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無線電波有效輻射的條件

如何將發射機最大有效功率透過天線射向太空

No.29   1995 June   p46~59,   by 唐仲誼 / BA4AC P.O. Box 085-277 Shanghai



   業餘無線電同好都希望在通訊聯絡中,輸出功率能夠百分之百的有效經由天線射向太空,以捕捉遠距離 (DX) 電台。

   要達此目的,除應使發射機有足夠額定輸出功率外,還應注意:

  1. 駐波比表刻度指示 (SWR, Standing Wave Ratio meter);
  2. 饋電線 (FEEDER LINE);
  3. 天線調諧器 (TUNER);
  4. 平衡 - 不平衡器 (BALUN, BALance- UNbalance);
  5. 天線 (ANT, Antenna)

等所組成的天線系統 (ANTENNA SYSTEM),運轉是否正常,以及與發射機輸出端的耦合是否確切良好。

   由於環節多,且問題比較複雜,因此,本末倒置地從天線端開始,逐一就它們的功能作用、制式類型、業餘自製等方面,提出個人看法,與同好共同探討。謬誤之處,尚祈不吝指正。


天線

   舉凡裝有高效率天線的小功率收發訊機器,如 10W 的 QRP,其通訊效率往往相等於、甚至超過較大功率,卻裝著低效率天線的 100W 機器;這說明了天線確是無線電設備中的重要部份。

   作為業餘無線電人士,如要搞清楚天線的奧祕,還是得從無線電波,亦即電磁波的由來,與它的傳播談起,以便在實際操作中,有較明確的概念。

   一百多年前,實驗者發現,當電流通過導線時,導線周圍便產生一個磁場;不久又發現,變換中磁場,能使靠近的另一導線,產生電流。1831 年,英國的法拉第 (MICHAEL FARADAY) 在上述發現的基礎上,在完全分離約二組導線間作實驗指出,在二者一定的距離間,有肉眼看不見的磁場的磁力線在起作用,他提出在太空中充斥著「電力」 (ELECTRIC)、「磁力」 (MAGNETIC)、「地球引力」 (GRAVITATIONAL) 等「力場」學說 (FIELD THEORY)。

    1850 年,英國蘇格蘭人 CANNNY SOCTOMAN、數學家馬克司威爾 (JAMES CLERK MAXWELL),對電磁現象,用數學方法作出了有名的「場方程式」 (FIELD EQUATIONS),指出電磁波可從不斷變換極性的源端,向別處輻射 (RADIATION)。1864 年,又用數學式證明振盪性的放電,能產生具有輻射功能的電磁波,其性質與光 (LIGHT) 相同。

Fig 01
圖 1:火花式發射機和接收器。
Fig 02
圖 2:大功率火花式發射機。
Fig 03
圖 3:1917 年建在法國拉法葉省,當時世界上最大型的天線。
Fig 04
圖 4:電流流過天線、磁力線 H 和電力線 E 相互不斷切割增強形成無線電波

    1884 年,德國人赫芝 (HEINRICH HERTZ),用一個能打出「火花」的線圈 (SPARKING COIL)、一付簡單的天線,用「萊頓」 (EYDEN JAR) 電瓶為電源,製作一架發射機;又用一根導線繞成留有小空隙,能與發射頻率起諧振的環,作為接收機,工作於大約 53MHZ 的頻率,相當於現今電視的第二頻道;接收機的靈敏度,在它離發射機 30 呎處,在環的隙口,會出現閃爍火花,見圖 1。

    1895 年 8 月,義大利人馬可尼 (MARCONI),試驗用馬可尼命名的天線,成功獲得電波射程 2.4 公里,世界從此進入了無線電世紀。英國無線電協會 (Radio Society of Great Britain, RSGB) 特提前在今年 4 月 22 日的「國際馬可尼日」,召開年會,並開設呼號為 "GB100IMB" 的特設電台,以資慶祝和紀念 1920 年馬可尼成為該會會員。

