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水平與垂直天線如何選擇最愛

No.16   1994 Apr.   p52~61,   by 文伯銓 / KM2X



Pic 1

天線的種類和選擇

    天線的選擇和設計是捉 DX 的諸多要件中,最重要也最煞費心機的主要事項。

    自有無線電以來,出現過各式各樣的天線,不下數百種,如馬可尼式、齊伯林式、水平式、垂直式、三角式、四方式等等。有人用旋轉定向天線,而呼不到 DX;也有人用屋簷下的雨槽,甚至用舊床的彈簧墊,也能將電波發射出去。

    依目前業餘界流行的天線來看,天線主要可分為「水平式」與「垂直式」二大類。

    本文針對其要點,首先依據各電波放射的特性,再依據電波在太空及地面反射的情況,將此二類用於短波波段 (即 10 ~ 160 公尺波段) 的天線,予以說明。如此分析,才能對症下藥,以配合各個電台所需要的條件。

    超短波 (VHF/UHF) 波段,主要是做直線傳播,性質不同,本文暫不討論。


電波的發射角度

    首先來看看電波的發射角度。我們知道無線電波能發射到遠處,主要是靠 "F" 電離層的反射。因此,電波發射的角度很重要 (平視遠處地平線的角度為 0°,仰頭垂直向上望的角度為 90°)。根據多年來科學家的研究和實驗發現,若以一束 HF 的電波,以 90°的角度向上發射,"F" 層會將此束電波垂直反射回來至原先的發射地點,結果是原位不動。

Fig 1
圖一:電波發射角度與 "F" 電離層第一次反射距離的關係。角度愈小,距離愈遠。沿地面射出的角度為 0°。

    若將發射角度降至 50°經過 "F" 層第一次反射的電波,可達 300 ~ 650 公里之遙 (此距離是第一次反射的距離,以下均相同)。再降至 30°,則可達 600 ~ 1200 公里處;20°時可達 1000 ~ 1500 公里;10°時可達 1,700 ~ 2500 公里。

    再將發射角度降至 3°則第一次反射的距離可達 2,700 ~ 3500 公里 (見圖一)。

    因為地球在赤道的圓周是 40,075.51 公里,所以從地球的某一點至最遠的一點,即有半個地球之遙 (如從台中至南美洲的阿根廷),約為二萬公里。發射角度如為 10°時,電波要跳躍約十次;30°時約二十次;50°時,約四十次才能抵達目的地。


電波的旅程

    現在來看看電波離開發射天線後的情形。

    電波向天上射去,先要通過離地面最近的 "D" 電離層, "D" 層不但不幫助反射,反而要吸收電波的電能。其次再通過 "E" 層,該層會反射一部份電波,也吸收一些。最後達到 "F" 層的反射面,返回地面。

    在回程中,再次經過 "E"、"D" 層,又被吸收一次。到達地面時,依地面的結構不同,如海洋、山岳等,電波又會被吸收和擴散。

    每反射一次電波,電波的強度大約會減弱 3 ~ 6dB。換言之,100W 的電能減成 50 ~ 25W (每 3dB 減少一半)。反射十次後,100W 變成為 0.1W (以減弱 3dB 計);反射 20 次,變為 0.0001W (萬分之一)。所以在遠程通訊中,最重要是要保全電波實力,即減少反射的次數。為求反射次數少,唯一方法是降低電波發射的角度。


天線與大砲

    走筆至此,順便澄清一個重要觀念:天線與大砲不同。大砲的發射角度是調整砲身角度;電波的發射角度,可就沒那麼簡單。請勿誤會,以為調整天線 (尤其是八木、方型等) 架設的角度,便可變更電波發射角度 (如故意將定向天線指向天頂,則另當別論)。

    要天線發揮功效,一定要將天線架設在空曠地方,目的是要將電波向空間射出去,並減少四週物體的障礙,包括地面的吸收。

    假如為求發射角度低,而將天線當作大砲一般,將天線向下俯,電波的發射角度會不會就此降低,或電波反而被地面吸收更多,恕筆者寡聞,至今尚未見有人討論研究此問題。但如繼續閱讀,在下文對天線發射特性的分析中,當可找出答案。


