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Fig 00

No.33   1995 Oct.   p27~31,   by 編輯部



前言

    SWR-121 Antenna Analyst 天線分析儀有兩個機種,測量頻率範圍涵蓋:SWR-121HF:1-31.999MHz; SWR-121VHF/UHF:120-175MHz, 200-225MHz,400-475MHz。

    本文只針對 SWR-121HF 一型作報告。另外,這一序列的產品最近也出現非業餘波段範圍的兩個機種:SWR-121C1 及 SWR-121C2。


無謂的消耗功率

    只要有過安裝天線經驗的朋友,一定會體驗到,不論你如何小心地組合與安裝天線,一旦把組合好的天線擺到要固定的位置上頭,原來調整好的共振頻率一定會跑掉,共振頻率不是太低就是太高,甚至會跑到設計的波段外。

    總之,天線組合後架到固定的位置上,一定還需要調整,如果不把這不匹配的情況消除掉,在工作頻率上,就會有很高的駐波比值,駐波比一高起來,在同軸電纜內就會有很大的射頻功率損失,這損失大小,當然完全視饋送電纜的種類及長短而定,如果不特別注意,發射機的 100 瓦輸出功率,實際到達天線可能以剩下幾瓦而已。


射頻干擾,功率自動降低

    當然,功率的損失只是一種顯而易見的後果,但是比較嚴重的,還不只是功率無謂的損失,其中牽扯出的射頻干擾問題更是嚴重,尤其現代化的操作台上,個人電腦是其中的一項設備,我就曾因太高的駐波比值,使得操作中的個人電腦因而當機。而現代的收發機在發射機輸出線路上,也都設有自動保護功能,一般業餘使用的收發機,射頻輸出口,都是設計有 50 歐姆的負載,不論任何原因,只要收發機輸出負載偏離 50 歐姆太遠,不論是太低或是太高,收發機都會因為偵測線路的回饋作用,而把輸出功率降下來,甚至會跳機 (或說是當機),完全不會有輸出功率。因此,高的駐波比值,也會使發射機的輸出功率下降。


問題出在哪裡

    為了要徹底探討這類天線所衍生出來的問題,以往總是會利用駐波比表來測量,先把各頻率點的駐波比值量出來,然後把這些數值依序畫出曲線來,由這曲線的谷底處,才能很清楚地解讀到天線的共振頻率究竟在哪裡。然後手裡拿著這份得來不易的數據,跑到外頭,爬上天線鐵塔,小心翼翼地調整,希望能夠把最低駐波比的部份移到你想要的工作頻率上頭,當然這只是一種盼望,調整之後,你依然要回到操作桌上來,重劃一次駐波比值曲線,幸運的話,也許可以得到不錯的結果,如果還是不滿意,還得再重來一次,接著可能還會有第三、四次……


像半部網路分析儀

    最近看到 SWR-121 的廣告,這是一部天線專用的分析儀。基本上, SWR-121 的線路結構,射頻訊號是以頻率合成方式產生,整體介面採用微晶片控制,可以說是一部小功率的駐波比電橋,因為使用軟鍵,又有圖示的 LCD 顯示板,所以看起來有點像是半部網路分析儀。它可以在你設定的頻率範圍內,以 5 毫瓦的輸出功率來做點狀掃描,並且把結果以圖表方式,顯示在 LCD 幕,因此在這部天線分析儀上,沒有傳統的駐波比錶表頭、不用記錄紙、或是動用到發射機。


結構堅實

    基本上,SWR-121 的外表結構很堅硬,因為考慮到使用這測量儀器的環境,所以設計時也特別考慮到這個因素。從 SWR-121 的外殼結構來看,當然可以承受出高處掉下的撞擊,不過此機的顯示部份是採用 LCD 幕,又沒有特別的保護措施,因此,使用時還是要特別小心,因為直接撞擊到 LCD 面板的話,很容易弄壞顯示幕。

    SWR-121 的長、寬、高約 8 x 4 x 2 英吋 (約 20 x 10 x 5 公分),足以用單手掌握; 加上電池,整部重量還不足 2 英磅 (約 0.73 公斤)。

