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航空通訊頻譜監視系統
自製 SLIM JIM 天線

No.27   1995 Apr.   p80~83,   林茂榮 / BV5OC, P.O. BOX 575 Changhua



    這只極適合 VHF 波段航空通訊用的垂直極化天線,輻射角度極低,效率比四分之一波長地面垂直天線好上一倍,無需地面輻射條,更耐強風吹襲,且內含匹配功能。



    這是一只極適合 VHF 波段航空通訊用的垂直極化天線,稱之為 "SLIM JIM"。由於此天線的輻射角極低,大致上說來,它的效率比四分之一波長地面垂直天線可好上一倍;若從結構上去衡量,很明顯地,它既無需地面輻射條,所以更耐強風吹襲;而內含的匹配功能,更不用再外借匹配線路。

    所謂 "SLIM JIM",就是來自它瘦長的外表,及 J 型的整體匹配方式 (J-type Integrated Matching Stub),它容許在天線體直接饋電,也解決了所有可能存在天線與「饋送線之間,因不匹配而引發的種種問題。很容易可以在天線本身找到 50 歐姆的饋送點。


什麼是 SLIM JIM 天線

    基本上,SLIM JIM 可以看作是垂直擺放、端點饋送的返摺式偶極天線的變型。在返摺式偶極天線當中,除了缺口下方的匹配那一段是反相外,天線的其他部位,電流均為同相,參看圖 1,由於匹配那一段是呈反相狀態,會互相抵消,所以此段幾乎沒有任何輻射。

    如果能仔細而耐心的嘗試,總是可以找到駐波比低到幾乎 1:1 的饋送點,如果含括 118~138MHz 的飛航話務通訊,以 128MHz 為中央頻率,找到駐波比最低的饋送點,即使在 118 及 138MHz 兩上下邊緣的頻率上,駐波比也應該可以保持在 1:3 之內。但是實際使用上,你可以自行調整較感興趣的範圍,例如台灣本島的國內航線頻率都集中在 118~123MHz 內,如果對國內航線較感興趣,可以把中央頻率放在 121MHz;假如比較喜歡監聽國際班機,它一般集中在 124~134MHz 之間,中央頻率則應該設定在 129MHz。

    我設計的這只 SLIM JIM,中央頻率是 126MHz,因為國內班機的指定頻率最低的是 118.1MHz,而國際班機的台北飛航情報區,使用的頻率最高也到 134.1MHz,所以採取這樣的中央頻率,能夠兼顧兩群不同對象的通訊。

Fig 01
圖 1:SLIM JIM 天線,除了缺口下方的匹配那一段是反相外,天線的其他部位,電流均為同相,由於匹配那一段是呈反相狀態,會互相抵消,所以此段幾乎沒有任何輻射。
Fig 02
圖 2:SLIM JIM 的實際外觀。



材料與製作

    此 SLIM JIM 天線的主要材料,可以是 1/4 英吋或 3/8 英吋管徑的鋁管,也可以用同尺吋的銅管;若改用五金行可以購得的粗鉛線也行;再不然,早期電視機用的 300 歐姆扁平饋送線也可以。

    關於天線的尺吋問題,天線寬並沒有很嚴格限制,長度若差幾公分,也無所謂,因為這些誤差,在找尋饋送點時,都可以一併彌補掉。圖 2 是一個典型的製作例子,依照這種結構,足以供做固定基地台用,所有的尺吋,可根據圖 1 內的公式算出來。

    這裡要提出說明的是絕緣的處理,尤其是天線與固定的支架地方,不能讓它把天線兩段短路了,如果天線主體選用鋁管,饋送點的連接可以利用接線端子及鐵牙螺絲來完成;若是使用銅管的話,可以直接焊牢。另外,上下端橫桿的加工方式,容易受天候的影響,會很快開始腐蝕,如果能一體成型的話,應該更理想,也就是將上下橫桿使用螺絲連接,改為 U 型轉彎,而不切斷;當然這需要一些加工技巧,同時,材料的搬動也比較不容易,因為要一體成型的話,材料得保持在 3.5 公尺左右。

Fig 03
圖 3:SLIM JIM 天線的輻射極化圖。
Fig 04
圖 4:SLIM JIM 天線及 5/8 波長地面垂直天線的水平面平行的輻射強度表,外圈是 SLIM JIM,內圈所示則是 5/8 波長地面垂直天線。
Fig 05
圖 5:SLIM JIM 的總體性能,這是由天線的指向性與訊號強度相加的結果。

    如果採用這種方式,我建議選用銅管,因為銅管可以纏繞,不會有運送的麻煩。若考慮長期使用,可以買適當管徑的 PVC,包括二個密封蓋及一個 T 型頭,把天線放在 PVC 管裡頭,如此可以保持天線的完好,在室外也不虞雨淋日曬,正常使用的情況下,應能有好幾年的壽命。


效率與性能

    天線的輻射極化如圖 3 所示。從圖中,可以明顯地看出 SLIM JIM 比 5/8 波長地面垂直天線,有更佳的輻射效率,它的增益是 3dBd。從圖中可以看出,它的最大輻射強度幾乎與地面平行,這符合我們的期望。一般的地面垂直天線,即使用了 1/2 波長的地面輻射條,其輻射角也高過 30 度以上。

    圖 3 的虛線所示,是一具 5/8 波長地面垂直天線,加用六根 1/4 波長輻射條的情形。圖 4 則是 SLIM JIM 及 5/8 波長地面垂直天線的水平面平行的輻射強度表,外圈是 SLIM JIM,內圈所示則是 5/8 波長地面垂直天線者,兩者差異極大。而實際使用過 SLIM JIM 的人士也都同意,此種天線的效率的確不錯。

    這裡要特別說明的是,從圖 5 可以看出 SLIM JIM 的總體性能,這是把天線的輻射圖型,加上飛機在各種水平夾角時的距離,一併考慮進去的結果。因為假設飛機保持在一定的離地高度,那麼當飛機與天線的水平夾角越小,則兩者的直線距離越大,所以水平方向有最大增益的天線,可以彌補因距離加長所造成的訊號損失。


天線的組裝

    饋送點的選定,可以根據圖上所標示的尺吋,開始進行測試。測試階段,先用導線以纏繞方式固定,或以大型鱷魚夾行之,等到找著最佳饋送點之後,再正式固定。

    測量駐波比時,為了方便調整,應找一空曠處,周遭幾個波長之內,應該避免有大型的金屬導體。饋送接點應防浸水或鏽蝕,宜套用保護盒,或其他保護措施。


天線的架設

    任何天線都一樣,盡可能裝設在高處,而其旁邊,近處幾個波長之內,或較遠的高樓大廈,不要有龐大的金屬導體或阻礙物。當然,室內的陽台上,甚至室內的窗旁,也都可架設此天線,只是性能會有很大的折扣犧牲。

    至於如何聽懂一般航空通訊,請參看下期最後一回「如何監聽航空通訊」。《下期完結》 END



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