   次年,馬可尼公開試驗用汽球懸掛的天線,作了 4 哩的無線電通訊。1901 年,他又成功試驗穿越英吉利海峽,約 800 浬的越洋通訊。馬可尼於 1936 年到過中國上海,有幀他手持一根直立天線棒,與筆者就讀的上海無線電工程學院 (SHANGHAI RADIO ENGINEER COLLEGE) 院長方子衛合影的照片,刊於該院出版的「QSP 無線電」雜誌封面。

   圖 2 是由一組大容量蓄電池驅動的發電機,經過電鍵 (KEY) 及升壓變壓器,提供火花式振盪,通過巨大帽蓋狀天線,發射訊號。圖 3 是 1917 年建於法國拉法葉省 (LAFAYATTE),當時世界上最大的天線,工作於長波波段。當時的各國政府及商用部門,都認為波長愈長,通訊距離愈遠,而加以霸占,把業餘無線電活動,趕入 200 米波段以下,實際上卻是個寶庫的短波波段。

   圖 4 是電流流過天線,磁場 (H) 和電場 (E) 二者相互不斷地切割增強,形成電波的情況。

   無線電波的「頻率」 (FREQUENCY)、「波長」 (WAVELENGTH)、「速度」 (VELOCITY),三者有著相互內在關係:「頻率」指電波每秒鐘振動的次數,以赫芝 (HERTZ) 為單位;「波長」指電波每秒跨進的距離,以公尺為單位;「速度」指每秒可跨進 186,000 英里,與光速相同,地球周長為 1,395,000 英里,故電波每秒可繞地球 7.5 圈。

   三者的關係是:λ = ν / f (λ:波長,ν:速度公尺 / 秒, f:頻率周 / 秒),將每秒光速 300,000,000 公尺代入,得波長λ =300,000,000/f 公尺,若頻率單位用兆周 / 秒,波長單位用公尺,則得λ = 300/MHz。

   由上述公式可知,電波的頻率越高,其波長越短;頻率越低,則波長越長。


天線是個諧振裝置

Fig 05
圖 5:(A) 電力線和磁力線相互垂直電波以半徑範圍在空中跨進;(B) 無線電波又垂直於電力線、磁力線,並從紙面向您射出。
Fig 06
圖 6:諧振半波天線上電流得到後續波的強化狀況。

   天線只有在諧振 (或稱振盪 OSCILLATE) 狀態下,電波才由不斷變換著的電場 (E)、磁場 (H),以半徑範圍在空中跨進,見圖 5A。它們行進的方向是相互垂直的,見圖 5B,而電波則自圖 5B 的紙面向您射出,又與電場、磁場相垂直。

   由發射機饋送到天線的功率如固定,最大的天線電流要求天線輸入端無電抗」 (REACTANCE, 一種阻止電流增加,起反作用的電動勢),僅有負載阻抗 (LOAD IMPEDANCE),這與諧振電路在諧振時僅有電阻一樣;當天線上的電流最大時,輻射也最大。

   天線的諧振與自身長度有關,最短的諧振天線是半波長偶極式 (DIPOLE),此時來自饋電線的激勵電能,使振盪電荷 (OSCILLATING CHARGES) 由天線一端行至他端後,又返回到輸入點,恰好是一波之長,與輸入電能的頻率同步。

   圖 6 是半波天線在諧振狀態下不斷增強,開始輻射的示意圖。 (A) 激勵電能從饋電點進入天線,(B) 到達後行進,(C) 重新回饋電點,(D) 剛進入饋電點的第二個波,(E) 使第一個波增強輻射。

   天線上的駐波 (STANDING WAVE),俗稱波形。當激勵電荷往復振盪於天線二端之時,天線上就有電流駐波和電壓駐波出現。天線上的電流無非是往復運行於天線的電荷所產生,輸送到天線的激勵電能是射頻正弦波,它在天線上產生一連串的連貫逆行著的電荷,前後電荷值之差,也依正弦波而變化。電荷抵達終端即返回,故在天線終端,任何瞬時恰要返回時,與隨即到達的電荷,它們二者閒是等值而方向卻相反,從而相互抵銷,故天線終端無電流存在。