    SWR-121HF 使用 M 型座 (又叫 SO-239),安裝在頂端中央。另外也有一個電源插入孔,可以直接外接電源。另外也有一介面埠,可以用來外接個人電腦……


開機保護

    因為是掌上型的測試儀器,而且使用軟鍵開關,因此電源開關就使用傳統的保護方式,也就是要按住電源開關 (ON) 幾秒鐘之後,電源才會打開,這可以防止攜帶或是工作時意外碰到電源開關,而耗盡電源。電源一投入,先會出現製造商 AEA 公司的商標,然後就出現了顯示駐波比值的畫面。


設定中央頻率及頻寬

    在這之後,一切就很簡單了,你可以利用數字按鍵輸入以 KHz 為單位的中央頻率,同時以標有頻寬的上下鍵來設定掃描頻寬。所謂的掃描頻寬,是指在顯示畫面上,水平方向最左邊及最右邊的頻率差,此部駐波比分析儀的掃描頻寬,可以是 0 (要測量單點頻率時使用) 或是 22MHz,而中央頻率永遠是位於顯示畫面水平軸中央處,在那一點上有一小小的凹陷,而中央頻率數值則顯示在水平軸下沿。


顯示掃描結果

    設定完成之後,SWR-121 便開始掃描,完成一次掃描的時間端看所設定的掃描頻寬而定,最長要 9 秒鐘才能掃完,一面掃描,一面把結果顯示在畫面上,顯示的軌跡由左往右跑。而縱軸也就是垂直軸,則代表駐波比值大小,至於縱軸的刻度,可以自行設定或者是由 SWR-121 自動選擇,可以量測的最大駐波比值是 65:1。

    一開始掃描之後,SWR-121 便持續著反覆的動作,不斷地進行測量,除非你按下 HOLD 鍵,或者是你都不去動任何按鍵的話,SWR-121 會在四分鐘之後自動停住。

    不像以往傳統的天線駐波比值分析儀,只能看到單點頻率上的駐波比值,SWR-121 可以顯示出掃描頻寬內的駐波比值曲線。


Fig 01
圖 1: 利用 SWR-121,可以很清楚的看出來這偶極天線在 15 公尺波段及 20 公尺波段的詳細情況;利用 SWR-121 的掃描頻寬,可以很快調整好這只天線的最佳工作頻率點。
Fig 02
圖 2: 如果把掃描頻寬設定大一些,例如 13MHz ~ 22MHz,就可以很清楚地得到調整天線時,每一項動作對這兩波段的影響程度。

測量偶極天線

    我第一次使用 SWR-121,是進行 20 公尺波段及 15 公尺波段並聯在一起的倒 V 型偶極天線,參看圖 1。利用 SWR-121,可以很清楚的看出這天線在 15 公尺波段及 20 公尺波段的詳細情況,利用 SWR-121 的掃描頻寬,很快地可以調整好這只天線的最佳工作頻率點; 如果把掃描頻寬設定大一些,例如 13MHz-22MHz,就可以很清楚地得到調整天線時,每一項動作對這兩波段的影響程度,參看圖 2。

    SWR-121 不僅利用顯示畫面來表示駐波比值,同時也有聲音表示的功能,這對於粗調工作很有幫助,比如可以藉著聲音,在雙手忙碌時,還可以知道往哪個方向移動是正確的,而不必看著顯示畫面。


天線底下直接測量

    更重要的是,這些測量工作可以直接在天線底下進行,只要把饋送線的接頭套上 SWR-121,你再也不必把饋送線拉到操作台上的收發機,然後藉著收發機來測量天線的駐波比值,這在天線底下都可以做,而且直接讀出詳細的駐波比值,也因此,SWR-121 對於那些環境比較特殊,比如很高的鐵塔或不方便接近天線時,更是方便無比。請參看「高塔上使用 SWR-121」一節。


