LOGO

做好射頻接地系統

No.12   1993 Nov.   p 40 ~ 45,   by 林茂榮/BV5OC, 彰化郵箱 575 號



前言

   前有 BV4DI 談了接地系統,其實,該篇是指電力的接地系統,但是,對無線電的射頻訊號而言,接地系統是完全不同的一回事,顯然該篇討論的內容並沒有觸及癢處。

   下面將以三項主題,分別是: 天線的接地線、野外基地電台的接地系統、人工接地系統 ,對射頻的接地系統來作一討論。希望能提醒各位,電力接地系統是一回事,射頻接地系統又是另外一回事。也讓常抱怨有很好接地系統,說話的 " 嘴 ",或選台的 " 手 ",卻依然常被 " 電 " 的朋友,別老把抱怨指向電力接地系統。

天線的接地線

   好的射頻接地系統,不但可以確保操作安全,更可以避免一切不必要的干擾發生。有些業餘無線電人員常抱怨,不知何故,收發機變成了 " 燙手山芋 ",不敢去碰它。(相信曾被射頻電流 " 電 " 過的人,印象一定極深刻)。

   所以,若想好好的享受操作業餘無線電的樂趣,所有的設備都應有好的接地系統。一般市(家)電的接地系統是不夠的,因為這是針對 60Hz 電源設計的,並不適合射頻使用。原因是,60Hz 的四分之一波長很長很長(約五百萬公尺),但是,頻率昇高,波長隨之變短,例如,到了高頻的 14MHz 波段,四分之一波長大約是 5 公尺左右。萬一接地板到收發機接地點的拉地線,剛好是工作頻率的四分之一波長,那麼,收發機就變成高壓點,這個時候,就是常被電 " 咬 " 的罪魁禍首。如果改變波段,卻又恢復正常。

   有些人常被這些因不良接地所引發的問題搞得神經兮兮。筆者就是其中之一,有時手持麥克風,手卻麻麻的,有好幾次還使數據通訊系統失靈,電腦當機。不良的接地系統所隱藏的危機是既深、且廣、又遠的。

   四分之一波長的接地拉線有如一個阻抗匹配變壓器,不適合接地系統。四分之一波長導線一端接到阻抗很低的物體(例如接地)時,另外一端就會變成高阻抗,而原本接地點就須要低阻抗,這樣形同沒有接地一樣。萬一拉接地系統的導線長度,恰好,或很接近工作波長(頻率)的四分之一(或四分之一的奇數倍),那麼,就等於沒有接地,有時候甚至會比沒有接地還糟。

   如果你曾經歷類似情況,也還沒解決,或者是你有接地系統的問題懸在那裡,可別灰心。刀可傷人,亦可是好工具。雖然四分之一波長的接地導線可以造成傷害,了解之後,它也可以變成一個理想的工具。

   所謂的 " 虛接地系統網 " (counterpose),就是利用四分之一波長的導線構成,如果把幾條每段長四分之一波長的近端接在一起,遠端空接,讓它呈絕緣狀態。如此一來,接在一起的近端就會呈現比較低的阻抗,好像接地一樣。

各波段的虛接地網所需導線長度。(QST Jan 1989 P.41)
波段
(公尺)
中央頻率
(MHz)
長度
(公尺)
80 3.725 20.25
40 7.125 10.60
20 14.150 5.22
15 21.150 3.56
10 28.300 2.67

   要製作四分之一波長接地網系統很簡單,取四段工作波長四分之一長度的導線,其中一端接在一起,接到收發機的接地端子;另一端則隨意分開,但是尾端要絕緣,這就形成了四分之一波長的阻抗匹配變壓器。要注意尾端絕緣的處理,一定要確保處置妥當,而且最好要藏放在人畜不易觸及的地方。它雖不致於有嚴重的意外,但是觸電時那種麻熱的感覺,還是會令人感到不安的。

   製作四分之一波長接地網系統的導線不用很粗,這與一般接地系統使用的導線要求盡量粗大不一樣,一般利用 RG-8 饋送線的隔離網就夠用了。當然,若有好的接地系統,就不用虛接地網系統了。例如,接地系統導線只有 5 公尺長,對40 公尺波段及 80 公尺波段而言,此接地系統可說是挺理想的,因此,就不用虛接地網系統了。

   一般而言,虛接地網系統的四分之一波長導線只適用於單一波段,如果多條不同波段的虛接地網線接在一起,因為會彼此影響,不適合多波段用途;換句話說,每次只能使用單一波段的虛接地網系統,不同波段的虛接地網線應切離。

野外基地電台接地系統

   美國陸軍針對如何提高移動指揮電台的射頻接地系統效率,做了一項研究,並提出一份報告。通常部隊的電台都是設在拖車上,並且使用垂直天線。以往這類電台使用的射頻接地系統,是把接地電纜接在銅條上,而銅條則埋在地底約 1 公尺深,呈輻射狀。通常這足以有效達到射頻接地系統的基本需求,也可以滿足射頻阻抗的匹配,但它也不是最佳的處理方式。

