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Fig 01

自製單手可舉的八木天線

No.32   1995 Sep.   p51~57,   李錦鴻 VR2GY, P.O.Box 73328 Kowloon HongKong



    用個不恰當的比喻來描述「八木天線」 (YAGI ANTENNA),它就好像毒品一樣,一經品嚐,就會被它的效能和 QSO 樂趣所深深吸引,朝思暮想,神魂顛倒。但安裝八木天線,通常都會遇到以下幾個難題: 1. 價格稍貴、2. 體積較大、3. 安裝困難、4. 家人及鄰居反對。

    上述 1、4 兩點彈性較大,對於多數火腿來說,可能完全不成問題;而隨著社會經濟的提昇,以及大眾對業餘無線電認識日漸加深,這雨點的壓力亦相對減小。因此,上述 2、3 兩點所引起的問題便相對增大,如果能適當化解,安裝八木天線的可能性便可提高。


八木天線的理想要求

    首先,我們要定下一個對八木天線的理想要求,才能進一步對照實際的環境去解決。

    如果從下列幾個因素去考慮:1. 增益、2. 重量、3. 旋轉半徑、4. 最大元件、5. 長度、6. 波段數目 7. 風阻,筆者則有以下的統計:

    多波段的八木天線,如果以三單元計算,其重量大多在 10 公斤以上;元件數若增加,則重量就更重。這還是以 14MHz 以上的頻率計算,如果含有 7MHz 的工作頻率,其重量也就更重。

    10 公斤雖不算很重,但它只是一個靜態重量,一旦遇到颱風吹襲時,其動態重量,隨時會變成 10 倍以上!而單波段工作的八木天線,由於沒有 TRAP COIL,風阻大為減小,重量亦減輕,如 14MHz 的三個單元的八木天線,重量只有 8 公斤,而 21MHz 的更可輕至 6 公斤。

    考慮到旋轉半徑和最大元件長度的因素後,筆者本來打算購買一支 21MHz 的單頻道八木天線;由於最近中國大陸出現很多第三級的 BG 個人電台,他們不能使用 14MHz 頻率。只能在 7MHz 和 21MHz 做 DX (還有其他不適合 DX 的波段);再加上日間 21MHz 的效率很好,噪音比 14MHz 和 7MHz 小,與歐洲及北美較易通聯,至於鄰近的日、韓等國就更加易如反掌。

    當收集好資料,準備購買三單元 21MHz 八木天線時,一來因為店家沒有現貨,訂購需時 1~2 個月;二來又尋獲英制 1 分 (1/8 吋) 的實心鋁管及空心不袗管,於是促使筆者嚐試自行製作。後者特別引起筆者興趣,因為在製作長型天線時,金屬材料要求硬而輕,在此之前,筆者發覺最輕材料是 2 分 (6mm) 的空心鋁管,用它來配合英制的 6 分、5 分、4 分、3 分鋁管,已經做出了 14MHz 及 21MHz 無 TRAP COIL 的 1/4 波長 GP 垂直及 DIPOLE 水平天線,經過幾次颱風吹襲亦能應付,就因為重量輕,風阻小;但是用 2 分 (6mm) 鋁 管來做八木天線尾端,似乎仍嫌稍重,所以一直沒有考慮。現在發現 1 分鋁管及空心不袗管,情況便不同。與其等待 1~2 個月,不如先動手嚐試製作,即使效果不理想,再訂貨也不遲。


自己動手製作

    根據香港市場上可買到的鋁管尺寸,初步定出這支 21MHz 三單元八木天線的結構如圖 1,至於所需材料如下:

  1. 6 分鋁方型管 5 呎長,共 5 支,做直竿 BOOM 用。
  2. 5 分鋁方型管 5 呎長,共 2 支,做反射器和導向器第一段用。
  3. 5 分鋁方型管 2.5 呎長,共 2 支,做驅動器 (激勵振子) 第一段用。
  4. 4 分方型鋁管 2.5 呎長,共 6 支,做所有振子第二段用。
  5. 3 分圓型鋁管 25 呎長,共 6 支,做所有振子第三段用。
  6. 2 分圓型鋁管 25 呎長,共 6 支,做所有振子第四段用。
  7. 1 分鋁管或不袗空心管 2.5 呎,共 6 支,做所有振子末端用。
  8. 5mm, 3mm 不袗螺絲若干。
  9. U 或Ω型不袗夾具兩套。
  10. 3mm 尼龍繩若干。

