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垂直天線的故事

No.25   1995 Jan.   p89~95,   by 文伯銓 / KM2X



    一百年前,無線電鼻祖馬可尼,首次成功地完成以無線電波通訊。他所用的天線中, 也有垂直天線。自此以還,垂直天線在無線電的地位,歷久不衰,且有越來越盛的趨 勢。事物盛衰,必定有其道理。依我個人從業餘無線電的觀點來看,垂直天線有很多 強而有力的優點。


垂直天線的優點

  1. 垂直天線的發射角度,與生俱來便很低。低角度是捉 DX 電台的要件,而水平 天線要架設得夠高,才能達到同樣的低角度。
  2. 垂直天線的發射方向是朝四面八方 360 度放射出去,沒有死角。收聽時也是如 此,任何一方發來的電波都可收到。導向天線便沒有這優點,有些裝有導向天線的電 台,還是加裝一支垂直天線,為的就是預防漏聽。
  3. 垂直天線為人喜愛的最大原因,是自製不難、架設簡單、佔地不廣、不礙觀瞻 、所費不鉅,效率也不差,可說是比上不足,比下有餘。
Fig 1
圖一:典型的水平半波 (偶極) 天線。
Fig 2
圖二:垂直天線的工作原理。遠地電台接收到的電波計有從天線本身發出的直接波, 及從地面反射的反射波。反射波可認為是從天線在地面下的倒像所發出。地面反射電 波的原理和鏡子反射光波相同。反射波的強度與天線的長度和地面的傳導率成正比。 本圖是假定傳導率良好而又平直的地面。

    反過來看,安裝有八木大線的同好,一定考慮過很多非電學但很嚴肅的問題。諸如天 線和鐵塔的堅固性和耐風力,抗腐蝕性,旋轉器的常年維護工作和費用,地基牢固性 ,屋頂承受力和漏水問題,拉索下錨點的結實性,天線、鐵塔、拉索共佔的總面積等 。

    本刊 20 期第 41 頁,數幀天線倒下的照片,看後心驚肉跳。不是痛惜修理費用或失 去參加比賽機會的問題,而是害怕萬一倒下的鋁管、鐵塔,傷了人或打破財物而引起 的賠償、訴訟等可大可小的善後麻煩。

    垂直天線對這些現實且頭痛的問題,顯然沒有如此嚴重,它雖有如林黛玉般弱不禁風 的身材,隨風飄揚,但就是因為如此,它的吃風面積小,不易被吹倒。趙飛燕的體重 ,即使被狂風吹倒,破壞力也應比其他型天線來得輕。比較起來,當暴風來襲時,一 則是提心弔膽,徹夜難眠,另一則可高枕無憂,不是嗎?


垂直天線的理論

    我們知道,最基本的天線是半波式天線,如圖一所示。垂直天線就是將水平天線,90 度整個倒過來,再截去其下半段。然後,利用地球的反射作用,補充其失去的半段。 如此一來,建築天線的材料和難度,豈不是可省去一半嗎?

    一般 AM 調幅廣播電台的波長往往長達數百公尺,而業餘波段也有 80 和 160 公尺 。若架設水平半波式天線,其佔地之廣,並非每個人都有能力應付的,這便是垂直天 線 (也稱馬可尼天線) 最淺易的原理和長處,請見圖二。


地線的功用

    地球對電波的反射,可用鏡子對光波的反射來解釋。在鏡前看人,一個是真人,另一 個是鏡中反射的「人像」 (IMAGE)。如果鏡面光潔,反射效率良好,確可做到真假難 分的程度。

    君不見在有些偵探功夫的電影鏡頭,利用多面鏡中反映,正反角色,忽隱忽現,氣氛 緊張。我國更出了很多奇異功能的人士,巧妙利用光理,表演神功奇能。最神奇者, 首推當今魔術大師,大衛 (David Copperfield),他會當眾表演肉身穿越萬里長城城 牆,亦利用光學原理,將整輛火車,整架飛機,甚至立於紐約港口的整座自由女神, 在眾目睽睽之下,不到半秒鐘的瞬間,變得無影無蹤,但他很老實的說明,這只是光 學幻象的利用,絕不是攝影的技巧,更非奇功異能。

