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業餘無線電樂趣多:天線為何有增益

No.12   1993 Nov   p88~92,   by 楊智凱 / BV2FB



    天線為什麼有增益?"dB" 是什麼?「木瓜」「排骨」有何不同?

Fig 01

    誤:天線愈長愈大,效果愈好,可以放大功率,增加效益。

    正:天線是用來將射頻「電能」變成電磁波的元件,就如同燈炮是用來將電能變成光波,或小提琴弦是用來將位能 (力量) 變成聲波一樣。一個完美的天線應至少為其欲發射電波之 1/2 波長,就如同琴弦的道理一樣。

    偶極天線因結構大都為兩個 1/4 波長電線或銅、鋁管組成之直條形,故能於腹部四週產生電磁波,但天線之兩端則幾乎完全沒有電波產生。

Fig 02

    偶極天線通常都用來做參考天線,其增益被定義為 "1",又稱為 "0dB",假如將 2 支偶極天線巧妙安排,又能不互相影響,並將電能先後經過 2 支天線,則理論上將會使某一個小角度內之電波強度提高 2 倍,即 "3dB"。

    依此類推,用很多節偶極天線上下排列成群,即可將電波強度一直提高 (此即一般所稱之木瓜),通常較實用之程度為 10 倍以下,也就是 10dB 以下,但因能量不減,其他角度之電波將消失而集中於需要之角度。

    如下圖所示,虛線為點輻射源,代表一個數學上存在但實際做不到的理想球體,它的電波向四面八方平均發射而形成一個球狀。在相同功率下,在任意方向,它的電波強度均為偶極天線之 0.6 倍,即 "-2.15dB",換句話說,如果理想點發射源被定義為 "1",即 "0dB",則偶極天線腹部電場強度最高點為其 1.6 倍,即 "2.15dB"。為免混淆,通常寫成 "2.15dBi","i" 代表球體發射為基準。

    所以,一支增益為 2.15dBi 的天線即是增益為 0dB 的天線,也就是無增益之普通天線。

    另一種提高天線方向性及增益之方式為「亞奇」方式 (YAGI),即利用一支金屬,靠近普通偶極天線,使得電磁波偏向期望之方向,一般稱之為排骨天線,也是將電磁波能量引導向需要之方向而產生增益。故增益只是相對而言,並非真的可以將能量放大。

Fig 03

    木瓜由於通常是直立的,其電場與地面呈垂直,故其電波為垂直極化波;排骨則可視需要,橫放或直放,橫放則產生水平極化波,直放則生垂直極化波。通常為遷就汽車天線之垂直擺放方式,排骨也多做成垂直極化。

    另有一種用來與人造衛星通訊之天線,則可將垂直與水平交疊,並移相 90 度,使得兩能量因時間差相加,而形成圓形極化波,因此不論衛星如何翻滾,均可收到良好信號,最為特殊。

    中波廣播之天線波長通常在 600~200 公尺間,半波長也至少要 300~100 公尺,很難架設,且因立於地面,地表下之地下水及礦物質會形成一片導電層,此導電層之性能如同一面電子鏡,將產生一個天線倒影。上下二支半波長天線因電流極性相反,互相抵消,反而沒有電波發出。如果將天線高度降為 1/4 波長,下面倒影正好形成另外 1/4 波長,就形成一個完整的偶極天線,能發揮很好的垂直波輻射功能。

    許多小型車用 144/430MHz 天線也是利用這個方法,但因很難有人捨得將天線裝於車頂正上方,挖洞且接地,而將其裝於行李箱旁,其倒影是如何的不佳,可想而之。幸好,天線廠商很快就設計出有地網及無地網的天線出來。


    地網是什麼?無地網天線 (NR) 又是什麼?為了改善電波發射,在汽車天線下方加地網,對嗎?

    :地網就是利用一條以上的 1/4 波長電纜,一端接於 1/4 波長垂直天線之饋電點 (接頭),另一端絕緣或懸空,以形成一個虛擬的電子鏡。通常至少需要三條以上,才能使發射電波之分配方向都均勻。嚴格講起來,有地網的方向,電波會稍強一點點,但實在微不足道,不必在意。地網另一端絕不能接地或任何金屬,否則就自動失效且產生阻抗混亂之結果。

    NR 即 "NON-RADIAL" 天線,即「無地網」天線,特別適合用在下方沒麼東西可產生電子倒影時,例如汽車天線裝在雨槽、行李蓋旁、後照鏡上等。如果車子是玻璃纖維頂,房子是木屋,就一定要接地網,如果接地網太麻煩,可改用 NR 天線。

    NR 天線基本上就是一支完整的半波長天線,電能則採高阻抗、高電壓方式灌入天線,故不需擔心電子倒影。假如使用 NR 天線裝於車頂良好金屬平面上,甚至畫蛇添足,加上三支或 N 支地網以表示有學問,那就大錯特錯了!因為 1/2 波長天線之電子倒影電流相位正好相反,好好的一支天線變成啞巴,不能正常發射,更甚者,因電波射不出去,彈回產生強烈駐波,就更嚴重了。

Fig 04

    如果車子安裝天線之位置一部份是玻璃,一部份是金屬,到底該用有地網還是無地網天線呢?答案是:實驗決定。根據經驗,NR 天線成功率較高,且因常為有增益之堆疊式,故電于倒影就愈顯得不那麼重要了。


    同一支天線下,五瓦手機可通幾公里?五十瓦車機可通多遠?