不發出會有射頻干擾的測試訊號

    對於這麼小巧的測量儀器而言,顯示的品質可以算是相當好,尤其是在烈日當空下,這 LCD 顯示板也很好判讀,關於顯示畫面方面,唯一美中不足的地方,就是指示中央頻率的小凹陷點,不容易看出來。關於如何正確地運用 SWR-121 的自動刻度選擇功能,請參看「不再有犯罪情結」一節。


很兇的耗電量

    當電池功率漸弱時,顯示畫面會漸漸變淡。SWR-121 需要八只 3 號電池供電,而且耗電量大,耗罄電池的速度很快,針對這一點,這部天線分析儀也設計有省電模式,也就是按鍵在四分鐘之內沒被動過的話,SWR-121 會自動停止掃描,進入省電模式。如果你要長時間操作 SWR-121,建議使用電源供應器,或者是使用鹼性電池。


反射損失值

    除了可以顯示駐波比值,SWR- 121 也可以顯示反射損失 (RETURN LOSS)。其實,反射損失的大小,完全由饋送線阻抗與負載端阻抗的接近程度來決定的,兩者完全匹配的話,那麼反射損失就是無限大,而如果饋送線是開路或者是短路的話,那麼反射損失就是 0dB。

    雖然駐波比值與反射損失都可以表示匹配程度,但有時因為系統不同或是運用領域不同,就會選擇不同的表示方式; 例如在有線電視系統,習慣上是以反射損失來表示; 而在天線系統,一般是以駐波比值來表示。實際上這兩種不同單位是可以互相轉換的,例如 -16dB 的反射損失,大約相當於 1.2 的駐波比值。更詳細的情形,可以參看 ARRL 的年鑑手冊,在 25 章裡有反射損失的詳細定義,而關於公式及與駐波比值的換算及對照表,參看該手冊第 30 章。

    SWR-121 可以測量輸入的中央頻率點的反射損失,測量結果以 dB 值顯示在顯示幕的右下角。隨機所附的說明書內,有詳細的說明;是同軸電纜饋送線的話,把一端接到 SWR-121 上,另一端保持開路丟著不管就可以了。可測量的反射損失範圍是 0.3dB ~ 50dB 之間。


與個人電腦連線使用

    如果你有一部 IBM 相容個人電腦,透過軟體,你可以遙控操作 SWR-121,同時有一些很好的功能以發揮。選購產品中有 SWR-121 通訊軟體 (SWR.COM),這是適合在 DOS3.1 版之後的 IBM 相容個人電腦上執行的軟體。當然你也可以利用視窗操作,把這軟體當成是 DOS 的應用軟體。

Fig 03
圖 3: 利用電腦操控 SWR-121

    這軟體是利用個人電腦串列埠,以 9600 鮑的速度與 SWR-121 連線,這不是一般電腦串列埠用的連線,因為 SWR-121 採用 3.5mm 的立體插頭。如果購買 SWR.COM 軟體,內附有這一條連接線,這線端分別接到個人電腦的串列埠及 SWR-121 上頭。連上線之後,可以在電腦的按鍵上操作 SWR-121 這連線雖然有可能延伸到幾公尺長,但是你可以像是握在掌上一樣,操作 SWR-121,除了可以操控 SWR-121 外,在個人電腦上更可以顯示出六組駐波比值曲線,參看圖 3。你可以改變掃描頻寬,並且把結果放在隔壁,這就很方便做比較。或者是 調整前後的駐波比值曲線擺在一起,可以互相比較。

    當然你也可以把這些曲線資料以檔案的方式儲存起來,以方便日後做比較。把你的天線系統,詳細的掃描,並且把資料儲存起來,幾個月,甚至是一年之後,可以再作一次掃描,前後資料兩相對照,一眼就可以看出來天線系統的經時變化,或者是警覺出天線系統的部份惡化。

    圖 1、2 是我測量 20 公尺波段偶極天線的檔案,完成了三次不同掃描之後,畫出的駐波比值曲線,按下「列印」功能之後,列表機便可以列印出這樣的圖表;圖示部分是我利用其他軟體處理過的,原程式所取的圖型反白,使用噴墨式列表機列印時太浪費墨水,而且不容易讀),你可以把這份資料歸入通訊記錄簿內,或者向他人說明你的天線系統,也很方便。


不再有犯罪情結

    一般而言,凡業餘無線電家一定知道,為了要詳細測量天線或是要找出駐波比值最低點,而跨越整個波段做咻的發射,是一種很不好的習慣,但是在某種情況下,又不得不這樣做,尤其是自製天線時,往往只是憑著經驗或是公式,共振頻率點有時會有很大的偏差,因此你可能根本不知道這天線的共振點落在哪裡,要是無法掌握到真正的共振點,那根本不可能去修整天線,到底是要縮短呢? 還是加長?