    請不要小看鏡面的反映,如果將一面鏡子,置放在一支蠟燭後面,便有二支蠟燭威力 的燭光。看過「少年愛迪生」這齣電影的同好,不知記不記得,愛迪生利用鏡子反光 ,照明一位醫生於夜間作緊急盲腸手術。這個鏡子蠟燭的試驗,簡單易行,請大家一 試,以證其威力。

    鏡面愈光潔,反射光波的效力愈高。同理可證,其地面的導電性 (CONDUCTIVITY) 愈 好,也即是阻力愈低,其反射電波的效率愈高。為此,很多專家學者,勞師動眾,測 量各處不同地質的導電性。美國政府更測出全美每一塊土地的導電性。洩氣的事情是 ,除了海水以外,其餘一概都不盡理想。所以,非用人為的地線來加強導電性不為功。

    早在無線電剛發明的時候,馬可尼便發現,加接地線,通訊距離可增加數倍。即使到 今天,地線仍然很重要。簡單如接一條電線在自來水管上,複雜如埋下 120 根銅線 於天線鐵塔四週地面。筆者即曾在汕頭市海港古砲台附近,以及台南市近五妃廟兩地 ,安裝航空導向電台時,掘地埋了數千尺銅線和不少汗水在地下。事隔多年,如今想 起來,還是蠻有勁的。


地平面式垂直天線

Fig 3
圖三:RCA 白朗博士在 1938 年時發明的地平面 (Ground Plane) 1/4 波長垂直天線原始型式。

    1930 年代,廣播電訊事業如雨後春筍,紛紛興起。當時的無線電製造業者中,以 RCA (Radio Corporation of America) 實力最宏厚,領導群雄,甚至於一般大眾消 費者的收音機,都指定要採用 RCA 的真空管。它的業務包括設計安裝整座廣播電台 ,整個電信局的設備等。RCA 能有此豐功偉績者,應歸功於白朗博士 (Dr. George H. Brown),此君 25 歲時,從小小的研究工程師做起,後升至執行副總裁,主持研 究與工程部門,是一位了不起的天線專家。

    他發明了不少天線,如定向廣播天線、超短波天線、地平天線等等。目前電視機用的 蝴蝶型天線即是他的傑作之一。他更為文寫出垂直天線工程的計算要旨。出版的書籍 迄今仍然是設計大型發射電台工程師的寶笈。他有一句名言:「良好的地線系統比天 線本身更為重要」。

    垂直天線的好戲到 1936 年才開場。白朗博士和他的助手亞士丁 (J. Epstein) 在研 究 30~60MHz 天線的過程中,領會到當時所有的天線,大多都有二項缺點:一為輸電 纜配合不佳以致輸電困難;二為駐波比奇高。這在當時發明不久而很流行的同軸電纜 中尤甚。

    白、亞二人的研究發覺,假若在垂直天線的底部,加裝數根 1/4 λ諧振懸空的金屬 桿,其性能和作用與地線很相似,可代替埋入地下的地線。另一項優點是可以隔離天 線發射的電波,使之不影響輸送電波的同軸纜。這便是白朗等發明的地平面垂直天線 (Ground Plane Vertical Antenna),簡稱 GP 天線。台灣有人稱之為木瓜或雨傘天 線,這是地區性的別稱,在作國際 QSO 時,外國火腿可不懂。

    白朗等人於 1941 和 1942 年,連續取得二項 GP 天線的美國專利。號碼是 2,234,333 和 2,275,342。圖三是白朗博士發明的 GP 天線最早的圖形。


Fig 4
圖四:永得 (WINDOM) 天線。"X" 是由輸電點至天線中點的距離,為 0.067 λ。

我國第一根 GP 天線

    我國的業餘家也很追得上時代,在白朗發明 GP 天線不久,約在 1947 年時,我在上 海,以一根 20 米單波段的「永得」 (WINDOM) 天線 (見圖四),醉心於捉 DX。這 永得天線構造簡單,當時甚受業餘電台採用,雖其效率很差。以現代眼光看來,它是 一根不成為天線的天線。

    有一天,我的一位業餘鄰居,黃啟堉 (當時呼號 C1OH),在空中呼叫我到他家,觀看 他的一條專捉 DX 的新式天線;懷著好奇的心情,對那好像一把倒過來的大雨傘般的 怪物,委實缺乏信心。黃兄對之很有研究的向我解釋很多,我一知半解,只是唯唯喏 喏。

