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鐵塔鋼索與地面對天線的影響

No.22   1994 Oct.   p52~59,   by 林茂榮 / BV5OC 彰化郵政 575 號信箱



    自從取得業餘無線電人員執照後,除了心急買來一部簡易的高頻收發機外,電台內其 餘的零附件,都是自製的,包括電源、倒 V 型天線、駐波比錶、及一些電子介面等 。其中以同軸電纜製作的倒 V 型天線,已經使用超過三年,真是沒想到,一用就那 麼久,原本打算裝設定向天線的鐵塔,也一直擺在那裡。

    該鐵塔底座是 80x80 公分,鐵塔上方有一直徑 2 公尺的圓座,總高約 8 公尺,聳 立在樓頂,為了安全,四方分別有鐵塔鋼索固定。而我的倒 V 型天線,有一在鐵塔 頂,有一在鐵塔旁,在使用過一段時間後,雖有些心得,卻有些問題,如陷五里霧中 ,無法釐清。

    從經驗中,我已經養成一種習慣,那就是替我的天線建立如病歷表格的維修記錄,在 這表中有基本的資料,例如天線使用的材料、各波段的尺寸、架設環境的簡單描述 ( 例如隔壁家原本只有三樓,突然增建一樓又加蓋鐵皮屋頂)、及每隔三個月一次,例 行測量各波段的駐波比曲線。這對往後的天線維修很有幫助,例如,在例行的記錄各 波段駐波比曲線時,發現有異樣,終於查出是接頭泡水。而有一天當我在 20 公尺波 段做數據通訊時,電腦老是當機,測量駐波比曲線時,發現已經和前次測量的駐波比 曲線,完全走了樣,原來是受旁邊加蓋的鐵皮屋頂影響。

    現在我已經養成習慣用記錄的駐波比曲線,來做為維修天線的主要參考依據。

    從這經驗中,有些朋友最感興趣的,應該是真實地面變化,對天線的影響,以及鐵塔 鋼索,對天線的影響。下面就針對這兩個問題,來作探討。

    我們常可以看到中波廣播電台的鐵塔鋼索,是分成好幾段的,而且,段與段之間,都 有用礙子絕緣分開 (參看圖 1:略去)。但是,我從未看過業餘電台的鐵塔鋼索是切成一小 段的。這引起我的興趣,難道這不會影響天線的性能嗎?

    根據資料,中波天線的鐵塔鋼索是採共振頻率的,因為非共振頻率的鐵塔鋼索,會影 響天線的性能。但是,為什麼業餘電台並不普遍重視這個問題呢?找想,一方面可能 是,原先就沒有這種風氣,另一方面,業餘電台鐵塔上的天線,是工作在各種不同波 段頻率的,而不像一般商業電台是固定頻率。

    在我的鐵塔鋼索附近的天線,並沒有察覺出有明顯的效應,不過,我們還是針對這個 問題來求證探討:


慣用的鐵塔鋼索

    這裡的鐵塔是指架設天線用的,一般有幾種標準的方式:

  • 使用整條的、非導體的繩索,例如粗的絞繩。
  • 使用一般常用的鐵塔鋼索,但是,鋼索使用礙子,切成不和工作頻率產生共振的長度。
  • 使用一般常用的鐵塔鋼索,但是,鋼索一氣呵成,不管是不是和工作頻率產生共振。

    一般本地的業餘電台不會選擇第一種,因為它並不耐海島型氣候,而且不論投資或保 養,都不合理,因此,一般業餘電台都會想採用第二種。不過,問題是,在 WARC-79 通過的 10、 18、24MHz 高頻業餘波段中,要取得不和這些波段產生共振的長度,恐 怕也不容易。所以,實際上,一般業餘電台使用的,都是第三種。

    在我打算探討這問題時,先和朋友商量過,他們幾乎一致認為沒有這種必要,還好, 他們的意見只是讓我更加冷靜考慮這問題,而並沒有讓我放棄。

    由於我學過生物工程,在這領域內,有些問題都是先以模型 (MODEL) 來探討;甚至 ,我也想到目前幾種適用於個人電腦的天線分析軟體。

    起初我使用 23 公尺高的鐵塔資料 (這相當於樓高加上鐵塔高度),在 15 公尺高及 23 公尺高,分別裝設有定向八木天線。這些分析須要基本資料,包括鐵塔下方的地 面介電係數及傳導率,我假設它們分別是 10 及 13 毫歐姆 / 公尺 (MILLISlEMENS PER METER)。

    為了能清楚解釋天線輻射副葉 (SIDE-LOBE),我選擇以 0 到 180 度的方式輸出結果 。以鐵塔鋼索為中心,每 15 度分析一次,水平方向及垂直方向都是一樣。 圖 2A、 2B 是鐵塔頂定向八木天線的分析結果。在水平方向的輻射圖案受到的影響不大,而 在垂直方向的後葉,受到的影響很明顯,最深時是 30dB。但是,前葉的最大輻射圖 案方向是 9 度,這是我們應用的主角,在這方向上,也沒有明顯的影響。