   天線上的電壓和電流駐波,二者恰好錯開 1/4 λ (即一波長的四分之一),也即電流最大處電壓是最小處,電流最小處電壓是最大處;這是由於電流與激勵相角有關外,也同電荷的行進方向有關,而電壓則僅與激勵相角有關;距半波天線終端 1/4 λ處,電荷相角差π弧度,故該點電壓相角也差距離π弧度,電壓抵銷,而得最小值,此所以會使天線上的電流駐波與電壓駐波錯開 1/4 λ距離。

Fig 07
圖 7

   圖 7A 為一個波長天線,並對應於圖 7B 的半波長天線,天線上的電流與電壓駐波。由於天線分布電容量的差異,並非絕對是正弦波,但在實用上情況,因相差極微,放在分析上,均假定它是正弦波。


天線諧振波 (副波) 的運用

   最短的諧振天線是半波長,而在半波天線上只有一個駐波,那麼,如果天線長度不變,激勵電能的頻率提高一倍,此時天線就相當於全波長,而得到二個駐波,仍在諧振狀態。依此類推,天線長度容納的波長數愈多,駐波數也愈多,這種多駐波的諧振叫「諧頻諧振」 (HARMONIC RESONANCE)。

   筆者現用的 28-14-21- 7MH,四波段倒 V 字的 A 型天線,僅有三根天線,其中 21MHz 波段是利用 7MHz 那根,在其三倍頻上工作,儘管限於住在底樓,大線離地僅 12 米,效果也很好;三根天線間相距 80mm,狀同五線譜。


天線有效諧振長度的計算

   在不同物質中,無線電波行進的速度因物質常數 (ε),及導磁率 (μ)大小而異。非鐵物質的導磁率與空氣相同,僅有介質常數影響傳播速度,介質常數大,傳播速度慢;小則快。

   天線懸掛在空中,二端由絕緣子拉緊,絕緣子的介質常數大於空氣,加上天線離地面的高低,地面的導磁率、附近建築物、樹木等影響,使天線兩端的電容量,大於天線本身的分布電容量。這一天線終端效應,使振盪於天線上的電波速度放慢,故應使天線的諧振長度,比原計算的長度的長度稍短;半波天線實際長度要短於原計算長度的 5%,故半波天線的諧振長度 L= λ /2 x 0.95 = 143 ÷ MHz 公尺。圖 7C 列出半波偶極天線各波段中心頻率,按上述公式計算得出的天線總長度,除以 2 為二臂長度,圖 7D 為中心玻璃纖維絕緣板尺寸。


天線輻射電阻 (RADIATION RESISTANCE) 和損耗電阻 (CONSUMER)

   大家熟知,計算一個元件電阻公式為 R=E/I,但在天線輻射電阻計算時則應是:輻射電阻 = 天線電場 E / 天線電流 I。又如輸入阻抗 (INPUT IMPEDANCE)、饋電線阻抗 (FEEDER FINE IMPEDANCE),都是指在導線上電場 E 與流動著的電流 I 之比 (RATIO),但並不是說用歐姆表可在天線二端上測出阻抗的歐姆數字來。

   天線上來自發射機饋送來的電能,形成電波輻射空間外,也有一小部份在饋線電阻及絕緣子上轉變為熱能,它們是被消耗掉的電能。半波水平天線在自由空間 (FREE SPACE) 的輻射電阻是 70Ω。例如有 3W 的激勵電能,加到半波水平天線的饋電點,用特定的高頻電壓、電流表,測得峰值電流 (PEAK CUJRRENT) 值是 0.21A、電壓 14.7V,於是得輻射電阻 R=E/I=14.7/ 0.21=70Ω。

Fig 08

   但輻射電阻往往因天線環境不同而有所差別,如倒 V 字的 A 型半波天線則為 50Ω。天線損耗電阻的大小,要看天線導線的粗細、絕緣體的好壞、地回路的損失等因素決定。天線輻射電阻愈大,損耗電阻就愈小,天線的輻射效率愈高。

   天線上各部份的電流值是不相等的,天線上的電流駐波,滯後電壓駐波 1/4 λ,二者有 90°相角差,天線終端阻抗最大,且為純電阻;距終端 1/4 λ處的阻抗則最小,亦為純電阻;其他部份或有電感阻抗,或有電容阻抗。

