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如何自製 DIPOLE 天線

No.18   1994 June   p80~86,   by 施和夫 / BV4DI



自製天線除了省錢外,又能學到天線知識,何樂不為?

    HF 短波天線的波長長,體積大,一般常用的有 GP (垂直)、DIPOLE (半波偶極)、YAGI (八木定向),而使用最多的為 DIPOLE 半波偶極天線。


構造簡單容易製作

Fig 01
圖 1:DIPOLE 半波偶極天線的構造。
    DIPOLE 為所有天線中的標準型式。構造簡單,成功率高,常常被拿來介紹製作及使用。依據材質及型狀來劃分,其種類有水平 DIPOLE、 V-DIPOLE 及 WIRE DIPOLE,其中以 WIRE-DIPOLE 最為簡單,又最容易架設,也最容易調整駐波比 (SWR)。了解其構造及原理後,對於其 它天線的了解,也就不難了。

    DIPOLE 的構造如圖 1,全長為 1/2λ (波長),結構簡單,是天線的基本型。它的原理為艱深的數學物理公式,實在很難想像,這麼一支簡單天線,居然有那麼多的東西好說。

    好在知難行易,原理雖很難,但是從其結果去運用。卻很簡單,這是天線迷人的地方,容易自製;不過從理論上得來的數據,便有問題了。


輸入阻抗接近 50 歐姆

    DIPOLE 的輸入阻抗理論上約為 75 歐姆,可是市面上的各式 DIPOLE 天線平衡器 (簡稱 BALUN,BALance-UNbalance),皆為 1:1 的構造,也就是阻抗為 50 歐姆,這個問題可大了,明明 DIPOLE 為 75 歐姆。為何會有這種現象?

    其實道理很簡單,書上所指的條件是在空曠空間,四周無阻擋,此時水平及垂直式的阻抗一樣,接近 75 歐姆,可是由於天線波長很長,如常用的 21MHz,波長即達 14.3 公尺。

    由此可知,架設天線,特別是水平 DIPOLE,距屋頂的高度,很難超過半波長高,因而造成屋頂面的反射影響,使 DIPOLE 的輸入阻抗降低,低於 75 歐姆,往往接近 50 歐姆,因而須使用 1:1 的平衡器。

    既然平衡器為 1:1 (也就是同樣為 50 歐姆),那又何必裝平衡器?這是許多人常會遇到的問題,不過似乎很難得到一個滿意的回答。


傳輸線與平衡器

Fig 02
圖 2:高頻傳輸線的構造。
    平衡器本身分為:(1) 阻抗匹配平衡、(2) 平衡傳輸及不平衡傳輸之平衡。通常我們只注意到阻抗匹配,忽略了第二項的平衡,不了解為 何在 1:1 狀態下,還需要平衡器,以及平衡線圈為何如此製造。要了解平衡與不平衡傳輸,須先從傳輸線著手。

    高頻所用的傳輸線,常見的有同軸電纜及平行饋線,這是平衡不平衡傳輸線的代表,其構造如圖 2。

    我們可用很簡單的方法來解釋:於平行饋線約兩條導體,粗細一樣,饋電至 DIPOLE 兩端時,電流大小一樣;同軸電纜便不同,導體表面 積兩極不同,饋電至 DIPOLE 時,外層電流 Ic,有兩個可流方向,一為 DIPOLE 之一極 I1,另一為同軸電纜外層導體之外圍 Icc,因而 造成外層輸出電流,與到 DIPOLE 端的電流不同,這就是被稱為不平衡傳輸線的原因。當然,要更正確的了解,需從電磁波傳輸著手。

    由於同軸電纜傳輸至平衡天線系統時 (如 DlPOLE),會發生如上述的供電不平衡狀況,也就是輸出功率,無法完全傳輸至天線;甚至影響天線場向;或是順著電纜,一路往下傳,造成 TVI (電視干擾);或於駐波電壓腹點產生 RF 感電 (觸電),影響相當大,因此需要平衡器。

    平衡器的構造如圖 3。若要製造,可做圖上之規格。自行購買鐵環繞製,若嫌麻煩,市面上也有成品出售。

Fig 03 Fig 04
圖 3:平衡器的構造。 圖 4:利用 PVC 水管作為隔絕天線主體電線及固定尼龍的繩絕緣礙子。



如何拉設 DIPOLE

    接下來介紹如何自行架設 DIPOLE 天線,請備下列器材:
Fig 05
圖 5:DIPOLE 各部元件裝置圖。
Fig 06
圖 6:利用水桶或重物拉撐,以保持天線主體的張力。

  1. 1V (單條) 電線,考慮柔軟度及拉力,可用 1.25mm2 或是 2.0mm2 的控制用單股電線,依所需頻率剪其長度。
  2. 平衡器,購買或自製,若是從未做過天線者,建議先用買的。
  3. 4 分 PVC 水管,如圖 4 裁剪打洞。
  4. 尼龍繩。
  5. 滑輪。

    備好材料後,首先計算長度,DIPOLE 全長為 1/2λ (波長),也就是每邊長 1/4λ:

公式 1:
L = [ 3 x 1010 cm / (4 * F) ]

L:Dipole 每邊長度
F:使用頻率

例如在 14MHz 時,L=535.7cm,也就是每邊約 5.4 米,全長約 10 米多。

    計算好所需長度後,將上述電線,依所算出的長度裁剪,並將電線、平衡器及所有材料,如圖 5 裝置好。

    裝上滑輪是為了方便以後的調整及保持張力,使 SWR 值,不因天線熱脹冷縮而改變,影響通訊。保持張力的方法如圖 6。


調整 SWR 值

    拉好後,接下來便是調整駐波比 SWR 值,細心的調整,可輕易調至 1:1.5 以下,甚至 1:1.1 或更好,調整法如下:

  1. 準備 SWR 表,接於發射機與天線之間 (不要接上 ANTENNA TUNER 天線匹配調諧器),調整發射功率。
    先以最低功率、每 100KHz 為一間隔,進行測量;例如 21MHz 時,可選用 21.000、21.100、 21.200、21.300、21.400MHz 頻率測量; 在發射時,用 FM 或 CW 模式。
  2. 將測量出的 SWR 值,繪記於方格紙上,標示法如圖 7。
  3. 分析圖表。若在操作範圍內,測量曲線有極小值,將極小值之頻率訂為 fa,兩端須修剪或加長之長度為 1a,計算法如下:
公式 2:
la = [ 3 x 1010 x (fo-fa ) ] ÷( 4 x fo x fA )

    fo 為想調整到的頻道中心,如 21MHz 波段可定於 21.225MHz,亦可以各人常用頻道訂定;常用 CW 模式者,可定於 21.100MHz。 計算出來若為正值,請修剪,若為負值,請加長。

Fig 07 Fig 08
圖 7:將量測出的 SWR 值,繪記於方格紙上。 圖 8:取測量頻率上下限之點,做一直線,找出與 SWR 值 =1 的交會點,便可求出大略偏移頻率點。

    若在操作範圍內,測量曲線為斜曲線,無最低值,請用繪圖方式,取測量頻率上下限之點,做一直線,找出與 SWR 值 =1 的交會點,便 可求出大略偏移頻率點,操作法如圖 8。

    求出頻率差後,便可進行修剪或加長,修剪長度法,亦是用大略之方式,先行計算每差 100KHz (28、21、14Mz) 10KHz (7、3.5、1.9MHz) 的長度,計算法如下:

公式 3:
△L = [ 3 x 1010÷4 ] x [ 1/F - 1/(F+△F) ]

    以 21MHz 為例,△F= 100KHz, △L=1.7cm,亦即於 21MHz 時,每差 100KHz,兩端須修剪或加長 1.7 公分。

Fig 09
圖 9:多頻道 DIPOLE 的處理方法。
    若架設地點相當不錯 (離地距離夠,且附近無干擾阻擋物) 只要細心調整,駐波比調到 1:1.2 以下,是輕而易舉的。

    DIPOLE 拉好後,會有相當成就感,接下來便是只有一個頻道不夠用的問題。多頻道的處理方法,如圖 9 所列,其駐波比調整方式同前。


阻止特定電波通過的「陷波器」

    市面上的 DIPOLE 皆為多波段,不須拉那麼多條導線,其關鍵即在 TRAP (陷波器)。

Fig 10
圖 10:TRAP 的功用在阻止特定電波通過。
    TRAP 的功用如圖 10,功用在阻止特定電波通過。一般可分為兩種,一種為純粹線圈 (電感),另一種為下文討論的電容電感並聯電路。

    當電容電感並聯電路處於諧振狀態下,其阻抗將變得相當大,於高 Q 值狀態下,甚至趨近無窮大;而在天線上,便是利用其共振時的高 阻抗特性,使特定電波無法通過。

    基於以上原理,其實只要做一簡單電容電感並聯電路便可,不過,當以電容電感製造時,將會發生相當多問題:第一,天線端點處於高電 壓狀態,電容耐壓值要相當高,通常為 5 千伏特;第二,電容電感有相當 Q 值,也就是 TRAP 的頻寬相當窄,很難在寬區域使用。


用同軸電纜線製造陷波器

Fig 11
圖 11:利用同軸電纜線製造 TRAP。
    我查了許多書籍,後來發現有一種製造 TRAP 方法最為簡便,而且耐壓又高,那就是利用同軸電纜線製造 TRAP,方法及原理皆相當簡單 ,乃是利用同軸電纜中心及外圍的電容特性,例如 5C2V 電纜,每米存在 100pF 電容。

    依圖 11 的構造,可自行製作 TRAP。圖中的電感由電纜線所繞成,電容量是電纜線自身的電容,由此便可設計一電腦程式,以數值分析 方式,計算所需繞的圈數。該程式原始設計由 W1HUE 刊於 THE ARRL ANTENNA COMPENDIUM VOLUME 2,第 100 頁,介紹得並不是很詳細 ,因此提出,並將該程式以 C 語言,重新修改過 (請自備磁片及回郵信封洽 CQ 雜誌),程式如下:


#include 
#include 
#include 
     float dia,dia_coax,dia_tub,num_turn,freq_mhz,c_coax,are_dia;
     float rad,l,c,xl,xc,len_coax,len_coil,len_eff;

main{}
{
     int  n,nturn;
     char s[2];
 p3: clrscr();
     gotoxy    (10,2);   cputs("同軸電纜 TRAP 之設計");
     gotoxy    (5,5);    cputs("請輸入同軸電纜之外徑 mm");
     gotoxy    (5,6);    cputs("請輸入同軸電纜之單位電容 pF/M");
     gotoxy    (5.7);    cputs("請輸入塑膠管之外徑 mm");
     gotoxy    (5,8);    cputs("請輸入設定之頻率 MHz");
     gotoxy    (30,5);   scanf("%f",&"dia_coax);
     gotoxy    (35,6);   scanf("%f",&"c_coax);
     gotoxy    (30,7);   scanf("%f",&"dia_tub);
     gotoxy    (30,8);   scanf("%f",&"freq_mhz);
     gotoxy    (5,9);    printf("dia=%f  c=%f  dia_tub=%f",
                                dia_coax,c_coax,dia_tub);
     dia=dia_coax+dia_tub'
     get(s);
     are_dia=dia*dia;
     rad=3.1416*freq_mhz*2;
     for (n=10;n<=150;n++)
         { num_turn=0.1*n;
           l=are_dia*num_turn*num_turn/
                          (18*dia+40*dia_coax*num_turn)/25.4;
           xl=rad*l;
           c=(3.1416*dia*num_turn+1)*c_coax*0.3048/(12*25.4);
           xc=1.e6/(rad*c);
           if (xl>=xc goto p1;
         };
 p1: len_coax=3.1416*num_turn*dia;
     nturn=(num_turn+.95);
     len_coil=nturn*dia_coax;
     len_eff=len_coax*0.88;
     gotoxy(5,12);  printf ("捲繞圈數= %f",num_turn);
     gotoxy(5,13);  printf ("同軸電纜長度= %f mm",len_coax);
     gotoxy(5,14);  printf ("TRAP 之長度= %f mm",len_coil);
     gotoxy(5,15);  printf ("TRAP 之等效長度= %f mm",len_eff);
     gotoxy(5,20);  cputs  ("還要繼續嗎? Y/N");
     gotoxy(25,20); gets(s);
     if (s[0]=='n')goto p2;
     goto p3;
 p2: n=n;
}

Pic 01
Pic 02
    此程式主要是計算繞製 TRAP 所需的電感及電容,及到達此一條件時的電線長度。

    電感部份則使用公式 4:

公式 4:
L = A2 x B2 ÷ ( 18A + 40N )
L:電感 單位:μH
A:線圈之直徑 單位:英吋
B:線圈長度 單位:英吋
N:線圈圈數

    以此程式,可計算出所需的 TRAP 設計資料。操作前,須先選定市面上買得到的塑膠管大小,再選定欲使用的電線資料,代入公式,便可 得到電纜長度以及捲繞圈數,依此數據製造便可。

    製造好後的 TRAP 樣子如照片 1,若有 DIP METER,最好再用來校正共振頻率,如照片 2,只要調整電繞線密度,便可調至所要的頻率中心。

    完全造好後,依圖 12 方式接上電線,至於長度,可做公式 1 計算,並扣除 TRAP 的等效長度。


Fig 12
圖 12:由公式 1 計算出 L 的長度。



最多接二個 TRAP

    使用 TRAP 就如同縮短天線,使用得越多,天線將縮得越短;越低的頻率,可使用的頻寬將越窄。一條 DIPOLE 建議最多接二個 TRAP, 通常到了第三個,便很難調整至希望的頻寬。若想多拉幾個頻帶,可做圖 13 的方式處理。

    至於天線的調整,可做前述調整法,及公式 2、3,但要注意。加了 TRAP 的天線,就如同使用縮短線圈的天線,修剪一些便會有較預期 大的改變。在修剪時,除最內端外,請以計算出的一半量修剪。造好的構造,分別如照片 3、4、5。

    DIPOLE 是拉得越高、越水平越好,不過只要一端有高的塔或建築物,另一端雖接近地面,也會有相當好的效果。

Pic 03
Fig 13
圖 13:五波段的 WIRE DIPOLE。
Pic 04
Pic 05



GP 天線也有不平衡現象

Fig 14
圖 14:GP 天線若無其他輔助設備,輻射電流會全漏掉。
    GP (垂直) 天線不會有不平衡現象嗎?其實,會發生在 DIPOLE 上的,GP 也會發生,許多 GP 便是 DIPOLE 的變型。

    由圖 14 可知,GP 天線若無其他輔助設備,輻射電流會全漏掉,通常的解決方法是,加上輻射地網 (RADIATION GROUND),其功效就如同 DIPOLE 的另一端,協助將倒貫的電流,輻射出去,這也是為甚麼輻射地網使用 1/4 λ長度的原因。

    參考書目:
1. The ARRL Antenna Compendium Volume 2
2. Wire Antenna Handbook
3. W1FB'S Antenna Note Book END



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