    在這裡先解釋為什麼三個振子都用五種不同尺寸的材料連接而成,這並非故弄玄虛,而是為了減輕重量與風阻。因為全部振子都用 5 分鋁管組成,每一振子本身的機械強度當然足夠,但直竿 BOOM 的負擔就很重;而更重要的是風阻問題,全部都用 5 分的振子,在颱風吹襲時所引起的風阻相當大,此時的動態重量將會使直竿因無法承受而折斷。

    另一方面,6 分、5 分及 4 分鋁管用方型的,3 分、2 分及 1 分的則用圓型的原因,是因為在香港市場上的 6、5、4 分圓鋁管厚度不夠,而方型的則稍厚。況且即使厚度相同,方型管的結構亦較圓型的堅固;當然,方型管的風阻較圓型的稍大,我們可就市場上的供應而加以選擇。至於選用 3、2、1 分鋁管,則由於重量較輕,且市場上根本沒有 2 分及 1 分的方型管可供應,所以這是唯一的選擇了。

Fig 01
圖 1:三單元 21MHz 八木天線整體結構。



裝置步驟

    一、將五支 6 分鋁方管按圖 2 先接成一支直竿。讀者可能會說,6 分鋁管可以直接找一根 15 呎長和 10 呎長的組合而成,強度不是更為堅固,為什麼要分段接合呢?因為一來 15 呎及 10 呎長的鋁管運輸困難,很多公寓式大樓的升降機亦不能裝載,即使步行上樓亦未必可行;二來分段裝置時,可拆開後拿到郊外使用。

Fig 02
圖 2:將五支 6 分鋁方管先接成一支直竿。

Fig 03
圖 3:補強接口 A 及 B 的橫截面。

    而用一根 6 分鋁管組成 15 呎長的直竿的強度是不夠的,因此在下端再連接一根 6 分 10 呎長鋁管以增加強度,分別用英制 1.5 分 2 吋長的銅螺絲 (或不袟),連接上下 6 分鋁管的交疊區為 25 呎,就用三顆螺絲在頭尾距離 1 吋及中點鑽 1.75 分孔 (比 1.5 分稍大) 後,再用螺絲上緊便可。

    三根 5 呎鋁管接成 15 呎及二根鋁管接成 10 呎後,上下疊起如圖 2,應該有三個接口;為增加強度,要再用三個寸半鋁角 (1 分以上厚度),按照圖 3 的構截面圖,補強接口 A 及 B;而接口 C 的鋁角因為要連接激勵振子及整根天線固定用的 U 型或Ω型夾具,因此要用 2 吋鋁角 (1.5 分厚以上);當然,為了購買方便,接口 A、B 也用 2 吋鋁角亦無不可。接口 C 詳如圖 4。

    二、做好直竿後,跟著就可裝置激勵振子。由於要增加製作成功率及避免引入可變電容器,故不採用 GAMMA 匹配或 T 匹配型激勵振子,而採用常見偶極子 DIPOLE 天線型式。好處是製作容易,缺點是要加入 BALUN,而調節 SWR 亦不如調可變電容器那麼方便 (自製 GAMMA 匹配的故障率相當高)。

Fig 04
圖 4:接口 C 的接法 (與圖 2 之接口 C 旋轉 90 °)

    製作時,先找一塊 4~6 分厚 (12~18mm) 電木板或環氧樹脂板,按照圖 4 及圖 5 的方法,用分半螺絲把 5 分 25 呎長連接起來,電木板長約 6 吋、寬約 2 吋便可;裝置成兩邊的激勵振子要盡量成一直線。這兩段 5 分鋁管還要接到 BALUN 上去,因此,要在兩段 5 分鋁管最接近處 (鋁管相距 1cm),先鑽一個 2.5mm 孔,再用 3mm 螺絲攻,旋出 3mm 的螺絲紋,便可用 3mm 不袗螺絲旋緊由 BALUN 接過來的饋線了。