水平波與垂直波

    還有一個現象,也說明一下。水平天線發射的電波是「水平波」,垂直天線發射的是「垂直波」。

    在 VHF/UHF 領域中,接收天線的極性也要和發射者相同,即水平發射天線要用水平接收天線;垂直者相同;否則會收聽困難。但是在 HF 領域中 (10 ~ 160 公尺波段),則不用擔心極性。電波經電離層、山川等多次反射後,其極性已亂成一團。所以在接收方面,不論用水平天線、垂直天線,或僅拖一條尾巴,甚至不用天線,也可以收到電訊。


水平天線的發射角度

    現在談談標準水平半波天線 (偶極天線) 的發射角度。

    圖二 A 及 B 是天線架設離地高度 1/8 波長 (14MHz 為 2.5 公尺高),及 1/4 波長 (14MHz 為 5 公尺高) 的情況。

    由圖可看出電波發射的角度範圍是 30°~ 90°。絕大部份的電能向天頂射去,形成浪費。只有一小部份電能在 30°處溜出,希望能射向遠處。

    圖二 C 是天線架設離地 1/2 波長高的情形 (14MHz 為 10 公尺高)。角度自 15°~45°主力在 30°,"F" 電離層第一次反射的路程達 300 ~ 1,800 公里,電波散佈面積相當廣闊。

Fig 2
圖二:水平半波天線 (偶極天線) 的發射角度依天線架設離地高度的不同而不同。A 至 E 是同一天線架設在離地 1/8, 1/4, 1/2, 3/4, 1 波長時,電波發射的情形。圖中 0°是地面。

    圖二 D 將天線再架高至在 3/4 波長高 (14MHz 為 15 公尺高)。此時電波分裂成兩個波瓣 (WAVE LOBE)。近地的一個波瓣的角度降至 10°~ 30°。這是一個進步,足以增加射程。可是在此有用波瓣上方,出現另一組波瓣,其範圍在 55°~ 90°,直上太空,浪費大量有用的電能。

    假如將天線再昇高至一個波長處 (14MHz 為 20 公尺) 如圖二 E 所示,電波仍分裂為兩個波瓣,近地的一個變得更小而狹窄,角度自 10°~ 20°有利於 DX;只是近天的一個波瓣,角度由 38°~ 60°,仍然損失大量電能。

    如將天線再架高些,近地的波瓣會更縮小;近天部份會出現多個波瓣,如菊花一般,對捉 DX 而言,幫不了大忙。

    綜合上文可見,一根基本的標準半波水平天線,其發射角度是由架設高度所影響,太低固然效率低,太高也有缺點。並且,發射角度與天線的構造 (如所用材料,銅絲或鋁管,鐵塔或茅竹支柱,輸電點,同軸或梯形輸電線等) 無關,更與其架設 (如大砲般) 的角度無關。將單根天線一頭高,一頭低,主要是改變其發射方向,而不是發射角度。


八木天線的發射角度

    壓低發射角度,有人建議採用八木 (YAGI) 天線又如何?事實上,八木天線對此毫無辦法。水平式八木天線僅能將近天的一個波瓣壓制,使之縮小;但對近地的一個波瓣,則不起作用。

    圖三 A 至 D 闡示八木天線在不同高度,電波發射的情形。如將圖二和圖三同等高度各個相比,便可看出八木天線並沒有壓低發射角度。

    請勿誤解八木天線不好,八木有其長處,本段只是談其對發射角度的影響。

Fig 3
圖三:八木天線的發射角度亦依天線架設離地高度的不同而不同。與圖二等高度的水平半波天線相比較,八木的設計未能有效地降低發射角度。



降低水平天線發射角度的方法

    欲使水平架設的單線半波天線、或是定向的八木天線的發射角度降低,最有效方法是在原先的一根天線上方 (距離 1/4 波長),疊置另一根同樣天線 (STACKING),並輸以相同相位 (IN PHASE) 的電能。這般的裝置可將有用的波瓣發射角度降至 8°~ 28°。