   為了有效改善射頻接地系統效率,美國陸軍做了幾項不同的實驗,包括以並聯方式圍繞電台周遭。接地銅條的埋設深度地做了試驗。這些不同條件下的特性,包括接地阻抗與射頻阻抗都一一記錄下來。另一組接地採取串聯方式,一樣有不同埋設深度,也都一一被記錄下來。

   逐一分析這些記錄資料,並且配合實際的發射訊號測試,所得到的結論是: 最好的射頻接地系統是使用四條串接的接地管,埋設深度以 30 公分到 60 公分之間為宜。

   這個實驗結論值得業餘無線電同好參考。尤其是設置野外機動電台時,此射頻接地系統應是理想的參考資料。

人工射頻接地系統

   最理想的射頻接地系統是,把電台架設在鹹水面上,以泡在此水面下的金屬板為接地。在海面上的移動台,與此條件就相去不遠。然而大部份陸地上的電台都不能夠達到如此境界。尤其是在高樓大廈的公寓內設置電台,要有理想的射頻接地系統更是難。就算是電台設在獨棟房的一樓,離接地處只有幾公尺,它只能保證有很好的電力接地系統,提供電力接地的安全,不見得會有理想的射頻接地系統。

   例如,你也許會認為,利用一公尺左右的導線接往 2.5 公尺長的妥當接地樁,是一很理想的接地系統。但是,2.5 公尺是 10 公尺波段的四分之一波長,不管接地系統有多好,從發射機端看去,如果工作波段是 10 公尺,那是一個阻抗特性很高的端點。以射頻觀點而言,這是一個很糟糕的接地系統,發射機也就處在無接地狀態,成為熱 (HOT) 狀態,你可能因而隨時射頻觸電。假如你的嘴唇碰及麥克風,或手等身體部份觸及收發機,而有發麻的感覺,那肯定是被此 " 熱 " 態修理了,必須趕緊改善。

   介於收發機接地端子與接地系統之間的任何長度導線,總會有阻抗存在。這會影響到射頻接地,而接地系統又是天線系統的一部份,所以,接地系統的阻抗會降低天線系統的效率。

比較好的接地系統

   為了解決上述問題,你可以提供一個低阻抗環境給收發機的接地端子。如何做呢?除了良好的電力接地系統外,並聯一段四分之一波長(工作頻率)的導線,另一端保持開路,不接到任何物體上。此段導線可以蛇行放在地板上,或沿牆存放。

   由於是四分之一波長,不接任何物體的遠端,阻抗特性無窮大;反應到收發機的接地端子,阻抗特性就很低,理論上,阻抗為零。這也就是最理想的射頻接地系統了。也就是說,一條四分之一波長導線可以提供最理想的射頻接地系統。但是,工作頻率通常是隨意變換的,如果要保持理想的射頻接地系統,此條導線豈不是要隨時替換?

   碰到的不只上述問題,10 公尺波段的四分之一波長只有 2.5 公尺,而 160 公尺波段,長度就要 40 公尺!這就有點不好處理了,加上前面提過的頻率變更時,導線長度的調整問題,這些問題要如何解決呢?對應到天線去的話,馬上就有了答案。一組天線不是可以藉著調諧器而適用在好幾個波段嗎?對了,那就是射頻接地系統調諧器。

人工射頻接地系統

   想法有了,讓如何做呢?首先拿一部天線調諧器試用,果然,機殼會觸電的現象馬上消失,這就讓人信心大增。收發機雖說是高頻全波段,但是,此地環境加上法規的限制,大多數人常用的波段不外是 10、15、20、40 公尺波段,頂多再加個 80 公尺波段。

線路描述

C1 365pF 可變電客
C2, C3 0.01 或 0.02 陶瓷電容
D1, D2 1N914 或 1N4148 矽二極體
J1, J2 M 型座,注意 J2 與機殼絕緣
L1 26 號漆包線,繞 36 圈。分別在第 4、8、12、16、20、24 及 28 圈抽頭
L2 22 號漆包線繞 13 圈
M1 100 或 200uA 小型電流表
R1 10K 歐姆 A 型(線性)可變電阻
T1 初級 1 到 3 圈,次級 36 圈,使用 26 號漆包線

   如上圖、表所示,是此人工接地系統的線路及零件,以 C1、L1、L2 串列組成,它是接在收發機的接地端子與一小段導線之間。收發機接地端子接妥在電力接地系統,這是為了安全理由,與射頻接地系統無關。