    圖 3A、3B 是在半空中的另一只八木定向天線,當天線旋轉時,輻射圖案後葉,約有 4 到 5dB 的改變,比較大角度受削減的程度,最高達 20dB。

    圖 4A、4B 是這兩只天線採用同相饋送時的情況,與先前的情況類似,水平方向的輻 射圖案幾乎不受影響。而在垂直方向上的輻射圖案,也只有高角度的方向上受影響。 而在天線輻射圖案的最大增益方向上,受到的影響最小。

    圖 5 是兩只天線堆疊使用時,沒有鐵塔鋼索與使用鐵塔鋼索的比較,除了正前方第 二主葉的輻射圖案方向上外,所有的輻射圖案葉片都高於 20dB 的改變。

    雖然我沒有把一些重要的分析報告列出,不過,在八木定向天線正下方的鐵塔鋼索對 天線的影響,比擺在天線前頭的鐵塔鋼索對天線的影響遠大。這是因為八木定向天線 的饋送點阻抗,受到接近鐵塔鋼索與鐵塔接點的影響很大。

    在這鐵塔上的八木定向天線,我們可以說,天線饋送點的阻抗越高,它的駐波比頻寬 越寬,它的輻射效率也越高。根據這軟體的分析,在 14MHz 時,天線與鐵塔鋼索的 距離不得少於 30 公分,最好是 1 公尺以上。

    另外,如果你使用的八木定向天線的饋送點阻抗越低,受鐵塔鋼索影響的程度也越大。


工作頻率更低的天線

    我們也順便來探討,低頻波段的斜狀天線,受鐵塔鋼索的影響情況。我以鐵塔頂為端 點的一只斜狀天線為例,天線從鐵尖到幾乎接觸地面。圖 6A 是水平輻射圖案,有鐵 塔鋼索的曲線是打 + 號,而無鐵塔鋼索時的曲線是打 x 號,很好玩的是,鐵塔鋼索 竟然可以增加斜狀天線的增益達 2dB,同時也提高了斜狀天線的前後比 (FRONT-TO-BACK RATIO)。而圖 6B 是垂直輻射圖案,它的增益變化與圖 6A 一致。


鐵塔鋼索對天線影響總結

    一氣呵成的鐵塔鋼索對定向天線的影響程度的確有限。從圖 2A、2B 可以看出來,鐵 塔鋼索若固定在八木定向天線下方 1 公尺以上,幾乎是沒有任何影響。但是對寄生 在鐵塔的低頻斜狀天線卻有不可忽視的影響。希望這份分析經驗對你建設天線鐵塔及 架設天線時有幫助。


接地面對天線的影響

既然花了一段時間去了解軟體對天線模型的分析,因此也就順理成章地想研究一般業 餘家最常提到的問題,那就是接地面對天線饋送點阻抗的影響。在這分析的過程當中 ,發現了許多有趣的現象及耐人尋味的結果。先要交待的是,接地面對低頻工作的天 線影響,比高頻大,而垂直天線也比水平天線受影響大,但是考慮到實用,為了不與 實際脫節,所以下面的模型,都採低頻波段的水平天線。

    現在假設我們夠幸運,可以在後院假設一組低頻波段的雙偶極天線,而這雙偶極天線 是可以拉直,但一般無法架設在標準高度上;假設我們可以架高 15 公尺,選擇的頻 率是 3.75MHz,這是 80/75 公尺波段的中央頻率,根據公式,半波長天線的長度可 以利用下述公式,二分之一波長 (英呎)=468/3.75=124.8,這相當於 38 公尺。所 以我們的天線就是一條直線長 38 公尺,架高 15 公尺,而饋送點就在中央處,也就 是 19 公尺的地方。

    以電腦軟體在分析天線模型時,有一重要的步驟,就是選擇參考天線,像是雙偶極天 線,通常是以架設在自由空間的標準雙偶極天線為之,這在真實的世界裡,恐怕只有 把雙偶極天線架設在一望無眼的沙漠地區上,而這沙漠的沙石,至少要深達數公尺以 上,或者是在南極洲,積雪深達上百公尺的區域。

    從電腦分析軟體得知,這天線的饋送點阻抗是 67.5-j41.8 歐姆,因為有虛根存在, 表示並未達共振頻率點,而從有 41.8 歐姆的容抗看來,表示這雙偶極天線的長度太 短,為了饋送點能達共振,可以升高工作頻率,或是縮短天線長度。從這分析結果推 算,若工作頻率不變時,共振點的長度要加長約 2.5%,也就是要從原先的 38 公尺 ,加長到 39 公尺。這樣,為了修正計算公式,原先的 468,應改成 479.6,也就是 公式改為:二分之一波長 = 479.6/F (MHz)。

