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7/10/14/21 MHz 自製垂直天線

No.36   1996 Jan.   p51~59,   by 李錦鴻 VR2GY, G.P.O. Box 73328 Kowloon HongKong



Pic 5

    40 米波的 7MHz 業餘波段雖然雜聲較多,但日間在 500 公里內作 SSB 通訊或 1000 公里內的 CW 聯絡是很有保證的;而到了夜間,更能呼叫到很多 DX 訊號,所以 7MHz 和 21MHz 波段是僅次於 14MHz 而成為全世界業餘愛好者最常用的波段。

    其實如果不是 7MHZ 的頻帶比 21MHz 窄了許多 (7100-7000=100K, 21450-21000=450KHz),則 7MHz 就不會那麼嘈吵而此 21MHz 更受歡迎。

    單波段的天線與多波段天線相比,由於不需加入 TRAP COIL,因而輻射效率較佳,且容易自製,筆者的 14、21 及 28MHz 天線都是可旋轉的單頻八木天線,但如此一來,天台剩餘的空間就不多了,無法再容納 7MHz 的 DIPOLE 天線,YAGI 就更加不敢想像了。

    在各種天線中,垂直天線最節省位置,雖然它的噪音比水平天線大,但在客觀環境影響下,就別無選擇。最短的諧振天線是約 1/4 波長的 GP 天線,它在 7MHz 時的長度亦需 10 公尺,這個高度的垂直天線稍為想一想就有點害怕,因為在刮大北風的冬季和颱風肆虐的時候,天線倒下來可不是開玩笑的。

    由於 5 米高的 14MHz 垂直天線已經做過幾根,機械強度尚佳,能抵受颱風吹襲,因此便決定採用 5 米長度做 7MHz 垂直天線,但因不能自行諧振,所以要加入負載線圈,以增加其電氣長度。實際製作時,用 1mm 直徑漆包線,在 1 吋直徑環氧樹脂管上繞 30 圈左右,作為中間負載,完成後測試其性能及 SWR 尚稱滿意,由於有 5 米高,所以比 CP6 及 R7 等天線在 7MHz 時有更佳表現,至此以為大功告成,但在實際應用上,卻出現了另一問題……

    眾所周知,7MHz 上強台林立,這樣就唯有加入大烏龜才能有一立足之地,而筆者較常使用 CW,上線操作 1 小時後,發現 SWR 嚴重劣化,只好立刻關機檢查,發覺負載線圈已被燒斷完全變黑,表示線圈的線徑不夠粗,唯有改用 2mm 漆包線重新繞製,繞好後再 ON AIR,情況已有改善,用了幾天都 OK,又可能並非長時間 QRO 或用 CW 所致。不過約 10 天後,SWR 又逐漸變壞,剛巧又連續下雨,不方便檢查天線,為免燒燬真空管,所以唯有加入 ATU 天線調諧器來做「替死鬼」,但不一會,天線調諧器已經發高熱且有焦味,到此地步,只好關機或 QSY 到 14、21MHz。天晴後把天線放下檢查,發覺這次負載線圈雖然有變黑及漆皮部份脫落,但仍未燒斷,只不過環氧樹脂管已被燒焦碳化,難怪 SWR 變壞。

    心想,以前用 730V 的 V 型 DIPOLE 天線在 7MHz 時,即使 QRO 到 2KW 都能應付,為什麼自作派的線圈會這麼不濟呢?好奇心驅使下細看 730V 的 TRAP COIL,發覺線徑亦不太大,只發覺支持的塑料管有些異於常見的塑料,於是就用電烙鐵去試烙一下,果然是耐高溫的塑料,有可能是號稱塑料王之聚四氟乙烯(不能肯定),難怪 730V 的功率容量這麼高。

    在這裡附帶說明為什麼許多天線廣告都標榜不含 TRAP COIL 的原因。根據能量守恆定律,熱能不會無端端產生的,它是由高頻電能轉變而來,線圈愈熱,消耗高頻能量愈多,餘下輻射到空中的電波就愈少了,這亦是筆者不喜歡在天線加入線圈的原因。不要以為多波段天線含有眾多 TRAP COIL,賣相十分漂亮,實質效果絕對比不上單波段天線。

