頻之干擾,不過由於頻寬太窄,調整上須更加細心,才能調在中心頻率上。由圖上亦可 知,由於筆者使用黃銅質之材料,所以損失較大,若能改成銀或鍍銀的話,那就會更好。

    最後畫出兩種諧振空腔之等效電路圖,由此圖,只要學過電子電路學,就能輕易了解為 何一個頻寬寬,一個頻寬窄之原因。

    參考書目: (1) THE ARRL HANDBOOK, 1992
(2) THE ARRL ANTENNA BOOK, 16th edition
(3) 電磁波,徐氏基金會
(4) FUNDAMENTALS OF PHYSIC, HALLIDAY END

Fig 10



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