    以這修正後的長度,帶入模型分析,得到饋送點阻抗是 72.2 歐姆 (這也就是為什麼 你常可以看到有人主張細線材料的雙偶極天線的饋送點阻抗是 73 歐姆的原因)。因 此,這長 39 公尺就成為我們的參考天線。


探討大地效應

    現在我們就來看看大地對天線的影響:

    從分析的觀點來看,大地是天線失去的另一部份,如果把大地拿成一面鏡子看,那麼 大地上的天線在大地內也有一對稱的部份。例如上面的雙偶極天線架高 15 公尺,那 麼以大地來看,就好像有兩只相距 30 公尺的雙偶極天線存在,這可以看成是天線對 大地的耦合,而使這如同影像般的天線存在地底下。而地底下的天線實際上雖不存在 。但是因為耦合作用,而交互影響,饋送點阻抗也就自然因而受到影響。

    若是要細說,我們可以想像它們就像是實物與影子,但是彼此有耦合關係,而我們必 須要了解,天線的饋送點阻抗,是存在該點的電壓,除該點的總電流,而大地底下的 影像天線,就會因為耦合的關係,而影響到饋送點的電流,也就影響了饋送點阻抗。

    如果大地底下是完美的導體,那麼,這地底下的影像天線,與上方的天線無異,而這 兩天線的電流也相等,但相位相反。相位會相反的理由是,因為水平天線受到無損失 的地面反射所造成的。如果地面並非完美導體的話,影像天線的電流會比較小,相位 差也不會剛好是 180 度。

    首先我們假設參考天線是架設在完美的地面上,就好像一片浩瀚無根的銅箔,鋪設在 地面上一樣。而真實的地面,離這條件很遠,不過,一般說來,含鹽水重的地面,離 完美地面就沒有那麼遠,或者是在天線底下鋪設一波長見方的地網,也可以權充完美 的地面。

    以參考雙偶極天線假設在完美地面上去分析,天線的饋送點阻抗是 63.6+j38.1 歐姆 ,這表示大地的反射對天線造成感抗,因此,為了保持天線的共振頻率,必須把天線 縮短些,如果工作頻率保持 3.75MHz 不變,則程式分析出來的天線長度是 38.25 公 尺,這樣公式又變成了 469.5/F (MHz)。此時,天線饋送點阻抗是 59.6 歐姆。這是 因為縮短天線尋求共振頻率時,它的饋送點阻抗會下降,前面提過的 73 歐姆,縮短 一些長度,就變成 72.2 歐姆,也是一個例子。

    不僅是大多數業餘家沒有足夠的空間架設低頻全尺寸的雙偶極天線,而且一般的大地 ,也是介於好到欠佳之間。

    不過,不管如何,到目前為止,我們在模型分析上,雙偶極天線受大地影響,尺寸的 公式是介於 469.5/F 到 479.6/F 之間,完全視雙偶極天線架設下的大地特性而定。 進一步的軟體分析之後,從最佳的土質是 470.8/F,到一般土質的 472.7/F,及較差 土質的 473.9/F。所以其他情況不變,光是土壤的因素,從最好到最差的土質,對天 線長度的影響。這之間足足差了 30 公分。

    這看來好像對天線的長度的影響並不大,但是若換算成以頻率為因素,則共振頻率差 了有 25.4KHz。想想看,因為架設天線底下的土質好壞,對天線的共振頻率影響就有 這麼大,真不可思議。以前若有人告訴我,下過陣雨之後,它的天線駐波比曲線完全 走樣了,我的反應完全是持懷疑態度,要不就是認為它天線的接頭有問題,現在我完 全可以有一個新的思考方向,因為土質的變化,是有可能改變天線的共振頻率的。

    一般乾燥的地質可能列為惡級,但是碰到像雨水灌充並充份吸收之後,可以成為良質 大地。所以,不良的大地,可能因為大雨後的濕潤,而成為良質大地,進而改變架設 其上方天線的共振頻率。例如一饋送點阻抗是 70 歐姆的天線,假如共振頻率處的駐 波比是 1:1,上述改變了 25.4KHz,可能使該點頻率的駐波比,上升到 1.2:1。

    不過,要緊記的是,上述只適用於架高 15 公尺的天線,這高度對 3.75 公尺而言, 相當於 0.19 波長。不過還有許多其他因素足以影響天線的共振頻率,如架設固定用 的礙子、空間附近其他物體的耦合作用等等。所以這裡所提的資料,並不是要提供給 你的絕對數值,這裡主要是想以實際的例子,來說明大地對天線的共振頻率的影響, 是存在的。