    事情到了這個地步,如果繼績要使用這根 5 米高的 7MHz 垂直天線,看來只有三個辦法:一、將中間負載線圈改為底部負載線圈;二、取消所有負載線圈,改用 ATU 調到 7MHz 去;三、不用線圈及 ATU,把天線增高至 10 米左右。

    這三個方法各有特點:一、線圈放在底部時,無需顧慮機械結構及風阻,就可以用粗銅線繞成空心線圈,並可多繞幾圈及抽頭,以便用在 3.5 及 10MHz 上,但輻射效率會比中間負載稍低。二、用 ATU 調節是最簡單方法,但效率更低,而因為很多高頻電能損耗在 ATU 上,所以它的功率容量要大。三、增高天線長度到 10 米時,效果最好,但結構最傷腦筋,而且找不到參考資料。經多番考慮及初步測量尺寸後,決定先試試第三方案,實在不行時就用第一辦法,而 ATU 則作為最後一招使用。

    10 米高的鐵塔,在歐美日地區,小兒科而已,可說完全沒有問題,但港人大多居住於多層公寓式大廈,面積又細小(價錢卻比外國的獨立式花園華廈更貴),筆者已經稍為幸運,有一個私用的小型天台可供使用。但 10 米高的天線安裝,依然要顧及重量、安全、颱風、鄰居意見等等。

Fig 1
Fig 2

    在初步理順各點後,便要考慮天線的 (1) 實際結構,(2) 材料選擇,(3) 施工方法及 (4) 以後維修的問題。特別是後兩點,筆者發覺,市售的商品天線因為從歐美日的市場考慮,材料的確很堅固耐用,但重量往往是一大障礙,要合數人之力才可架設,而對施工場地需求也較大,因此有很多 OM 在安裝天線時,開始的第一步很容易找到數位朋友幫手去搞(假設施工面積夠大),一鼓作氣的把天線豎起來,很快便可上線 ON AlR;如果 SWR 不佳時,亦可合數人之力立刻改善,往後就可有一段或長或短的快活 QSO 日子了。但眾所周知,架設天線很少會全無意外而一勞永逸的,越多波段的天線,越多線圈的天線,往往越快出現問題,如螺絲鬆脫使長度移位、金屬與塑料接駁部份入水、颱風吹脫某個單元、電纜外皮刮破而入水,甚至整根天線倒下等,有時更出現很多難以解釋的奇難雜症。

    總而言之,必有需要把天線放下來維修檢查就是了。到這個時候,再要召集兵馬就有點為難了,但要命的是,上述情況亦不是一次就能解決的,如果出現數次故障,往往就很難開口去請義勇軍了。小毛病的還可用 ATU 調節,勉強呼叫鄰近的日韓地區過過癮,遇到重症時,往往只能與方圓數里的 LOCAL 電台聊天,使 DX 天空中又消失一個 CALLSlGN。

    上述因素,亦是促使筆者要自行製作所有常用天線的原因,把每根天線都做到質輕且易維修調整,當然大前提要保證質量和效果要有合理的水準才可。

    一般的鐵塔都是以上小下大的形式來減輕重量、成本及風阻,但在自行製作時,這些工藝就較難解決了,現在向大家介紹的方法是採用方形鋁管去做四條距離上下都一樣的鋁架組成,這樣各立體交叉點都會是 90°,其準確性就較易掌握了。結構示意圖如圖 1。

    為了減輕重量及風阻,4 支 6 分鋁方通在 10 呎長度後,改用 3 支繼續向上伸展,再高到 18 呎左右,又改為 2 支邊長 5 分的鋁方通向上延長至 25 呎,至此餘下的8 呎左右則用一根 4 呎的 4 分鋁方通及一條 4 呎的 3 分圓鋁通組成,這樣總長度就約為 33~34 呎,剛好諧振在 7MHz 上。