   饋送激勵電能到天線的連接點,即饋電點,必須考慮到饋電線與天線阻抗的匹配問題。一般應用上都接在天線的純電阻點;半波天線不是饋送在天線中心,就是饋送在天線的終端。半波天線阻抗的分布情況非常奇妙,請看圖 8A,半波水平天線的中心是 73Ω (天線離地高低不同,會有 50-90Ω變動,見圖 8B),但離終端 2 呎處則成 1000Ω,終端卻又高達 100000Ω。

   筆者早期用一只 45 號真空管製成「調屏不調柵」 (TUNING PLATE NOT TUNING GRID - TNT) 的 5W CW 發射機,使用總長 20 米,不分割為二部份的半波水平天線,工作於 40 米波段,用單根饋電線,始端接自發射機槽路線圈 (TANK COIL) 離冷端二、三圈處,末端接在離天線一終端三分之一的 13.4M 處,也即離中心點 6.6M 處,見圖 7E。機器在良好接地下,曾與國內及美國東西岸電台聯絡。


天線的倒轉規律

   良好性能的發射天線,也是良好的接收天線,它的方向性也完全一致,天線上電流電壓的分布情況亦同,故什麼方向來的接收訊號最強,也是天線輻射最強的方向。


半波偶極天線

   它是短波通訊中結構最簡單、最基本的天線,它的各種組合,可組成定向天線陣,如三單元或更多單元的集射 (BEAM)、八木 (YAGI) 天線 (說是日本人八木創造而命名,日文發音為 HAKI)。

Fig 09a
圖 9:半波天線的電場強度分佈情形。
(A)偶極天線的輻射。垂直於天線中心的電場強度最大,軸向為零。
Fig 09b
(B)9° 15° 30°為天線輻射角度。垂直線所註 5~30 相當於耳測結果,如 30° dB 表示有 559 信號。零 dB 相當於 53 信號。

   半波天線的輻射在天線軸向 (AXIS) (θ為 0°及 180°) 的電場強度 E 是零,也即半波天線不能在軸向輻射。當θ角漸漸增大到 90°時,電場強度 E 最大,即垂直於天線中心的方向輻射最強,見圖 9(A), (B)。

   在短波通訊中,半波水平天線的應用最廣,但裝在地面上空時,地面也將影響天線在自由空間的輻射情況,即使天線裝在六層樓平台上空,平台就會等於地面而起影響。天線的離地高低會變更其輻射阻抗和輻射狀況,一般應至少離地 1/2 λ或 1 λ以上;同時,電波是靠天空電離層的反射行進,應使輻射集中到高的輻射角去 (BV3FG 註:這一句話有爭議,如要通 DX 則仰角要儘量低,若到通近距離,則要提高仰角減少跳距),離地高於 1/2 及 1 λ以上,電波有跨開距離,事實證明,天線稍加升高數米,可使通訊功能完全改觀,得益不少。當然,良好接地也極重要。


天線的增益

Fig 10
圖 10:三單元集射八木天線輻射方向。

   它常用功率關係來表示,其定義是某一產生相等電場強度的半波天線所需功率,與定向天線所需功率之比,用分貝 (dB) 來表示;例如 100W 發射機使用的定向天線增益是 9 分貝,即表示用半波天線的機器,需要有八倍於用定向天線的機器的功率,即 800W,才能得相同的輻射強度。

   定向天線的「反射」、「導向」單元的功能,是把「輻射」單元產生的電波反射,並集射到單一方向,圖 10(A), (B) 為三單元集射天線的結構和集射方向。


半波天線要不要裝 BALUN?

