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漫談半波水平天線

No.12   1993 Nov   p72~79,   by 文伯銓 / KM2X



    業餘界使用的天線,種類繁多,各有特長,也各有短處。歸納起來,要以基本的水平架設的半波天線最具權威性;簡單、易裝、實用,效能又相當優越。各種其他型式的天線,定向或不定向者,都以它作為性能比較的準繩。瞭解半波天線,舉一反三,對其他型式的天線的性能,也可在掌握之中。



簡介

    「半波」天線的英文是 "DIPOLE",依字面解釋是「二極」的意思。有人稱為「偶極」天線,都是同一品種。本文用習慣了的老叫法,根據其長度為一個波長的一半,求其直接易懂;和「半波」二字較易上口,並無有意改名。

    半波天線大多都是做水平式架設,也就是本文要談的。半波天線也有做垂直架設的,由於它的放射特性和水平式者不同,輸送線 (FEEDER) 要特殊處理,本文暫不談。

Fig 01
圖 1:業餘波段 20 公尺波段的波長為 20 公尺,其餘波段的波長可類推。

    業餘波段中,最引人入勝的短波 (HIGH FREQUENCY) 波段部份,自 160 公尺至 10 公尺,共八個波段。其中以 20 公尺波段最為人所喜愛,為行文方便起見,本文以 20 公尺為例說明,遇有特殊情形時,再作註明。

    一個 20 米的電波,它的長度由頭至尾是 20 公尺,如圖 1。「半波」便是整個波長的一半,即 10 公尺。


電流和電壓的分佈

Fig 02
圖 2:電流 (實線) 和電壓 (虛線) 在半波天線上分佈情形;天線中央部份,電流最強,電壓和總阻則最低;天線兩端的情形剛好相反。

    圖 2 是電流或電壓在半波天線上,瞬間分佈的情形;天線的中間,電流最大,電壓為零。天線左右的兩端,情形剛好相反,電壓最高、電流為零。

    這說明兩點:第一,天線發射的主力部份在中間,因該處的電流最大。第二,根據歐姆定律,中間部份的總阻 (IMPEDANCE) 也最低,約在 70 歐姆左右。在天線約兩末端,總阻在數百歐姆左右,因為該處電壓最高,電流最低。明瞭此兩點,便可了解各式各樣輸送電力至天線的接法及其基本理由。


發射角度

    天線另一重要特性是電波射出的角度 (ANGLE OF RADIATION,或 WAVE ANGLE)。發射角度距地面越小,射程越遠,是為捉 DX 的要件。

    水平架設的單根半波天線,也即是最基本的天線,它的發射角度與天線的構造無關,直接有關的是天線架設離地的高度。因為,地面會將電波反射,不同的高度,反射的程度不一樣,也就影響到電波射出的角度。

    圖 3 表示天線在不同高度 (以波長為單位) 時的發射角度。

    圖 3A 是天線高度在 1/4 波長時 (20 公尺波段為 5 公尺高),大部份電波在原地向上衝,部份向兩旁散出,經電離層反射回地面,如是者往復在原地踏步,不射向遠處。

    圖 3C 是天線離地 1/2 波長的情形 (20 公尺波段,天線離地 10 公尺),發射角度便達 30 度左右。根據很多火腿的經驗,這角度是遠距離通訊最低的要求。

Fig 3a
圖 3:水平半波天線的發射角度,依架設的高度而異,角度越小,射程越遠。根據經驗,要捉 DX,角度不得大過 30°,亦即天線高度不要低過 1/2 波長 (C 圖)。
圖中所示各發射曲線圖型,是從天線近眼睛的一尾端,向前直看至另一尾端的電波發射形狀。

Fig 3b

    在實際應用時,要顧到地質和環境因地而異的因素,有時雖然天線離地 10 公尺,但對電波而言,則未達 1/2 波長高,因而仍叫不到 DX;這時如將天線加高僅 1 公尺,效果會立即不同。圖 3B 即表示此情況。天線離地 3/8 波長 (20 公尺波段,天線離地 7.5 公尺高),電波仍在原地徘徊,不去遠處。

    圖 3D 是天線在 3/4 波長高 (20 米為 15 公尺高)的情形,電波分為三瓣,左右二邊的波瓣降低至 20°,這有助於 DX 通訊,可惜有大部份電波直上雲霄,變成浪費。

    如果將天線高度昇至一個波長高,如圖 3E (20 米為 20 公尺高),電波分為四片,左右各二,最下面的波瓣,角度再降至 15°,更有利於 DX 通訊,但是上方的波瓣角度達 50°,有利於近距離通訊,對 DX 而言是一項損失。

    圖 3F 及 3G 是天線 1-1/2,及 2 個波長高的情況。天線越高,最下層的波瓣角度越低,波瓣數量也增多。在業餘界來說,天線應儘量架高,至於因高角度波瓣所造成的電能損失,沒有人去理會。在實際架設時所選用的高度,尚要顧及堅固、安全、狂風暴雨等因素。