    當在考慮各個環節的尺寸時,電光火石之間,發覺與 21MHz、 14MHz、10MHz 的 1/4波長很接近,因為它們分別是約 11 呎、17 呎和 25 呎,如果適當遷就一下尺寸,同時將各條鋁通都用絕緣物料支持,則極有可能諧振在 4 個波段上。筆者孤陋寡聞,書讀不多,實在找不到類似的參考資料,上述設想,的確是沒有把握的,但正如有些學者說:實踐是檢驗理論的最佳方法。於是就先用剩餘物質分別做了兩枝獨立的14MHz 和 21MHz 垂直天線,當調整到工作完全正常後,便用環氧樹脂板把兩根天線固定起來,相距約 7 吋,而底部連接起來,再加上 10 呎和 17 呎軟電線做地網,用 RG8-U 電纜接到收發機上去,如圖 2。經初步測試後,果然能工作在 14 和 21MHz 波段,只是諧振點偏低,SWR 亦稍劣,於是適當減少兩條天線長度,又調整一下地網,諧振頻率和 SWR 都正常了。經此初步試驗後,就有信心去購買各種材料繼續搞下去。

    這根天線最後的重量約 12 公斤,並不算重,但由於高度超過 10 米,如果沒有好方法,即使在完全無風的環境,單憑個人力量是無法從地上的水平置放狀態而豎高成垂直狀態的。筆者從以前安裝商用 VHF/UHF 天線的方法中借鑒,試驗出下列的方法,只要小心從事,一個人也可升起和降低這根 10 米高天線。當然,為安全考量,在升降天線時,應請一兩位大漢在旁監視(動手與否,悉聽尊便)。


起落架的製作

    10 米高天線之所以可能較易升降,是由於它是裝在一個如圖 3 示意的起落架上;圖4 則為頂視圖。

    一般天台的欄杆,多是用圓鐵管燒焊組成的,但由於筆者早就預算安裝各種天線,所以就改用方形角鐵燒銲,這對以後的天線架設帶來了較佳的條件。

    首先要準備:

1. 4 吋長的寸半角鐵 4 條。

2. 1 吋二分內徑鐵水管約 4 呎長。

3. Ω形喉夾 3 個。

4. 1 寸厚的 8 吋 x 12 吋電木板 1 塊,另 8 x 8 吋兩塊。

5. 2 分半螺絲及分半螺絲若干。

    先在 4 根角鐵和寸二水喉鐵上,用二分七五鑽嘴打孔,以方便用二分半螺絲上緊,其鑽孔位置可參考各照片 (太詳細尺寸是沒有意思的,因為大家的施工條件及境環是不可能一樣,下同)。鑽孔後,不可立刻把 4 條角鐵燒焊在欄杆上,而應先把 4 條角鐵和寸三喉管用 2 分半螺絲上緊來定位,以免焊後各孔對不上。但由於 1 寸二分水喉在以後會經常起落,因此要像圖 5 示意,在角鐵與水喉間先加入一個 2 分半絲母來預留以後的空間。

Fig 3
Fig 4

Pic 1 Fig 5
Fig 6

    接著將圖 5 中的 4 條角鐵旋轉 90°,用燒焊的方法(千萬不要鑽孔用螺絲上緊),如圖 6 示意,把 4 條角鐵熔合在鐵欄杆上,燒焊完成後,原來圖 5 的兩個臨時加入之 2 分半絲母,便可除去,這時如果把 A 螺絲去掉,則寸二喉鐵便可很輕鬆上下移動(以 B 螺絲為軸心),但是往往有這種情況,當喉管下放到約 45 時,會頂著鐵欄杆的角鐵,這時只要把喉管鋸去小部分即可 (照片 1)。

    寸二鐵的頂部繼續要裝上三塊 1 寸厚的電木板來支持整根天線,並且使之與鐵喉成絕緣狀態。這根天線在 94 年春季建成,經年多的風吹雨打及曝曬,三塊電木板已出現輕微裂痕,問題仍未嚴重,各位 OM 如果仿製,最好改用環氧樹脂及塑料板代替。

    三槐電木板中 10x12 吋最大的一塊,用Ω形夾具通過分半螺絲上緊在寸二喉管頂部,同樣的,最好在電木板上攻出分半的螺絲紋配合分半螺絲;採用螺絲母則為下下策,因為經多次風吹搖擺之後,螺絲母一定會鬆脫。至於兩塊 8x8 吋電木板,則用來固定 4 條 6 分鋁方通,安裝法可參考各照片及圖 7,亦可按照實際情形適當處理。