   當今發射機輸出阻抗都是不平衡的 50Ω,而作為饋電線 (FEEDER LINE) 的同軸電纜 (COAX-COAXIAL),亦均為不平衡的,其心線是熱端,屏蔽層是接地之位的冷端。如果用的是直立天線 (VERTICAL),它是分上下二段生的,下段是地網冷端,上段是心線熱端,同軸電纜的饋線能與之匹配,尚無問題。

   但在使用水平或 A 型及八木天線時,它們左右的導體是等長度平衡的,在不裝 BALUN 時,天線輻射電波的波形,就會出現圖 11A 的狀況,天線右臂不平衡的波形;如在集射天線,會導致集射方向產生 5-10°的歪斜,更嚴重的是由於不平衡輻射,會引起部份功率被反饋到饋電線,使它產生諧振,成為一根端饋的直立天線,從而產生廣播干擾 (BCI, Broadcast Interference) 和電視 (TVI, Television Interference) 干擾,導致鄰居吵上門來。

   由於部份電能被反射,駐波比 SWR 也難以調小;裝上 BALUN 後,輻射波形就平衡如圖 11B。

    BALUN 可以業餘自製,圖 12 是 1:1 的 50Ω - 50Ω BALUN;圖 13 是 1:4 的 50Ω - 200Ω或 75Ω - 300Ω的製作範例。可用直徑 23mm (NX-60),導磁率 20~100MHz 的磁環繞製。有人為了避免磁環起磁飽和,改用扁平型磁棒繞製,如圖 14,筆者經澳洲同好介紹,說用空氣 BALUA (AIR CORE),效果比磁環好,曾予自製使用至今,詳見圖 15。


最大有效功率充份射向太空的關鍵

   發射機的最大有效功率充份經由天線射向太空的關鍵,筆者認為應是:

  1. 修整天線長度,使其能確切諧振在選用的中心頻率上。
  2. 選用損耗低的饋電方式和饋電線。
  3. 裝有駐波比表功率計、天線調諧器、低通濾波器等重要器件。
Fig 11
圖 11:半波天線與裝置 BALUN 的關係。
Fig 12
圖 12:自製 1:1 BALUN
Fig 13
圖 13:自製 1:4 BALUN。
Fig 14
圖 14:以扁平型磁棒繞製 BALUN 可避免磁環起磁飽和作用。
Fig 15
圖 15:為便於頭尾連接,用三色單根電燈塑料線直徑 0.13 x 27 股或 32 股,三線並繞 19 圈


為何要修整天線長度

   原因很簡單,天線諧振阻抗如與發射機輸出阻抗相匹配,則饋電線上電壓恆定,饋電線上無駐波,天線能將最大有效功率輻射出去,如圖 16(A), (B)。如若天線過長或過短,其諧振阻抗 (或稱輻射阻抗) 不與發射機輸出阻抗匹配,結果如圖 16(C), (D) 所示。

   至於 STANDING WAVE RATIO 駐波的定義,乃是指由於天線阻抗不與發射機輸出阻抗匹配,從而存在於饋電線上的電壓駐波最大值同最小值之比。按常規,駐波比應為 1,反射率為 0,但此僅屬停留在理論上計算,很難達到;在實際操作中,駐波比反射率指示 2 以下為安全區,3 以上,發射機末級功放管有時會被過大的反射功率擊毀。故一般廠製駐波比表的刻度自 3 起是紅色弧線,以提醒使用者注意,應儘速檢查天線系統。圖 17 是 SWR 反射 (REFLECTED) 指示數與反射功率百分比的關係。

Fig 16
圖 16:天線諧振阻抗與發射機輸出阻抗之匹配關係。

Fig 17
圖 17:SWR 反射指示數與反射功率百分比的關係。

Fig 18
圖 18:(A) 常規天線系統 (B) 天線諧振點與 SWR 的關係。

   修整天線正確長度應在天線實地架上後進行;因須反覆修整,最好在天線柱裝上滑輪,便於升上放下。天線二端長度應各長出 30 公分左右,方法一是用磁傾表 (DIP METER) 或稱陷波波長表),經過探頭與饋電線交連,測出天線諧振頻率,但價格貴,英國 OPTORLECTRONICS 的 DIP METER,售價 169 英磅,但也可業餘自製,容後另文介紹。

   方法二是用 SWR REF 反射最小指示來修整天線長短,圖 18A 為常規天線系統布局圖,發射機輸出經低通濾波器、SWR 表、饋電線,跳過天線調諧器與天線連接。如圖 18B,是工作於 20 米波段,選定中心頻率在 14.175MHz,將 100W 發射機開機後,使輸出功率在 100W 左右,轉動發射機調諧度盤,觀察 RFF 最低點,如 SWR 表指示 1.1:1 的頻率是在 14.155MHz 上,說明天線諧振點低於 14.175MHz,天線太長,應放下天線,在二端同時修短,直到修整到 SWR 表最低指示落在 14.175MHZ 為合格;如最低點在 14.195MHz,則知天線諧振點高於 14.175MHz,天線太短,二端應予加長。