電能的輸送

    餘下的一個問題,是如何將發射機的電能,有效地輸送到天線上去。一如將電能輸送至電燈泡,燈才會亮;110 伏的燈泡要配用 110 伏特的電,220 的燈泡配 220 的電,否則不是燈泡不會亮,便是燒燬。

    輸送高週波的電能至天線,所要配合的是總阻 (IMPEDANCE),總阻是直流電阻加上交流電阻的總合。

    上文說過,半波天線的中部,其總值是 70 歐姆,假如在此點接上一根雙導體的電線,它的總阻也是 70 歐姆,這樣,天線的輸電點總阻 (FEED POINT IMPEDANCE),和輸電纜的總阻 (FEEDER IMPEDANCE) 便完全配合。經此電纜輸給天線的電能,天線會全部照單全收,沒有電能打回票,此時輸電纜上的駐波比 (SWR) 是 1.0。

    假如這時天線中端的總阻,由於變更發射週率,或附近建築物等的影響而變動 (為行文方便起見,假定變為 80 歐姆),天線和輸電纜的總阻,便不完全配合。此時有部份電能,會從天線上反彈回來,駐波比指數便不是 1.0 了。

駐波比數
SWR
向前電力
(瓦特)
反彈電力
(瓦特)
1.0 100 0
1.1 99.8 0.2
1.2 99.0 1.0
1.3 98.3 1.7
1.4 97.4 2.6
1.5 96 4
2.0 90 10
2.5 84 16
3.0 80 20
3.5 76 24
4.0 73 27
5.0 69 31
表 1:駐波比在 2.0 以下,可安全使用; 2.5 則勉強;3.0 以上,發射機的末級放大會被反彈電力打壞。 表中以 100 瓦特的發射機作例說明,其餘電力可依比例,或由下列公式算出:
Fig 07

    再假設天線的總阻不變,仍是 70 歐姆,若接用 52 歐姆的輸電纜,同樣不配的情形也會產生。在實際使用上,半波天線採用 52 歐姆的輸電纜,負面效果並不顯著。

    在任何情況下,只要駐波比不超過 1.3 (最好不超過 2 以上),都不成大問題,也不要求十全十美,非要 SWR 1.0 而大興土木不可。有很多影響駐波比的因素無法測知,也很難更正, 為求 SWR1.0,往往白辛苦一場。駐波比數見表 1。

    天線輸電點的總阻和輸電纜的總阻配合好之後,即前文所說,兩者都是 70 歐姆左右,輸電纜的長度 (發射機至天線端的距離) 可以任意而不影響駐波比,也不需要加裝「天線調節器」 (ANTENNA TUNER),更不需要在天線上加裝「配合線路」 (MATCHING NETWORK)。但不要忘記加裝「駐波表」 (SWR METER) 和「低週通過濾波器」 (LOW PASS FILTER),以明瞭天線工作情況,抑制電波干擾鄰居電視等。

    半波天線雖然也可以用 300-600 歐姆的雙線平行或梯形輸電纜,但要用「配合線路」或「天線調節器」,或其長度要配合波長。再者,它不似同軸纜 (COAXIAL CABLE),電波會往輸送線上漏出,造成干擾,非不得已,不用為上策。


天線工作範圍舉例

    拉一條天線,首先要決定工作週率。以 20 米波段為例,整個波段的範圍,是從 CW 的一端 14.000MHz 到 SSB 的另一端 14.350MHz 為止,一共是 350KHz 闊。

    依數字來看,天線長度也即是諧振點,應設在中央部份,即 14.175MHz 處,希望前後都可照顧到,可是在實際上,350KHz 的範圍相當闊,若要頭尾兩端的 SWR,都在可用而無害的範圍內,恐怕不易辦到,所以要做各人的需要,放棄一段 CW 或 SSB 的週率。

    如果魚與熊掌兩者都要,並且對捉 DX 有特殊喜愛,則可將天線諧振點設在 14.100MHz 附近,這樣便可包含 DX 電台最喜愛的 14.025,也包含大部份 SSB 的週率,所損失的僅是 SSB 最高端一部份週率耳。如一定要用該部份的週率,則可加用天線調節器來補救。

    本文所指一條天線的可用範圍,是指在某一週率範圍內,例如 14.000 至 14.300,SWR 不超過 2.5,否則發射效率非但低,並且從天線反彈回來的電波,會打壞發射機的末級放大 (FINAL AMPLIFIER)