天線材料

一、6 分鋁方通,原長 20 呎,共 3 支,其中 2 支請店家鋸成 5 呎長共 4 支,另一支分成二等分,即 6 呎 7 吋長 3 支。電鋸裁切雖有損耗,相差少許並不會有所影響。相信在香港以外的地區,原長 6 公尺(約 19 呎 8 吋)的鋁通,相差亦不大,照等分裁切即可。

二、5 分鋁方通 1 支,鋸成 6 呎 1 支、7 呎 1 支及 1 呎 7 支,餘下備用。

三、4 分鋁方通 6 呎 1 支。

四、3 分鋁方通 6 呎 1 支。

五、0.5 吋厚、寸半高及 8 寸長的膠板或電木板共 18 件。

六、2 分尼龍繩約 150~200 呎。

Pic 4

    上述的 3 分及 4 分鋁通,相信店家很難會小量供應,但由於這兩個尺寸的鋁通,無論 HF、VHF 及 UHF 天線都可製作,價錢不貴,倒不如整根買回來,留待以後使用。

    由於電木板較重,故第五項的絕緣板如能找到塑料板(帶軟性的而非壓克力原料那種),則以塑料板為宜,況且電木板在吸附雜物後(曾見過鳥糞,蜂巢等),絕緣度比塑料差,而垂直天線通常越離開饋電點,阻抗便越高,隨著的高頻電壓亦高,故此絕緣板以塑料板為宜,以減少以後的高頻損耗。

    另外,各種工具如電鑽、鑽嘴、螺絲要準備妥當。分半和二分半的英制螺絲可用 5mm 和 8mm 螺絲代用,後者的螺絲紋較密,效果更佳,但最好用不袗的,銅質稍差;絕對不可使用鐵質的,否則定會後悔。


天線組裝

    如果我們的 QTH 有一場地達到 12 米寬以上,並有電源及照明裝置,裝製起來就十分方便,不消幾個晚上就可完工了,但相信大多數人都沒有這個條件,因此,現在介紹採用分段接駁的加工方法,場地問題就較易解決。

  1. 圖 7 中已詳列出最底下之 4 支 5 呎長的 6 分鋁方通與三塊電木板及寸三喉鐵的加工細則,配合各張照片,讀者一看就可明白。當完成這部分後,用油性簽字筆將鋁通和電木板的接點記下符號,便可將Ω夾具鬆脫,把 4 根鋁通拆下。如施工場所的確狹窄困難,方可把所有鋁通和電木板完全分離加工,但各個接點符號一定要記得詳細,不然再裝崁時就麻煩了。
    Fig 7 Fig 8

    最底下 8 根 6 分鋁通的 4 個接口,都用 5 分 1 呎長的鋁方通來接駁,詳見圖 8,這裡有一特點,就是 5 分與 6 分鋁通的接駁時是先行鑽分二五孔,再攻分半螺絲紋,然後用分螺絲上緊,而不是鑽分七五孔再用分半螺絲及絲母上緊的方法。原因是鋁的表層通常都經陽極氧化處理,所以表面是絕緣的,攻出螺絲紋再上螺絲時,其電氣接觸就有較佳保證,但這樣就得要求加工仔細,同時,地面 (或樓面) 要較為平坦。

    由於 6 分及 5 分鋁通的厚度通常只有 0.5mm 左右,稍嫌不足,所以最後仍要加入螺絲母以保證機械強度,但絲母為什麼要兩個呢?原因是使它們互相壓迫,不易因振盪而鬆脫。

  2. 當 8 條 5 呎長的 6 分鋁通接駁成 4 條 10 呎長鋁通後,還要利用天線材料第五項之膠板,把它們絕緣固定起來,詳情可參考圖 9。

  3. 4 根 10 呎長的鋁通頂部,由於有一根用於 21MHz 而無須再加長,所以跟著只有三根 6 分鋁方通,每條長 6 呎 7 吋,它們與圖 8 的方法一樣,利用 5 分通接駁四根鋁通中餘下之 3 根,這時總長度便超過 16 呎 7 吋,而這個長度已經可以自然諧振在 14MHz 上了。
    Fig 9 Fig 10

  4. 在 3 根 16 呎 7 吋的 6 分鋁通之上,是兩根 6 呎及 7 呎之鋁通,經接駁後分別長 22 呎 6 吋及 23 呎 6 吋,後者可自然諧振在 10MHz 上。接法請參考圖 8、9、10 及照片。