為何選用低損耗饋電方式

   發射機輸出大都設計在不平衡饋電方式,故都用同軸電纜作饋電線。由於電纜屏蔽層與心線間存在有電容,故有功率損耗,用分貝表示其衰耗量。衰耗多少,與電纜的屏蔽層與心線之間的絕緣物有關,一般是以聚乙烯 (POLYETHYLENE) 的質量好壞、電纜長短以及在何頻率上工作有關,從圖 19 可知,心線的粗細之衰耗是不同。

   從圖 20 可知,採用 300Ω開線,包括 TV 饋線,其損耗小於同軸電纜,因此,使用電纜時,應儘可能粗些、短些;饋線越長,損耗越多,工作頻率越高,損耗也越多;發泡棉質同軸電纜比聚乙烯絕緣的電纜損耗少三分之一。

圖 19:芯線線徑與損耗之關係 (10 米波段測得)
饋電纜形式 芯線形式 損耗
dB/30.48m
阻抗
RG-8/U 0.405 0.98 52
RG-8A/U 0.415 1.0 52
RG-213 0.410 1.0 50
RG58/U 0.195 2.2 53
RG58A/U 0.195 1.9 50
RG58C/U 0.195 1.9 50

圖 20:每 30.48m 饋電纜上反射 dB 數對應功率損耗數。如在 3.5MHz 波段 100W 輸出機器反射 dB 為 O.68 時,功率損耗為 8W;如在誤配合時,損耗將更大。
饋線 損耗 dB/每100ft (30.48m)
TYPE 阻抗 3.5MHz 7.0MHz 14.0MHz 21.0MHz 28.0MHz 50MHz 144MHz MHz
RG58/U 52.5 0.68 1.0 1.5 1.9 2.2 3.1 5.7 dB
RG8/U 52 0.3 0.45 0.66 0.83 0.98 1.35 2.5 dB
RG59/U 73 0.64 0.9 1.3 1.6 1.8 2.4 4.2 dB
RG11/U 75 0.38 0.55 0.80 0.98 1.15 1.55 2.00 dB
TWIN-LEED 300 0.18 0.28 0.42 0.52 0.80 0.85 1.55 dB
OPEN-WIRE 300 0.03 0.03 0.07 0.08 0.10 0.19 0.25 dB

Fig 21
圖 21:剝拉芯線的簡易方法。

   圖 21A 是剝拉電纜心線,保持屏蔽層完整出線的小經驗。另外,同軸電纜在天線處的接頭,最好倒裝如圖 21B,並作防水措施,如果雨水滲入電纜,後果將不堪設想。


要不要使用天線調諧器

   據說這是在業餘爭論了近二十年的一個課題,原因是從天線到發射機的天線系統實在是個複雜問題,繁瑣複雜的數學推導和計算,實難了解究竟。但天調實際上是一只由線圈、電容器組成,調節 RF 高頻電能的變壓器。

   使用天調的好處,一是能把發射機輸出功率良好轉換到天線負載上去。二是如若天線系統處於不匹配狀態,常會產生電抗 (REACTANCE),即一種在電路中起抗拒作用的能量,從而使電路形成反饋電路 (REACTANCE CIRCUIT) 電抗性負載 (REACTANCE LOAD)、電抗功率 (REACTANCE POWER)、電抗耦合 (REACTANCE COUPLING) 電路等等。

   用了一台良好的天調,就可把這種電抗調出電路,故也可名之謂「電抗調出器」。但業餘界不少同好認為,天調使用後要損耗一定的輸出功率;而樂於使用天調者,則認為有下列好處:

    1. 在發訊中可消除或縮小副波 (HARMONIC WAVE) 輻射。美國聯邦電訊委員會 (FCC) 曾規定,任何發射機末級放大級應有衰減 40dB 副波的功能,否則禁止發射。FCC 每年要發出不少通知,傳訊發射出副波的電台,進行干預禁止。