    如想要將角度再降低,可在此二根天線上方,離最高的一根 1/4 波長處,再加裝一根,亦輸以相同相位電能。三根重疊者,角度可降至 5°~ 15°;再加一根,共四根時,角度可降至 3°~ 12°。

    此種設計在 VHF/UHF 天線中甚為普遍;在 HF 領域中雖不多見,但亦有不少有能力的火腿,在院子或牧場中,豎起 40 公尺高的鐵塔,每隔 10 公尺掛上一根八木天線。

    有些設計是四根天線同時、同方向轉動,而鐵塔固定不動。有些則將天線固定在鐵塔上,變換方向時,整座鐵塔連天線一起轉動。龐然巨物,聲勢浩大,羨煞僅用單根簡單天線,如筆者般的火腿們。


垂直天線的發射角度

    話說回來,窮人也有窮福。另一降低發射角度,簡單經濟而有效的方法是,採用垂直天線,因為垂直天線具有低發射角度的天性。

    圖四是四種不同長度的垂直天線發射角度。圖四 A 是 1/4 波長天線發射角度,自 10°~ 55°。圖四 B 是 3/8 波長,角度是 8°~ 40°。圖四 C 是 1/2 波長,角度更降至 3°~ 27°,雖在主瓣的上方出現一小波瓣,但無傷元氣。

Fig 4
圖四:垂直天線的發射角度。A 為天線導體垂直部份的長度,諧振在 1/4 波長的情形(不是天線架設離地的高度)。B 為 3/8 波長。C 為 1/2 波長。D 為 5/8 波長。弧形虛線是電流分佈狀況。

    5/8 波長天線是各種垂直天線中最好的長度,其發射角度很低,捉 DX 非常理想。

    如將天線再加長至 3/4、 1、或 2 個波長,是否更好?事實上,適得其反。因為其近地面的一個用來捉 DX 的波瓣,會縮得很小,而在其上方產生很多個大而無實用的波瓣。

    請注意,影響垂直天線發射角度的因素是,垂直部份天線本身導體 (銅線、鋁管等) 的諧振長度 (LENGTH AT RESONANCE),而與天線架設離地的高度無關,這是和水平式架設天線不同之處。垂直天線可架設在地面上,也可架設在鐵塔頂上,但其發射角度則不變。


降低垂直天線發射角度的方法

Fig 5a
圖 A 是在 1/4 波長天線上方多加一節 1/2 波長,可將電波射角降至 3°~ 20°,並可獲得 3.2dB 的增益。
Fig 5b
圖 B 是二根 1/2 波長天線,射角再降至 3°~ 15°,有 4.3dB 增益。弧形虛線是電流分佈狀況,箭頭表示電流方向。上下二根天線的電流,經相位變換後,成同一方向,相互加強,乃有增益。
圖五:重疊式垂直天線示意圖

    前文說過,既然將水平架設的天線重疊起來,可以降低它的發射角度,同理,將垂直天線重疊,也可降低它的發射角度,但由於構造不同,重疊的方式也就不一樣。

    垂直天線重疊的方式,是在原來的天線近天的一端,如接一條半個波長的導體 (線或管),並在二者之間,加裝一隻「相位變換尾巴」 (PHASE REVERSING STUB),以求此二節的天線所發出的電波相位相同。

    在相位相同時,兩者的電能相加;相位相反時,互相抵消。這樣結構的天線,稱之為「同線重疊式」天線 (COLLINEAR 或 COLLINEAR STACKING),見圖五 A。可將發射角度降低至 3°~ 20°並有 3.2dB 的增益 (GAIN)。

    這條天線總長度雖然是 1- 1/4 波長之長,但不能稱為「1- 1/4 波長天線」,因為其 構造與作用和簡單一條線截至 1-1/4 波長不同,為避免誤解,不妨嚕嗦些,稱之為 "1/4 波長的垂直天線重疊上一段半波部份」。