  5. 五、在 22 呎 6 吋的 5 分鋁管上,是一根 6 呎的 4 分鋁通,再加一條 3 分鋁通,由於這兩根鋁通口徑能互相套入,接駁方法如圖 10。全部接駁完成後,總長度超過 34 呎,可自然諧振在 7MHz 上。
Pic 2 Pic 3



Fig 11
Fig 12

天線的升降方法

    將所有鋁通都接駁好後(要在現場接駁),便可上緊在三塊電木板上,這時總長度高達 38 呎 (34+4),極有可能有部分天線突出於天台平面外,所以要小心施工。這時用三根 20 呎長的尼龍繩縛緊在離天台面約 14~15 呎高的膠板上,再用 3 根 3 呎長尼龍繩縛緊在高度 26 呎的膠板上。這時應先約定一兩位朋友在旁觀察,不一定要動手。

    跟著穿入底部螺絲,並旋入螺絲母,再預備一張凳子,離天線底部約 10~15 呎的地方,這時,單手就可提起天線,並用另一手把凳子移入,撐起天線,這個步驟的目的是要測試天線初步提升時的難度,並把 6 根尼龍繩理好,不致互相纏繞或牽動附雜物,否則到下一步繼績升高天線時,才發覺尼龍繩纏著其他東西而受阻,就會陷入進退兩難的局面 (假設沒有旁人幫助),參考圖 11。

    接著,無需作深呼吸,就可如圖 12 所示,慢慢將天線升起,升起的過程不要太急,如發覺有阻滯時,如尼龍繩為雜物所纏、鐵喉管頂著欄杆、自己前面有東西阻擋不能向前移動等,可慢慢將天線放下,同樣用凳子撐起,排除各種問題後,則又可再把天線升高。

    當天線升高到與地面成 45°至 70°左右時,是最困難的情況,事先一定要清理現場;過了 70°後,就會較輕鬆了。當天線完成升高到 90°後,就要立刻穿入圖 6 的 A 螺絲,並用絲母收緊,這時如果不刮大風的話 (風太大時不要動工),可不必拉緊 6 根尼龍繩,而先進行電氣測試。最底的 4 根鋁通,事先要鑽 7 厘半孔,再攻 1 分螺紋,然後用 l 分銅螺絲把接線再上緊,再作軟性粗銅連接在一起,這點就可接同軸電纜的蕊線。

    至於地網方面,筆者原先是用 4 根分別為 34 呎、23 呎、17 呎和 11 呎長的軟電線接電纜的網線,另外四端空接。

    在測試時,由於本天線用鋁管組成,還粗於一般拉線 DIPOLE 及各種垂直天線的TRAP 線圈線徑,故頻寬較闊,7MHz 和 10MHz 都超過 500KHz,而 14MHz 和 21MHz更大於 1MHz,SWR 亦普遍優於 1:1.5;加上無任何線圈,所以電氣測試很容易過關。如果的確出現諧振點偏離工作點較遠時,當然可以把天線放下,改變相關振子的長度來調節,但亦可調節相關的地網長度,使諧振點稍作改變。

    調整完成後,便可把 6 根尼龍繩,各成 120°拉緊繫於附近的堅固物體,這樣比較安全。

末語

    筆者當初的設想是,當颱風吹襲時,可以把這組天線放下,但放下前由於要先把 VHF及 HF 的八木天線移開,十分麻煩,於是在第一個颱風到來時就試試考驗一下,結果亦能安然渡過,至 95 年 10 月為止,已經歷數個颱風犯港,幸仍力保不失,不過各根尼龍繩及電木板已呈老化,雖然仍未算嚴重,但有空時就打算更換。

    本組天線雖然有 4 個波段,但最常用的是 7MHz 和 10MHz (因為 14MHz 和 21MHz有八木天線可用),其中 7MHz 的性能是較理想的,呼叫廣州的電台及各 BV 電台,經常都有 59 plus 的訊號,晚上在 7.005MHz 的 CW,經常都可通到北美各台,鄰近的日韓電台,則俯拾皆是。

    雖然未經全部逐一比較,但筆者相信本天線在 7MHz 的表現,可勝於市售的任何垂直天線。歡迎各位 OM 來信指正。 END



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