    現在回想起來,黃兄相當先進,且富有業餘探索的精神。在無法求證的情形下,假使 我推斷不錯的話,黃啟堉應當是我國第一位手造並使用 GP 天線的人。轉瞬之間,事 隔半個世紀,思懷故人之情,無時或釋。特借本刊一角向之問好。


垂直天線對陣八木天線

    對垂直天線的效能,有人說好,有人說根本不成,正反說詞,爭論多時。

    在 1950 年後期,佔駐日本的美軍,擁有數座供官兵消遣的業餘電台。這些電台,我 在日本時,不時去玩。其中有一台為此問題,特別架設了一根 20 米波用的 GP 天線 ,用四根地線網 (RADIALS)。天線底部離地面 27 公尺。和另一根三元件的八木導向 天線作比較,這根八木是安裝於 12 公尺高的鐵塔上。這個駐日電台和美國加州的電 台,作了為期一年橫越太平洋的通訊試驗,直到該主持人役滿返國為止。

    該項通訊試驗的結論是,在通訊天候良好的時候,八木要比 GP 較響一個 S 度,即 6dB。而在天候不太好的時候,以及天剛亮、天剛黑前後的一段時間內,GP 的功能則 比八木優越。而且,這試驗對 GP 垂直天線有欠公允,因為三元件的八木本身,即有 8.5dB 的增益 (GAIN)。

    後來,根據很多業餘電台,連我在內,累積的使用經驗都認為,GP 是一支很不錯的 天線,作 DX 或和本地聊天,都可以,且暫不論其架設費用的輕微和簡易。

    圖五是一支實用的 GP 天線。有人說它不良的理由,多由於架設不當所致,如選地不 良 (被遮擋) 離地太近、地網不足等人為因素,非天線本身之過也。


半波垂直天線

Fig 6
圖六:中央輸電的垂直半波天線
Fig 7
圖七:末端輸電的垂直半波天線

    多少年來,不少電學專家和業餘家,腦海中存著一個簡單的問題:如果將一根水平的 半波偶極天線,90 度轉過來,豈不是一根 1/2 λ半波長的垂直天線嗎? 它既有 1/4 λ垂直天線的長處,即發射角度低,而無其短處,即不需要安裝煩惱絲般的地網,並 且還可有 3dB 的增益,何樂而不為呢?

    在理論上沒有問題,如果採用現成 72 歐姆的同軸纜,作中央輸電,不論是單波段或 多波段設計的天線,都可將電能直接輸至天線的中點,而無需加裝頗難伺候的配合線 路 (MATCHING CIRCUIT),是最理想不過的,可是在實施時便沒那麼容易 (請見圖六 )。

    最大的困難是要將輸電纜與天線作直角的拉出,否則,天線與輸電纜之間的電波會互 相干擾,無法正常工作。要將沈重的輸電同軸纜,在半空中作垂直拉出,而不下墜, 紙上談兵容易,實際架設時則非大興土木不為功,此法得不償失,於業餘不宜。

    於是,有人就依照齊柏林飛艇天線的方式,採用天線末端輸電法,如圖七。半波天線 的末端電流很小,但是電壓很高,電阻也大。若用 50 或 70Ω (歐姆) 的同軸纜輸 電,務需加用配合器。配合的方法各有千秋,最簡單的知圖七所示。

    澳洲更有一位業餘家,創設了一組配合線路,也有人用遙控方式來旋轉配合器內的可 變電容器等,花樣繁多。總之,不太簡單,尤其是設計多波段的天線時,連紙上談兵 也不易。

    直到十年前左右,業餘用的收發機,才開始普遍使用電晶體作末級放大。電晶體很嬌 弱,如果末級放大線路的誘導和電容 (LC) 的諧振線路不在諧振點,或天線未配合好 ,駐波比 (SWR) 一升高,反彈回來的電波,在瞬間會將價值很貴的末級放大電晶體 打壞。

    於是,新式的電晶體收發機內都,都加裝保護電晶體的線路,和在末級採用不需調整 的波段廣闊 (BROADBAND) 的 LC 線路;在轉換波段時很方便,只需旋轉波段開關便 可,不像以前用真空管的機器,每次換波段,還得再調整末級的 LC 一次。