    在學理上講,要獲得 3.2dB 的增益,重疊式天線要有三個半波的天線相連才行。現在只有 1-1/4 波長的長度,而能有同樣的增益,是因為垂直天線利用地面的反射,所以可將長度減半。

    更進一步說明,假如將天線豎立在一面鏡子上,看起來天線的長度便增加一倍。在電波上來講,地球便相當於一面鏡子。

    同線重疊式的天線,可重疊再重疊。如在上述 1-1/4 波長的天線上方,再加接一根同相位的半波天線,其發射角度可再降至 3°~ 15°,增益可有 4.3dB,請見圖五 B。

    話說回來,雖然重疊式的垂直天線很容易獲得低發射角度,但在實際架設上,要豎立一根數十公尺高的金屬管子和線,以用於 HF 波段,可不如想像中容易。再者,重疊天線每一段和相位變換的尾巴,都要諧振,調整起來,要花數倍功夫和耐心。如要用於多波段,更要特別設計。


綜合比較

    綜合起來,水平和垂直天線,各有千秋。比較起來,可列出以下的優缺點:

垂直天線容易獲得較低的發射角度

    一根安裝在地面上 1/4 波長的垂直天線,其主波的發射角度已是 30°(波瓣自 10°~ 55°),見圖四 A。水平的單根半波天線要架設到離地面半個波長高 (14MHz 為 10 公尺),才能達到相同的角度,見圖二 C。

垂直天線製造容易,安裝簡單

    即使要豎立 20 公尺高的垂直天線,也不需要拉索 (GUY WIRE) 固定,而自立式的 (SELF-SUPPORTING) 金屬管,也不是難事。

垂直天線佔地面積不廣

    雖然要用多條地線 (RADIALS),像樹根一樣向四方散開,但這些地線不需要拉直,可以沿地形、屋頂、牆壁,彎曲上下,也不一定要向四方平均散開,即使所有的地線都傾向一個方向,也不太影響效率。

    最近市上發展出多種半波垂直天線 (VERTICAL DIPOLE),無需用樹根式的地線網,不論在效率及架設方面,都更為優良和方便。

垂直天線沒有方向性

    垂直天線另一優點是沒有方向性,一聲 CQ,可八面四方 360°發射出去;同理,躲在天涯地角的 DX 在呼叫時,也不會因為自己的天線,朝向反方向而失之交臂。

    因此,很多電台在安裝強大的定向天線之外,亦多加裝一條垂直天線,作為「監聽」之用,以防稀有的 DX 漏網。

垂直天線也可構成定向天線

Fig 6
圖六:變換電波相位來變更發射方向的垂直天線示意圖。

    垂直天線也可以採用二根,放置在相隔 1/4 波長之處,以構成定向天線,見圖六,再用開關,將電波向前或向後切換方向,這種天線稱為「變相位的垂直天線」 (PHASED VERTICALS)。

    其電波發出的面積,可達 120。之廣,並且有 3dB 的增益,加上低發射角度的優勢,捉起 DX 來,可直追三元件的八木天線。

    假如使用三根垂直天線,各相距 1/4 波長距離,用選擇開關來控制其發射方向,每一方向 120°,三個方向便是 360°,也就是廣及全球各地。這種用電來轉換方向的方式,優點是迅速,舉手之勞去轉開關而已,沒有機械磨損,可靠性高。

    用過旋轉器的同好,一定曾經體會到將天線轉一圈時,雖然只有一分鐘之久,可是在捉 DX 時,卻猶比一年還長,就怕這守候多年的 DX 機會不再。筆者曾用過四根的 PHASED VERTICALS,相當滿意。

垂直天線對電視影響不大

    垂直天線發射的是垂直波,對電視的影響不大大,因為電視是水平波。有說垂直天線會影響廣播收音,這並不是由於垂直波的關係,而是垂直天線發出的電波角度低,且強而有力所致。