    2. 由於發射機輸出端阻抗是 50Ω,故饋電線終端連接的天線阻抗也必須是 50Ω的阻抗負荷。由於架空的天線會受到附近建築物、天線離地高低及地面導電率等的影響,使天線阻抗往往與要求的 50Ω數值有出入,見圖 18B。

    3. 一根天線只能諧振於一個波段的中心頻率。如在 14MHz 段選定 14.175MHZ 為中心頻率是 50Ω阻抗,但它不可能在整個波段頻率上都是 50Ω,也即是說,在 14.175 時,SWR 指示可有 1.1:1,但如在 14.010 CW 或 14.330 SSB 時,SWR 就會跳高到 8:1 或更大些;除非您再架好二根諧振於 14.011 和 14.330 的諧振天線,進行轉換。

   有了天調,就可把上述這個未知數,即高於或低於 50Ω阻抗情況下,由天調發揮其變壓器功能,在 L 和 C 上加以調節,使天線負荷阻抗與發射機 50Ω輸出阻抗耦合好。

    4. 在收訊時,使用天調可消除或減少廣播電台的交叉調制干擾,增加接收選擇性。

    5. 一台良好的天調,並不損耗多少輸出功率。按照下面介紹的 T 型結構天調,經過測試,其損耗率僅是 7%,即 100W 輸出功率,有 7W 的損耗,這還是指在天線負荷阻抗與發射機輸出端的 50Ω阻抗有嚴重誤耦合下 (MISSMATCH LOAD) 的情況下,SWR 的 REF 指示在 5:1 至 10:1 指數而言。一般情況下,天調的損耗率僅有 3%。

   上述 7% 和 3% 損耗數的結論是由 W1ICP Lew McCoy 在用同一只 RF 功率表,先後串接在天調的輸入和輸出端,在較大誤耦合和較小誤耦合二種情況下,實測到的數據。

    6. 天調在起作用下,可使發射機末端功放級保持於冷運轉 (RUN COOLER) 狀態,避免天線與輸出阻抗因嚴重失配,產生過大的反射功率而擊毀末級功放管,此點更是天大的好處。

   當然,如果您僅工作於中心頻率± 10KC 頻率上,在 QSY 時, SWR 的 REF 指示不超過 1.5:1,則您可以不用天調;如若超過 1.5:1,奉勸不要吝於微不足道的 3% 功率損耗,還是用上天調比較安全,會給您帶來不少好處。

   下面介紹的是現今廣為業餘界自製時採用的 T 型調諧器線路,圖 22(A) 是 W1ICP 早在 70 年代中,於 QST 雜誌上發表介紹給同好的線路。L 是用特定的細微改變電感量的滑臂式線圈,C1 是 250pF 的雙連可變電容。

    80 年代,WALT MAXWELL 提出新的模式,把 C1 改用單只可變電容,L 用抽頭線圈,由波段開關調節電感量;當今的商品天調,大都採用此線路。筆者曾按此線路自製天調 (見本刊 93 年 5 月第 9 期 65 頁「BY4AOM 火腿自製天調」右側一架),但 L 不是空心線圈,而是繞在有橫筋的高頻磁管上。

Fig 22
圖 22:W1ICP 的 T 型調諧線路。



駐波比表

   它是電台設備重要和常用的器件,能隨時精確地描繪天線系統的工作狀態,任何影響天線正常運行的因素,都能在 REF 讀數偏高時反映出來,提醒您及時檢查處理。

   駐波比表常採用反射計電路,結構並不複雜;另有電橋式、射頻功率計式等,但電橋式不能一直接在電路裡使用,此外在測試時,發射機輸出功率即使低於電橋中 R1,R2 臂的功率,電阻不會因過載而燒壞,但輸出功率也會有一半消耗在 R1,R2 上,且結構調試也較複雜,同好都採用反射計線路,易於上馬。