    我不得不承認,有時為了實際需要,我也曾在整個波段內咻地發射,雖然我會選擇在傳播狀況很壞的時段,同時也把發射功率降到最低,低到駐波比錶可以動作為止。已經盡力了,但是心裡頭還是會有做錯事的情結,甚至感覺像是犯了罪一樣。

    一看到市面上有了 SWR-121 出現,初步看了特性規格,我便躍躍欲試,尤其是多年以前,我試製過多波段並聯的雙偶極天線的經驗,當時為了找到真正的共振點,甚至要設法把收發機的發射頻率範圍解開,才能做這方面的試驗。

    我拿到這部 SWR-121 之後,也拿來做 20 公尺波段及 40 公尺波段的並聯天線,一切就緒後,很快地顯示出駐波比值曲線,發現共振頻率與我所設定的頻率偏離了一點點,因此要稍做調整。

    我利用 SWR-121 把天線的共振頻率很快地調到 7.030MHz,然後調整 20 公尺波段的共振頻率到 14.230MHz,不出所料,因為天線是並聯的,因此會相互影響。調整好 20 公尺波段之後,再回到 40 公尺波段,發現共振頻率也偏移了一些。再經過一次調整,天線的共振頻率就落在我想要的頻率上頭,分別是 7.030MHz 及 14.230MHz。

    為了瞭解這部 SWR-121 測量時會不會發出干擾訊號,我就利用一部接收機,把頻率調到 SWR-121 的掃描頻率範圍內,可以隱隱約約地聽到「嘟嘟」的脈衝聲,那情況就有一點類似小啄木鳥聲音。

    這次使用了 SWR-121 之後,感覺美中不足的,就是垂直軸自動刻度的設定很不合理,就拿圖 1 的例子來講,最大的 (滿) 刻度是 3.2 及 2.4,前者的垂直解析度是 0.53 而後者的解析度是 0.4,這兩者的單位刻度再怎麼說,都不好用眼睛計算,當你把水平軸的頻率對過來讀垂直軸的刻度,你必須煞費苦心才能讀出駐波比值,要是有游標可以讀出數值最好,最起碼,刻度的設定也要很合理,也就是說,如果微電腦能把最大刻度設定在 4、7、及 13 等,那麼垂直軸的單位刻度就分別會變成 0.5、1.0、及 2.0。

    總之,利用 SWR-121 調整天線不只快速也很精確,而且以圖示曲線方式測量,也會讓人對測量數據更有信心,也許更重要的是,測量過程不會給你帶來「犯罪情結」。


高塔上使用 SWR-121

    有一次聚會有人提到 80 公尺波段好像是被遺忘了,很難在那波段內碰到國內同好,他也鼓勵大家多在 80 公尺波段上線。這位朋友後來展示了他的 80 公尺波段天線,拿出來一部比手掌大的工具,外表非常迷人。因為有不少人感到興趣,他接上了三波段定向天線,只按了幾個鍵,分別就顯示出這定向天線在 20、15、及 10 公尺波段的駐波比值曲線,不動用到發射機,也不會對別人產生任何干擾。