    但是上面的例子,只揭露了有限的資料,它僅僅說明,架高 0.19 波長的雙偶極天線 ,在完美的與不完美的大地上,反映到天線饋送點阻抗的情況。這情況真叫人感興趣 ,也說明了大地對饋送點阻抗的影響。但是這也僅止於一水平雙偶極天線在固定高度 的有限資料,為了更詳細的探討這一主題,應該針對各種不同架設高度及不同品質大 地的分析,因此,下面我們繼續做這方面的分析。

    我們剛看過,一只架高 15 公尺的雙偶極天線,為了得到共振頻率。與參考天線比較 下,必須要縮短天線,才能得到正確的共振頻率。但若改變架設高度,情況是不是一 樣呢?當然答案是否定的。因為大地上,天線與地下的影像天線的交互耦合,是隨著 高度變化而改變的,因此,雙偶極天線饋送點阻抗也隨著變化。當天線架高在 0.33 到 0.6 波長高度時,必須要延長天線,才能保持共振頻率。在 0.85 到 1.1 波長高 度,或更高時,也是如此。

    其實,有關雙偶極天線饋送點阻抗與架設高度的關係曲線,在幾十年前就有了,這曲 線是一個上下起伏的弦波,如圖 7 所示,相信許多業餘家都很熟悉才是。 我提供了另一曲線,參看圖8, 那是大地特性、架設高度與雙偶 極天線饋送點阻抗的關係。為了 方便分析,大地特性包括三種, 分成最好,普通、及最差的。

    乍看之下,圖 8圖 7 的曲線好像類似,但細看之下,並不一樣。 先看圖 3 中曲 線與虛根為零的交叉點有三處,分別是離地高 0.35、0.6、及 0.85 倍波長,這與架 設地面的導電率無關。而從圖 8 的曲線可以發現,天線假高在四分之一倍波長的倍 數時,其饋送點阻抗為 72 歐姆。這與圖 7 曲線有一些出入。


大地效率

    前頭說過,大地如同一面鏡子,這影像天線會影響實際天線的饋送點阻抗。想像大地 下面的影像天線,如同你面對一面鏡子,看到鏡子裡頭的自己。

    如果大地是完美的導體,就如同前面所講的,影像天線與大地上的實際天線對稱,兩 天線的電流大小相等。但前頭說過,這兩天線的相位相反,如果理解上有困難,你可 以想像站在鏡子前,左右顛倒,就如同相位差 180 度。,真實狀態很複雜,當架設 雙偶極天線,大地上的電質損失越大,1:1 電流與 180 度相位的差別,也隨之變化。


頻率效應

    圖 8圖 9 的曲線,實際上是以一 3.75MHz 雙偶極天線,架設在不同土質上,分析出 來的特性曲線,當工作頻率越高,大地使訊號的損失越大,圖 8 是把天線阻抗誇大 了些。

    總之,有關在固定架高的天線,當工作頻率升高,電子架高也增大。當天線架設高度 超過電子高度時,大地對天線的影響就不顯著,所以這裡有一背道而馳的現象;基本 上,工作頻率升高,電介質的損失也越大,但是,工作頻率一升高,所帶來的電子高 度也升高,這卻會使電介質損失減小,但是從阻抗的觀點來看,架高還是贏了。換句 話說,在一片並不怎麼好的地面上,固定架設高度,那麼對雙偶極天線來說,它的工 作頻率越高,天線長度與自由空間的天線共振長度越接近。奇怪的是,這種結論,或 說是觀點,為什麼幾乎沒有任何文獻提及呢? 也許是因為這現象在實務上並不重要吧 !因為在架設雙偶極天線時,若是共振頻率有偏差,加長或截短來修正就是了;我想 ,從來不會有人因為共振頻率不對,而去測量頻率與天線阻抗的關係吧。

    但是,話說回來,你除了修剪天線長度外,所能控制的饋送點阻抗也很有限。不過像 是做阻抗匹配的相關工作,阻抗資料是一項重要的參考數據。


總結

    你也許會問,剛剛提到要說明的只有這些嗎?當然,擺在眼前的也只能說,要告訴你 的就僅僅是,大家所熟知的 468/F (MHz),只是一個約略的公式,它只是告訴你應該 如何著手,給你一個好的起點而已。因為從上面提過的資料可以看到,就算架高只改 變了 1 公尺,雙偶極天線的共振長度也許就起了變化,你必須縮短或加長,使共振 頻率不變。當然,希望探討過本文之後,你能更明瞭大地對水平天線的影響。 END

主要參考資料:

1. The Earth Detunes My Antenna. by Jerry Hall

2. The Radio Amateur Antenna Handbook. by Wiilliam I. Orr & Stuart D. Cowan

3. The Effect of Continuous, Conductive Guy Wire on Antenna Performance. by Lew Gordon



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