   此線路可以在 40 公尺到 10 公尺波段內使用。利用 C1 與 L1 環路之間設一變壓器 T1,來取得流經此線路的電流,並且利用電錶 M1 監測。當此電錶的指針最大時,表示處於共振狀態,也就是相當於提供了四分之一波長的導線。所以發射機的接地端子有最佳的射頻接地系統。

工作原理

   電容與電感串聯而取得共振時,在該頻率有很低的阻抗。當發射機發射時,如果接地端子沒有好的射頻接地,射頻電流會流經 C1、L1、L2,當與發射頻率產生共振時,電流最大。這時可以利用開關 S1 來選擇不同的 L1 位置,以便取得與工作頻率共振的條件。

   變壓器 T1 的初級與 C1 及 L1 串接,因為此處可以得到最大電流。初級取得的射頻電流,感應到次級,經由 D1 及 D2 檢波,C2 濾波,並以 R1 電阻做靈敏度控制,把轉換成的直流電壓用電錶 M1 監測;跨接在電錶上的 C3 是用來去除射頻干擾的,所以 M1 可以用來間接反映線路的共振。此時,發射機的接地端子有很好的射頻接地。

   為了有最理想的射頻接地效果,J1 與發射機接地端子之間的導線要保持最短距離。因為串聯線路在共振時有很低的阻抗特性,這個串聯線路由 C1、L1、L2 組成,外接一小段導線,並且與 J2 形成一個環路,提供很低的射頻接地阻抗,也就是提供四分之一波長的電子長度。

製作

   此線路應裝在金屬盒內,尺寸以 14.0 x 7.5 x 5.0 公分左右為宜。電容 C1 是一般接收機選台電容,其最大電容量是 365pF,這裡的耐壓可以不必計較,因為串聯線路屬高電流低電壓,不會有問題。M1 電錶也沒有什麼特別要求,小型電錶滿刻度是 100 或 200uA 都可以。

操作

   線路上的 J1 端子與發射機上的接地端子間的導線,盡量保持最短距離。當然,發射機的接地端子也要與電力接地系統接妥。然後在 J2 上接一長約 4 公尺左右的導線。注意 J2 所接的導線另一端要保持開路,不要觸及任何物體,更不要在上機工作時讓人觸及,最好用膠帶包好裸露部份,因為發射機工作時,此導線端點是電壓點,有射頻高壓出現。

   選好想工作的波段後,先不要全功率發射,輸出功率以 5 到 20 瓦為宜,然後才發射。調整 C1,試著不同的 S1 位置,直到找著 M1 讀數最大才停止。如果 M1 指針超過滿刻度,可以調 R1,使指針回到刻度內。

   所有業餘無線電台設置情況都不一樣,很難說應該把握什麼原則要領,只能自己試過之後,才能了解大概情形。像我的電台在 40 公尺波段時,S1 的位置在 8,更高頻率波段則往上切換,這樣可以提供更低的電感。

   如果你在 10 公尺波段把 C1 及 L1 都設在最低位置,在 M1 卻得不到最大讀數,可以把 J2 後頭的導線切短一些,再試看看。如果碰到類似情況,在40 公尺波段上,C1 及 L1 最大位置上也找不到共振點,那就需要延長 J2 上的導線。

   順便一提的是,如果你想適用於 80 公尺波段,同樣地,只需延長 J2 上的導線。不過,話說回來,高頻波段內最需要射頻接地系統的是,介於 10 公尺到 40 公尺波段。因為 80 公尺波段或 160 公尺波段,天線本身就夠長了,而且因為波長拉長了,電力接地系統本身就可以提供良好的射頻接地了。

   當得到最高的 M1 讀數時,裝此部線路的機殼本身就幾乎是射頻接地。如果 J1 與發射機接地端子之間的導線夠短的話,那就是更理想的接地。

   也許你會在某些波段頻率上,M1 得不到最大讀數,甚至指針都不動,那就恭喜你了,因為你的系統本身已經有很好的射頻接地系統了。

小心事項

   雖然 J1 及發射機接地端子都已經處在電力接地系統,但是,這對某些頻率而言,可能並不是射頻接地,尤其是在做調整時,如果手碰機殼,雖然沒有安全顧慮,但會影響 M1 的讀數。

值得試看看

   使用人工接地系統,不但保護發射機,還可以避免 TVI 等問題。射頻干擾並不是都由諧波造成的,幸運的話,也許可以一舉解決多年的 TVI 電視干擾問題,尤其是住在公寓或大樓的朋友,可能因為 TVI 而激怒鄰居,或乾脆藏起麥克風,這都不是好結局。

   以往樓頂的電視天線總會因操作電台而稍受干擾;比較嚴重的是電話線,使用中的電話筒裡,會傳出像是用 AM 模式收聽 SSB 訊號的聲音,而且還很大聲!自從使用此人工射頻接地系統後,這些問題都消失於無形了。 END



雜誌目錄 依順序 雜誌目錄 依主題分類