垂直天線較易受雜音影響

    垂直天線在收聽方面,似對下雨、下雪、及鄰近電器所造成的噪雜音,易受到影響。

垂直天線一定要有良好的地線系統

    水平及垂直半波天線,不需要良好的地線系統來幫助電波的發射;1/4 波長的垂直天線則一定要有良好的地線系統。

水平天線可加裝輔助元件使電波集中於某一方向,成為高增益的定向天線

    水平天線可加裝輔助元件如反射元件 (REFLECTOR),和引導元件 (DIRECTOR),使電波集中於某一方向,以求增益。此即所謂八木 (YAGI) 天線,以紀念發明人八木教授。又因形似魚骨,亦稱之為魚骨天線。

八木天線體積重量大,易受天氣影響

    一般八木天線由於體積和重量都很大,多限制在 14MHz 以上的波段。且易受天氣影響,元件怕大風和結冰而折斷;旋轉器因受潮結冰而不能轉動。架置八木天線用的鐵塔和地基 (屋頂) 要夠堅固,以備萬一因颱風及地震等而倒下時,不致引起慘重的災情,及賠償等問題。

垂直天線很容易達到低角度

    水平天線的發射角度與生俱來便偏高,難以捉 DX。即使將天線高度架到離地一個波長處 (14MHz 的高度是 20 公尺),其發射角度才降至 10°~ 20°。垂直天線則很容易達到此角度。

    如果要水平天線獲得更低的發射角度,唯一方法是將天線「同相位重疊」。這般的裝置要使用較高和堅固的支柱。


個人的經驗

    現在筆者將個人使用的經驗寫出來,給火腿諸君參考。我曾經用過不少種類的天線,有水平、垂直、八木、倒 V、及方形的等等。有自製、改裝、也有買現成的。現單由水平和垂直天線來談:

    多年來,我的電台裝裝拆拆,QRT (停用) 的時候,比 QRV (準備好) 多。每次開台時,總是匆匆忙忙,急於 ON AIR。

    每次 QSO 的第一根天線,總是一根水平半波單波段,取其製造容易,校正也容易,隨便找屋角或樹幹一掛便成,歪歪斜斜也不打緊,可靠性高,電波一定可以發射出去,只是效率高低的差別而已。

    當過了一陣 QSO 癮之後,心裡總覺得這根天線不夠理想,捉起 DX 來,總落人後,連做夢都想要一根更優越的天線;一根三波段三元件十五米高的八木和鐵塔,或更巨形的天線,是理想的目標。

    鑒於自己的能力,和四週的環境,及「人和」的因素,實在沒有此福份,退而求其次,只有採用「地平面式」的垂直天線 (GROUND PLANE VERTICAL,或稱 G.P.)。它的優點是發射角度低,只要四條地網 (RADIALS),輸電容易,架設簡單,不必大興土木,而且細細的一條,直上雲霄,也不刺眼。

    我的興趣是在多波段工作,心理上總覺得自製的天線沒法做科學的校正,效果必定會差些,叫不到 DX 時,總是歸罪於天線不好,所以乾脆買現成的。廠製品各有各的設計,同一廠商也經常在改進。

    我經試用數種之後,滿意的一根,也是目前使用多年的「白胡桃」 (BUTTERNUT) 的 HF6V 型六波段的垂直天線。六波段包括 10、15、20、30、 40、80 公尺。

    它的地線系統 (RADIAL SYSTEM),設計得別有心裁。依理,每波段用 4 根,六波段便是 24 根,一堆亂麻,非常難處理。而白胡桃竟能將之簡化為四根,80 公尺和 30 公尺各有各的 4 根。如果對 80 及 30 公尺波段沒有興趣,則只用四根便可。這項聰明的設計,我奇怪他們不去申請專利權。

   我的屋頂離地四公尺高,天線垂直部份的底部,也就離地約五公尺。這個高度據學術界的實驗,並為業餘界再證實,是要使 GP 式天線,充分將電能發射出去的最低高度,此高度與電波發射角度無關。