    就是這波段廣闊的 LC 線路,美國有一天線製造廠,設計了一根多波段半波波長的垂 直天線,採用末端輸電法,在天線末端裝了一個波段廣闊的配合器,可將 50 歐姆的 同軸纜直接接上,自動轉換波段。這配合器內沒有可活動的組件,日久不會磨蝕,發 射角度很低,只有 16 度,相當好。

    其地網僅是短短的四條不袗線,為宣傳起見,不叫它為地網 (RADIALS),而稱之為 平衡相對體 (COUNTERPOISE)。其作用是隔離 (DECOUPLING) 高週電能,使之在架設 時,不因高度自地面至屋頂,都不影響其性能。

    這天線確是多波段垂直天線的一大進步,但是價格也不便宜,一兩黃金還有錢找;再 者,它的配合器的構造和細節,迄今尚保守秘密,不對外公開。

    其他廠商不甘落後,奮起直追,都以多波段半波垂直為號召,各有各的設計,各有各 的輸電力法,這是垂直天線最新的趨勢。

    一百年來,垂直天線的故事,到此暫告一段落。


1/4 波長地平面式垂直天線裝配要訣

Fig 5
圖五:一根實用的 1/4 波長地平面式垂直天線實例 (詳見文末註解)。
  1. 天線和四根地網線是使用週率的 1/4 長。長度 (公尺) = 71.32 / 週率 (MHz)

  2. 製造天線主體的材料,可用硬性的金屬管或條,或用銅線掛在樹上,或用竹竿 、硬質塑膠管作支柱等。天線所用材料的直徑,對週率影響不大,可隨地取材。

  3. 製造四根地網線的材料,可用任何金屬線,粗細不拘。不一定要扭直,可沿屋 角地形行走,但要與地、牆等絕緣 (最好懸空)。

    在發射時,線的尾端有高電壓,會打擊人畜,要加裝絕緣子並妥為安置。

    在近天線的一段,不要作水平拉出,但向下傾斜約 45 度,此舉可將天線輸電點 的電阻,從 36 歐姆提昇至 50 歐姆左右,以更配合所選用的 RG8 型同軸輸電 纜,其總阻為 50 歐姆。

  4. 為預防雷擊,天線主體和地網的導線,都得與地球的土壤相接通,使整座天線 組合,處於「直流電的地電位」,其目的是將天線週圍天空中的靜電,隨時洩入 地下,不使之累積,以消除雷擊的成因。

    L1 是高週波扼制線圈 (RFCHOKE),直流電可以通過這線圈,以達成洩放靜電功 能,但是高週率的電能無法通過,所以不影響天線的放射功能。

    L1 的製造法是用 1.5 公厘左右粗的漆包線,直徑約 4 公分,繞十八圈。線圈 不需繞在絕緣管子上,空氣絕緣便可。

  5. 通地的地線,可用二、三公尺長的銅條,全部打入土壤中,並保持土壤經常潮 濕;或可將舊銅茶壺吊進井中。都市中,可接在自來水管子上,暖氣用管和煤氣 管不可用作地線,有危險性。

  6. L2 是另一高週波扼制線圈,其作用是不讓天線由於配合不良而產生的反射電波 反彈回來,而經由同軸輸電纜的外層金屬網作不正常的放射,造成干擾、降低天 線發射效率等不良效果。

    L2 的製造法是將所用的同軸輸電纜,在近天線輸電點處繞六圈 (10、15、20 米 波段適用),或十圈 (40 及 80 米波段用)。圈的直徑約為二十公分,線圈用 膠布纏牢。

  7. 天線裝畢後,將之調整至所要工作週率的諧振範圍內,亦即是調節 SWR 至最低 點。加減天線的長度,可調整天線的諧振範圍,SWR 以不超過 2:1 為宜。

  8. 天線應架設在空曠處。如環境不理想,應距離附近障礙物,如房屋、電桿等,最少有十公尺之遙。

    天線的輸電點應離地面最少五公尺,因為該處電流最大,也是放射最強之處。

  9. 電線接頭要銲牢。不相同金屬 (銅和鋁) 的接合處,會起電解作用,要加裝不 袗螺絲及帽。同軸輸電纜與天線接銜處要用防水劑封口,以防雨水進入電纜。 END



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