週率的高低

    在業餘用語上,低週率叫「下」 (DOWN),高叫「上」 (UP);14.000 是「低端」 (LOW END),14.350 是「高端」 (HIHG END)。假使有一電台在 14.050 處叫 CQ,並說「收聽高五」 (LISTEN UP FIVE),意即他的發射週率雖然在 14.050,但收聽週率則在 14055 左右。再如他說「收聽低五」 (LISTEN DOWN FIVE),意即在 14.045 處收聽。


天線的長度和調整

週率 第一次 第二次 最後一次
KHZ SWR 讀數 SWR 讀數 SWR 讀數
14000 1.4 1.8 2.1
14050 1.6 1.5 1.7
14100 2.0 1.7 1.5
14150 2.2 2.1 1.7
14200 2.5 2.4 2.2
14250 2.8 2.6 2.3
14300 3.0 3.0 2.5
14350 3.7 3.4 3.0
表 2:天線長度調整舉例。

    天線的長度可做下列公式來決定:半波天線的長度 (公尺) = 142.65 / 週率 (MHz)

    在剪線時,剪得稍長一些,以利調整,因為將線剪短比加長容易得多。天線尾端的處理,筆者喜用自創的接法,如圖 4,甚為好用。天線支柱的頂端宜加裝滑輪,方便拉上拉下。

    天線在地面製造好後,拉上支柱頂,測看其諧振點,是否在所設計的週率上;這時可將發射電力降至 10W 左右 (QRP 酌量),接上天線,並測從 14000 至 14350 每隔 50KHz 的 SWR,將 SWR 讀數寫在紙上,如表 2,不要單靠記憶。留下 SWR 的記錄,日後有問題時可以參考。

    表 2 第一次讀數表示天線過長,因其最低的 SWR 在 14000 邊緣,剪短些少後,第二次讀數得知諧振點在 14050 處,14300 處 SWR 太高,表示天線仍然過長了些,再剪去些少,複量 SWR,讀數如最後一行所示,天線的諧振站在 14100 處。14000 處的 SWR 是 2.1,可用;14300 處是 2.5,勉強可用;14350 處太高了,要加天線調節器,或不用該段週率。

Fig 04
圖 4:天線末端的絕緣子接法如圖,以利調整,因將線剪短較加長容易得多,這是筆者自創的接法。



多波段的半波水平天線

    單波段用的水平半波天線,也可改裝為多波段半波天線,如圖 5。其法是截剪適合所需諸波段長短的銅線,用絕緣物,如塑膠片之類,掛吊在最長的一根天線下。這數根長短不同的天線可共接上同一根輸電纜。

    圖 5 的例子,最上的一根用於 7MHz,中間的用於 14MHz,最下的用於 28MHz,21MHz 波段可和 7MHz 的一根共用,因為 7MHz x 3 = 21MHz,無須另製。

    多波段的水平天線,也可用「截波器」 (WAVE TRAP) 來達成,但不易製,乃略。

Fig 05
圖 5:簡易多波段水平式半波天線。天線長度可依 142.65 ÷ MHz 訂出,再量 SWR 予以調整。此種天線,各波段會相互影響,調整時要有耐性。



倒 V 式天線

    架設水平天線,要用二根支柱,且要用拉索以防支柱倒下,架設不太容易,也佔地甚廣。有人改用一根支柱,只將中央部份吊高,兩邊下垂,如「倒 V 字」形,經業餘界使用多年,證明其效果相當好。

    架設要點如圖 6,其中央部份的高度,應高於 1/2 波長,以求其發射角度低於 30°;發射的電波則屬垂直性 (VERTICAL WAVE),有利於 DX 通訊。天線兩側的高度逐漸降低,該兩側發射的電波,有利於近距離通訊。這確是一根遠近皆宜,架設容易的天線,特此介紹。

    「倒 V 式」天線,因其兩端傾向地面,銅線實際的長度,依公式的長度減短 3-5%,其中央輸電點的總阻,也以同理降至 50 歐姆左右,更配合 RG-8 50 歐姆的同軸電纜。

    「倒 V 式」天線,也可加掛不同波段的銅線,作多波段用。

    架設「倒 V 式」天線的中央支柱,要用非金屬物體,最起碼,最上端二、三公尺處不用金屬體,我國盛產的大茅竹非常理想。

Fig 06
圖 6:「倒 V 式」天線



天線架設的地點

    架設任何天線應遠離電力、電話線,即使在倒下的距離,彼此不能相碰,為最低要求。業餘天線要盡量架在空曠、四野無障礙物處,如實不得已,天線與建築物之間的距離,不要少於七公尺。

    爬鐵塔對業餘無線電同好來說,都是生手,這需要有訓練的專業人員來做,應請專業或當地電力公司的技師為是。如非不得已,一定要繫上安全帶,即使是粗麻繩,也比不用好。生命太可貴了,萬萬不可逞強或疏忽。


收音天線

    有一位同好來信問,收與發可否用同一天線。一般來說,是的,多波段的天線,收發時也可用同一天線,並無不良效果。 END



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