    HF6V 的設計特點是不用「截波器」 (WAVE TRAP) 來分波段,因為截波器會消耗寶貴的發射電能。其天線的主幹夠長,除 30、40、80 公尺波段外,10、15、20 公尺波段的長度,最短不低於 1/4 波長,所以能將電能充分發射出去。

    我覺得這條天線最強的波段是 15 公尺及 20 公尺,多次和十餘個電台同時搶著回答某一電台的 CQ 呼叫,對方都很快回答我,所以我知道這隻 HF6V 的效率相當好。猜測這十餘電台之中,一定有人用八木天線、半波天線、垂直天線等。

    有時遇到遠地稀有 DX 電台,戰況更加熾烈,長程大砲型的大電台如猛虎出山,照理說,怎麼也輪不到我這小小步槍手,但事實上並不如此,我的口徑尺寸雖小,託垂直天線低發射角度之福,射程不比長程大砲差。

    有次偶然聽到 VS6JR 在 20 米用 CW 叫 CQ,由於他叫 CQ 的時間稍長些,引起很多台在備戰,美國東部很少聽到香港,大家都在爭取這一新的國家。

    開始的數分鐘內,我沒叫到他,這時叫他的電台越來越多。我知道大勢已去,但仍不放棄,繼續監聽,再過數分鐘,呼叫的電台更多更擠,連他也分不清誰叫誰。突然間,這VS6 電台音息全無,我立刻意識到,他在找沒有 QRM (干擾) 的空隙,所以我立刻跟著也在找。找到一空隙之後,以守株待兔之勢,等他出來。

    果然不出所料,他一叫便給我捉到,雖然我的訊號只有 RST559,但可確知且安心的是,我的訊號既能經這根天線射到香港,當然也能射到地球任何一角落。

    這根 HF6V 為我立下不少汗馬功勞,雖然在今天科技日新月異的時代中,已顯得落伍,但仍老當益壯,捨不得棄舊換新。

    至於垂直天線和單根的半波天線,與八木、方形等定向而有增益的天線相比又如何?這得說實話,事實上,無增益的單根天線,是無法和有增益的天線相比的。但話又說回來,單根天線並不是毫無用處,通訊天候良好時,並不示弱,用 CW 比用 SSB 佔優勢;只有在搶叫時會吃虧,訊號給大電台的聲音蓋沒。

    但也不盡然,有很多 DX 電台同情弱小的電台,如低電力 (QRP) 及使用垂直天線者,予以優待,因為他本人也是過來人,深知其中辛酸。

    我們在回答時,可加註自己的情況,如 "KM2X QRP" 或 "KM2X WITH VERTICAL ANTENNA",來引起對方的注意。當然在呼叫時要用些技巧,例如抓住其他電台剛好在換氣而停聲不叫時的一剎那,將自己的呼號,清晰簡明地送出。最忌的是將呼號的每一個音拉長,好似唱歌似的唱出,這會極度增加對方收聽你呼號的困難。

    這次經驗說明一項事實,即常聽人說垂直天線根本不能用,這話不一定對。我個人認為:一、垂直天線架設時要注意各項小節,尤其是地網部份,否則電能損失很大,除 1/2 波長者外。二、用 CW 毫無問題。三、由於訊號不強,QRM 及雜音易將訊號蓋沒,SSB尤甚。四、個人通訊的技巧也很有關係。


結論

    我個人對水平及垂直天線的結論是:單根的垂直天線,不論 1/4 或 1/2 波長,無法和有增益的八木、方形等天線相比,但與水平的半波天線相仲伯。二元件變相位的垂直天線 (PHASED VERTICAL) 則不太輸於二元件八木天線。

    現在市售的垂直天線,已發展到多波段半波式,不需用佔地的地線網,比 1/4 波長的種類多,增益、發射角度也更低 (18°),性能相當好,價錢也就不便宜。

    在 HF 波段,任何天線都可收到垂直的電波和水平的電波,不必為這問題而寢食難安。

    最後希望本文能多少為諸位火腿,解答一些有關水平與垂直天線的問題和困擾。

    祝 55 及 73。GOOD DX! END



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