Fig 05
圖 5:激勵振子連接法。

    另外由 1 分、2 分、3 分和 4 分鋁管的固定連接法,亦如圖 5 所示,在距一終端 4 分、1 吋及吋半三點,先鑽 2.5mm 孔,再攻 3mm 螺絲紋,跟著旋入 3mm 不袗螺絲,只要旋鬆螺絲,則較小鋁管就可以隨意縮進較大的鋁管處。

    如果全部加入完畢,調整整個激勵振子的長度到 141 吋,就可旋緊所有 3mm 螺絲,則整個振子就會固定下來。由於鋁管厚度不夠,因此 3mm 螺絲不宜旋得太緊,否則很容易滑牙。

    兩邊激勵振子的做法是相同的,長度都是 141 吋。

    三、按照圖 4 的方法,在接口 C 的 2 吋鋁角處,裝上兩個 U 型或Ω型夾具,以固定直竿 (以後是整根天線) 及兩個激勵振子在 6 分 (20mm) 的鐵水管上,如圖 6。這只要接上 BALUN,就已經是一組完整的 DIPOLE 天線了。

Fig 06
圖 6:饋電點的安裝與接法。

    6 分鐵水管用做支持之用,高度當然最好離地面 3 公尺以上,但初步測試時,有 2 公尺的高度就相當足夠。至於 BALUN 方面,可以採用一般市場產品,但如圖 6,用一段 RG58U 電纜 (質量較好的) 共繞 6 圈,其直徑約 4 吋,繞好後用膠布纏緊,RG58U 開線口到激勵振子間的長度不宜超過 3 吋,開口後的網線要加入熱縮套管之類的絕緣套。BALUN 至收發機間的電纜長度不宜超過 50 呎,再長則要改用 RG8U 或更粗的電纜。

    RG58U 電纜一般可承受 300W 以上功率,所以在 100W 情況下使用應無問題。

    四、再檢查各接點無故障後,便可接上收發機及功率 SWR 表測試 DIPOLE 部分的工作情況,如果收發機是全頻段都可發射的話,應該很容易找到天線的諧振點及駐波比。

    在正常狀態下,141 吋的長度應在 21.1MHz 左右,反射功率在 100W 順向功率時,應低於 2W (SWR 優於 1:1.2)。同時,由於這根 DIPOLE 是用鋁管組成,直徑遠大於一般拉線 DIPOLE 的金屬導線,所以頻寬高達 1MHz 以上,即由 20.7MHz 到 21.7MHz 都會有良好的駐波比值,但由於以後加入反射器及導向器後,頻帶會收窄一些,所以,中心諧振頻率仍似調到 21.1MHz 為宜,這點只要改變 141 吋的長度,便可輕易改善。

    五、當激勵振子部分完成後,便可裝置反射器和導向器部分。由於 5 分鋁管和 6 分直竿的接觸面較小,強度稍嫌不足,所以在兩根 5 呎 5 分方形鋁管的中點,再用吋半鋁角約 3 吋長,如圖 7 般連接起來,則強度會大大提高。

Fig 07
圖 7:反射器和導向器與直竿的接觸面小,須作補強。

    至於其他 4 分,3 分、2 分和 1 分鋁管,亦和激勵振子的裝置過程一樣,只是長度分別是:反射器每邊長 150 吋 (全長 300 吋);導向器每邊長 134 吋 (全長 268 吋)。

    當把反射器和導向器裝到直竿上後,看起來各單元一定會有下墜的情況,這是可以接受的,當然要反覆檢查各螺絲及螺絲母有沒有完全上緊才好。


測試

    再細心檢查一次沒有問題時,可用收發機和 SWR 表去測量;正常時,諧振點的反射功率在順向功率 100W 時,應低於 3W (SWR 優於 1:1.4),而頻寬則收窄到 500KHz 左右,這亦遠比一般有 TRAP COIL 的天線為寬 (通常在 100KHz 以內)。至於中心頻率亦以 21.1MHz 為宜;大陸的 BG 電台可調到 21.2MHz 左右。