    後來有位朋友也講述了他使用 SWR-121 的經驗,他說自己的三波段定向天線,總感覺得到有些不對勁,但這天線高高掛在鐵塔上,也就懶得去動它;當有機會借到一部 SWR-121 時,他毫不猶豫地帶著 SWR-121 爬到鐵塔上,直接以短饋送線接到天線,SWR-121 顯示出來的曲線,還是不像三波段定向天線的樣子,問題應該是出在天線本身,他一直希望能抓到毛病所在,免得要把整組天線拆卸下來,那是巨大工程一樁。確定安全帶沒問題之後,鬆開雙手去觸摸天線元件,看看駐波比值曲線有怎麼樣的反應。這時 SWR-121 最迷人的功能之一 ,以音調來警示駐波比值的高低,恰好發揮出,先把 SWR- 121 設定在 21.200MH,上 (中央頻率 21.200MHz,掃描頻寬設定為 0),這樣, SWR-121 就變成一部音示的駐波比錶,因為這聲音的音調是隨著駐波比值的高低變化,因此可以放手專心調整,利用耳朵聽 SWR-121 發出來的聲音,就可以知道駐波比值的變化。一發現到沒有音調變化的情況,這就表示駐波比值沒有變化,也就是說這天線元件開路了,手一摸第二隻元件,果然沒有明顯的音調變化。就這樣,在高塔上找出了天線的問題所在。知道毛病出在哪裡,就好解決了。後來證實 是這根元件的 15 公尺波段的帶陷線圈 (TRAP) 開路了。


自製 BALUN 者的福音

    知道了國內的射頻零件供應情況之後,許多人會打消自製的念頭,比如平衡非平衡轉換器 (BALUN) 用的磁環或是磁棒,供應上大都不知道規格,在連材料都不能把握的情下,如何談得上自製平衡非平衡轉換器呢?

    其實,SWR-121 可以幫得上忙,你可以比較各種不同的磁環材料及繞法,比如設計 2:1 的平衡非平衡轉換器,設計好之後,負載端接上 100 歐姆的碳膜電阻 (為了要有純電阻),另一端接到 SWR-121 上,此時最好有電腦連線,你可以從 1.9MHz 開始掃描,分成六段,到 30MHz 結束,這就可以知道這枚 BAUN 的匹配情況,雖沒有告訴你耐功率的情況,不過這也是 SWR-121 很好的一個應用例子。


結論

    平心而論,針對業餘無線電範疇而言,測量天線駐波比值的工具,除了 SWR-121,目前恐怕無出其右者。以操作方便,品質精湛的測量工具而言,當然得付出比較昂貴的價錢,但是如果對一為喜歡自製及測試天線的業餘家而言,這樣的工具真的確是不可多得。

    對於一些業餘團體,SWR-121 也是添購財產的目標之一,因為可以供給多人使用,而且每次的戶外活動也會用到。如果這工具介紹給一位純脆投入業餘通訊者而言,他一年了不起只有用幾次的機會,這種工具,恐怕很難捨得自掏腰包買下的。 END

感謝潤泰公司借用 SWR-121,此報告才能順利完成。下列新台幣建議售價,也是由潤泰提供:
SWR-121 (HF):NT$18000
SWR-121 (VHF/UHF):NT$18000
SWR.COM軟體:NT$2700
製造商:Advanced Electronic Applications
測試人:林茂榮 BV5OC, P.O.Box 23-575, Changhua, Taiwan

項目 廠 商 標 稱 實 測 值
頻率範圍 1 ~ 31.999 MHz 相符
溫度特性 未定 14MHz 時,室溫下溫機 15 分鐘後,頻率微小飄移不可測
輸出功率 5 mW 3.6mW
供 電 12~16V DC 正常工作:195 mA,凍結掃描:75 mA
尺 寸 長、寬、高約 8 x 4 x 2 英吋 (20 x 10 x 5 公分)。整體加上電池,重量 0.73 公斤
表 1:SWR-121HF 的特性

負載 頻率MHz 駐波比值
50 Ω 3.5
14
28
1.0:1
1.0:1
1.0:1
25 Ω 3.5
14
28
1.9:1
1.8:1
1.8:1
100 Ω 3.5
14
28
2.0:1
1.9:1
1.9:1
50 Ω - j50 Ω 3.5
14
28
2.5:1
2.8:1
2.4:1
50 Ω + j50 Ω 3.5
14
28
2.7:1
2.4:1
2.6:1
表 2:SWR-121 的精確度



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