    在一切條件相同下,功率每提高 4 倍,距離可增加 2 倍;功率提高 100 倍,距離可提高 10 倍。所以,提高功率所能改善的實在有限,最重要的是天線位置要良好。


    為什麼我的手機聽不出火腿使用 SSB 機在說些什麼?調制有那些方式?

    誤:火腿使用 SSB 機在作秘密通訊;防止香腸蓋台。

    正:您的手機雖使用與火腿相同的頻率,但因調制模式不同,故您的手機無法解出其通信之訊息。

    無線電波載送訊息之方式日新月異,其發展過程由 CW 到 AM、SSB、FM、FSK、PSK、DIGITAL,尚不知將止於何處。您的手機使用的則是二次大戰後新發明的調頻 (FM) 方式,音質美妙傳真,因為太先進了,故反而收不到傳統式電報 (CW)、調幅 (AM) 及 SSB 單邊帶通訊。

    火腿族之所以願意花數倍金錢買電路較複雜、技術發展卻較早之 CW、SSB 通訊機,是因為在相同天線及功率下, SSB 通訊距離可以比 FM 大 2~6 倍,CW 又可再增加 2~6 倍,故火腿們偏愛 CW 電報及 SSB 單邊帶通信。聽到它們的怪聲時,請勿干擾之,因為,有一天你也會考上執照,領悟到有照駕車行石子路,無照駕車卻大搖大擺開高速公路之不合理與無奈。凡是有怪信號處,通常是國際遠征通訊及衛星通訊頻率,切勿浪費力氣與之周旋。


    火腿為什麼可以和國外通訊?我的手機、車機加大烏龜可否也能與國外通訊?

    誤:火腿比較大條,有錢買千年大烏龜,不怕條子抓。

    正:火腿與國外通訊是其位於地面上空 90~300 公里的電離層折射電波,而能與國外通訊;有時候用 1W,甚至 0.1W,即可與歐美通聯。

    手機、車機如果是 144MHz (VHF) 或 430MHz (UHF) 頻率,即使加上千年烏龜,也無濟於事,因為電離層太薄,VHH/UHF 的電波尚未折回之前,即已穿過電離層,飛往無盡之太空;除了每年偶而幾次出現超厚之「散見 E 層」或大氣發生波導作用,……等等特例外,幾乎不可能與外國作遠距通訊。


    頻率是什麼意思? "144.560MHz" 是什麼?誰負責規定哪個頻率做什麼用?如果違反,又會如何?

    誤:頻率是手機或車機通話的上下格數;沒有人規定哪個頻率做什麼用,只要我喜歡,有什麼不可以。

    正:"Hz" 是 "HERTZ" 之簡寫,中文翻譯成 " 赫芝 ",是第一位以純數學導證而推定電磁波應存在的一位偉大科學家。(BV3FG 註:以數學式推導無線電波應存在的是 馬克士威 Maxwell,而 赫芝 則是以實驗證明無線電波確實存在) 為證實其偉大發現,在 1950 年代,由德國人發動用其名字代表「每秒一週」之單位。"M" 則是一百萬的羅馬字簡寫,故 "144.560MHz" 即每秒 144 百萬又 56 萬週,即 "144,560,000" 週 / 秒,代表電磁波每秒振動了 1 億 4 千多萬次。

    不同振動次數的電磁波可以用來載送不同的訊息。人類現在已經使用的電磁頻率由 "9KHz~250GHz","G" 是十億的羅馬字簡寫,即 109。低於 9KHz 的電磁頻率只有核子潛艇秘密研究使用中;高於 250GHz 的電磁頻率,因科技發展所限,尚未廣汎使用。

    聯合國下設之「國際電聯會」 (ITU) 對這些頻率應做那些用途均有原則性之分配,並由「世界無線電管理委員會」 (WARC) 每年開會決定分配細節及視時代需要而調整。

    由於史上第一位發明及使用無線電的人馬可尼是在業餘之餘,偶而發現了赫芝所預測之電磁波確實存在於火花放電中,(BV3FG 註: 馬可尼 是重覆 赫芝 的實驗,然後研究發明無線電收發機並達成通訊) 所以業餘無線電史與人類無線電史是一樣的長,世界各文明國家為感念火腿之貢獻,便在 WARC 會議議決,在每一頻段播出一段,供業餘研究之用。這些頻段從 1800KHz 到 250GH,共 24 段,可說無所不包,唯一遺憾的是 9KHz 到 100KHz 段並未撥給業餘,致使業餘人員無法研究深海、極地對極地等特殊通訊,但已有的還是夠多了。

    ITU 又將世界分成歐非、美洲、亞洲等三區,每一區之頻譜分配大同小異。我國位於第三區,與中國大陸、日本、澳洲、東南亞、阿拉伯半島、印度等同屬一區。

    各國政府再依國情稍加調整後,交業餘無線電團體規劃後,由主管單位發佈。我國因解嚴不久,交通部郵電司主管單位未及準備完成,只先酌撥部份頻率供業餘人員自行使用,但因有數個頻段受到不合理之腰斬,致無法與國際之規定相配合,造成火腿們無所適從,遂由促進會 (CTARL) 法規委員會先擬出一套暫行分配表,以供遵行。可惜國內有很多香腸族因電信單位遲不開放話務級執照,而無機會受到頻率分配養成教育,致任意使用。

    新的電信法已由行政院送立法院審核,業餘無線電管理規定也可望於近期頒佈,屆時如果無照使用,致生干擾他人通訊,可罰三萬至數拾萬元,坐牢可達三年,不可不慎! END



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