    這根天線已經製作了兩支,由於直竿的長度不同,重量分別是 3.5 公斤和 3.8 公斤,只用一隻手亦很容易把它舉起。

    最後再用電纜線連接天線到收發機上去,調節收發機頻率到 21.010 ~ 21.040MHz 去接收來自日本的 CW 訊號,再單手旋動方向,那聲音由大變小及由小變大的感覺,十分過癮。

    由於筆者亦有垂直天線及 DIPOLE 天線,並有同軸開關做切換,因此比較它們的特性是十分容易的。如果以日韓做目標,則此三單元八木天線比垂直天線普遍增強 10-12dB,初時筆者亦不相信會相差這麼遠,但試過幾支垂直天線都是這樣。再思考一下,估計是發射仰角引致,現在八木天線離地面較小,只在 3 公尺左右,所以發射仰角較大,而日韓距離香港較近,所以電離層一次反射就到,因而衰減較小。而垂直天線仰角較低,高仰角的電波能量成分減少。因此使兩者的效果拉得更遠了。

    為了試驗這點,便把天線改指向歐洲方向,發覺兩者的差距的確少了,大約是 3-6dB 左右,但是由於垂直天線各方向的訊號 (包括雜訊) 都一起接收,因而噪音較大。所以實際上有很多這樣的情況,用垂直天線完全聽不到的訊號,改用八木天線就可以收到。難怪在歐美日地區,各火腿都大量設置多單元的八木天線,甚至矩型的 CUBICAL QUAD 天線。4 月 27 日約了一批大陸 BA 及 BG 友台在 21.410MHz 上線 QSO 來測試,效果令人滿意。


安裝細則

    到 1955 年 3 月止,筆者已製作了兩支三單元 21MHz 八木天線,重量分別是 3.8 公斤和 3.5 公斤,性能大致一樣,而重量不同是由於 3.8 公斤那條是較早製作的,它的直竿是由兩層 6 分方形鋁管構成,這是由於筆者在設計時受到商品化的八木天線支撐形狀所影響。

    商品化的八木天線通常都是由一支竿支撐,但可以想像,10 多呎長的金屬管本身有其重量,所以一定會下墜,除非直徑很大,這就是商品天線通常都較重的原因。

    10 多公斤重的商品天線對於很多 HAM 來說本來不算重,但要考慮到各單元展開時,再要升高離屋頂 3 米以上,則非 3~4 人工作是無法應付的。而很多火腿的屋頂大都不是自己擁有,或施工場所面積不夠大或結構不安全,就形成很多人望「八木」而興嘆了。

    現時介紹的天線由於重量輕,如果依照下列方法,只需一個人,也可完成全部的安裝程序。先準備下面材料,做一個空心的正方形鋁架來支持天線:

  1. 4.5 呎長,1 分厚的 1.5 寸鋁角 14 支。
  2. 12 吋至 16 呎,1 分厚的 1.5 寸鋁角 24 支。
  3. 1.5 分直徑,1 寸長的銅或不袗螺絲若干。
  4. 1 寸 2 分直徑鐵水喉管,4.5 呎長 1 支。
  5. 1 寸直徑鐵電工喉管,4.5 呎長 1 支。
  6. 6 分直徑鐵水喉管,45 呎長 1 支。
  7. 3 吋直徑膠輪 5 個,全部或半數要附有鎖制。

Fig 04

    這個正方形空心鋁架和喉管安裝的透視圖、側視圖和頂視圖如上,相信裝置起來不會太困難。

    在準備好所有材料後:

Fig 08

  1. 先把 4.5 呎長的鋁角調成等高的空心鋁架,用 1.5 分銅螺絲鑽孔上緊在一起。所有螺絲紋最好自行攻出,而不要用螺絲母旋緊;如有困難,則所有絲母要加上螺絲墊片。
  2. 將 24 枝 14 吋長鋁角分別裝在上面 4.5 呎立方體的八個角上,使整個結構更堅固。
  3. 將兩條 4.5 呎長鋁角,依照側視圖情況,裝在主方體中間,並分別裝上五個膠輪。
  4. 把 1 寸 2 分鐵水喉管,用 2.25 分鑽嘴,如圖 3 鑽穿成共 16 個孔,以便穿入 2 分不袗螺絲來承托 1 寸喉管,並將其逐步升起。最頂端的 8 吋部分並鑽 1.25 分孔,用 1.5 分螺絲攻來攻出 1.5 分螺絲紋。
  5. 把 1 寸電工鐵喉亦和步驟 D 一樣去做,以承托及升成 6 分水喉管。這裡要強調的是,我們一定要用電工喉管,因為 1 寸水喉管的內壁太厚,容不下 6 分水喉穿入的。
  6. 用Ω形水喉夾具將 1.2 寸水喉上緊在 1.2 寸鋁角上,如側視圖,然後將 6 分及 1 寸喉管試行穿入 1.2 寸喉管內。如果所有喉管未經擠壓成碰撞變形,理應很容易互相進出,必要時可加入潤滑油。要注意三種尺寸喉管,最好是 6 分的比 1 寸的稍長 3 寸,而 1 寸約又比 1.2 寸直徑喉管長 3 寸,否則完全套入要升起時,就很麻煩了。
  7. 把天線夾在 6 分喉管上。
  8. 由於天線加 6 分喉管重量小於 5 公斤,所以很容易升起,但這應先升起 1 寸喉管 8 吋,並在 1.2 寸喉管最底部的 2.25 分孔中,穿入 2 分 3 寸長的不袗螺絲,使 1 寸喉管最上端的 2.25 分孔,露在 1.2 寸喉管之外。
  9. 用雙手升高 6 分喉管連天線至適當高度 (完全升盡亦可),然後單手扶穩,再用另一手將 2 分 2 寸不袗螺絲穿入 1 寸喉管的 (最低端) 適當 2.25 分孔上,承托起天線及 6 分喉管,雙手便可放鬆,再用 1.5 分螺絲旋入已攻紋的 1 寸喉管上,以免天線自由轉動。
  10. 升高 1 寸電工喉管及其上的 6 分喉管和天線至適當高度 (完全升盡亦可),用 2 分 3 寸長不袗螺絲穿入 1.2 寸喉管的 (最低端) 適當的 2.25 分孔上,以承托起 1 寸喉管及其上的 6 分喉管及天線。再用 1.5 分螺絲旋入已攻紋的 1.2 寸喉管上,以免天線自由旋轉。

    至此,天線最高可達 11.5 呎,在測試 SWR 時如果發覺有問題。要下降天線亦不困難。

    立方體的 4.5 呎高度完全是配合人手的工作高度而定的,如果你的高度異於常人,亦可適當調整。鋁架底下的五個膠輪的作用是為了方便移動天線至屋頂適當位置與改變八木天線方向。

    如果我們安裝 ROTATOR 來轉動八木天線的話,上述 5 個膠輪亦必需安裝。由於八木天線在屋頂的位置對 SWR 影響是很敏感的,裝有膠輪可使調整變得方便快捷,而筆者因為要顧及其他 V/UHF 及 HF 垂直天線,鋁架的移動性更有必要。

    當位置固定後,應將膠輪的鎖制鎖緊,以免被大風吹動。當颱風到來時,則應把 6 分及 1 吋喉管完全降下,使天線高度下降到 5 呎左右,這樣就很安全了。


重量只有 3.5KG

    由於筆者喜歡到郊外及海島活動,所以上述的 3.8 公斤天線仍嫌過重,在苦思之下,考慮到大部分重量都在直竿之上,要減輕重量,一定要在這裡開刀。因此將雙層 6 分鋁方通的直竿改為 5 分單層,再用兩支 4 分鋁方通,從支撐的 1 寸鋁方通兩邊,斜向支撐,發覺直竿下墜的改善情況更佳,而重量已減少到 3.5KG 了。如果依照一般商品八木天線的習慣,垂直支撐的金屬管不算在天線重量的一部分,則本天線只重 3 公斤而已 (不知可否列入紀錄?)。

    本天線的風阻肯定較少,但筆者身處南方,雪阻如何則不得而知,請北方同好要注意。 END

Fig 02
這組 3.5KG 重的八木天線在 VR2ZWH 的手裡顯得相當輕巧 (當時風大,故用雙手支撐)
Fig 03



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