   圖 23(A) 為線路圖,23(B) 是 1:1 尺寸的玻璃纖維印刷板,按線路圖塗上絕緣漆後,如無三氯化鐵自行腐蝕,可全部塗抹後,繪上細鉛筆線,用刀刻去不用的銅膜,也很方便。圖 23(C) 是普通二吋 100uA 表頭刻度與 SWR 指示對照。除表頭外,整個結構裝在全封閉屏蔽盒內,體積不大,也可內藏於天調內,但仍須在屏蔽盒內。連接到 R3 和表頭的接線應用屏蔽線。二個 "Y" 內圈之間及與 "X" 之間距均為 1mm。

Fig 23
圖 23:製作駐波比表。

   如果嫌印刷電路板麻煩,或天調空間小,SWR 內藏不下,也可採用只要 REF 指示的辦法,用同軸電纜線自製駐波比表;如圖 23(D),用一根長 155mm 的 RG-174U 或類似的同軸電纜,剝去纜外層塑料套管,在電纜編織銅絲長 100mm 處的二端,插入一根 #22 或 #24 號的 QZ 型高強度漆包線,一頭接 R 120Ω到地,一頭接二極管 2CP15 等檢波電路。

   調試方法是在天調的輸出端接上 50Ω假負載 (DUMMY LOAD),開機轉動天調 L 和 C,使發射機有 50 或 100W 輸出後,檢視 220uA 表頭指針是否在零位,是的話,說明功率充份輸上負載,無反射功率回來;若不在零位,則應調換 R 阻值。一般在 82-150Ω間調試,直到表頭指針在零位始為合格。最後將此電纜型駐波比表,內藏串接在天調的輸入端使用。

Fig 24
圖 24:用 300Ω梯形饋線製作 7, 21, 14MHz 三波段折疊式 A 型與水平結合的 DIPOIE 天線。
Fig 25
左上:自製天調,SWR/WATT 表,TS130S。左下:13.8V 2V 電源。PANASONIC SSB 接收機。窗外小竹竿頂是 TV 梯形饋線,接至天線。4:1 的 BALUN 裝在室內。

   行文至此,回溯本文標題內涵,謹向同好推薦曾自製效果較好的用 TV 300Ω梯形饋線 (LADDER WIRE) 製作的 7,21, 14MHz 三波段折疊式 (FOLDED)A 型與水平結合的 DIPOLE 天線,如圖 24 所示。

    88 年,吾兒離美應聘於澳洲坎培拉國立大學執教,我和 XYL 於 89 年起,住坎培拉一年多,在當地同好熱情幫助下,借給 TS-130S 100W 機器和電源等,通過 RADIO INSPECTOR 考核,申請到 VK1CWM (上海集體台個人呼號 BZ4CWM) 一級電台執照。

   經當地同好傳授架設 WIRE DIPOLE 絕招:借來橄欖形二頭穿空的小鉛鉈,縛上細釣魚尼龍絲,用橡皮彈弓彈上離地高 15 米的二棵大樹樹梢,分別由尼龍絲把天線拉升到水平狀態,一年多中,曾與全澳、南北美、西歐以及 BY 電台聯絡。在週末時參加由加拿大 VE3DMC、馬來西亞 9M2WW 譚樹明、9M2FI 鄭國魂、墨爾本 VK3DUA 葉國超的華語 NET,也與美東密西根 W8FI Dick 作週末例行通話,在電離層傳播狀況好時,彼此訊號都能在 59,CW 亦然。

   忖思使用 TV 饋線製成的天線,能從地球南端坎培拉到北端的加拿大,有時還通過 LONG PATH,可暢通聯絡,究其原因,似無非是選用了損耗較少的 TV- 300Ω饋線製作饋線的緣故。如圖 20 所示,在 20 米波段的損耗情況,RG-58/U 為 1.5dB,而 300Ω TV 饋線則為 0.41dB,小了四倍;加上用了天調、駐波比表,隨時可調整天線系統運行狀況。

   綜觀當今各式收發訊機,無不裝有自動天線調諧器。天線系統少不了天調,應無疑議,但天調線路模式很多,另如饋電線方面有諧振、不諧振饋電線之分;饋送 RF 電能到天線,有終端電壓饋送和中心電流饋送之別;天線結構上還有方框 (QUAD)、垂直、單根長天線等,值得同好們交流探討。 END



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