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自製四波段垂直天線

No.37   1996 Feb.   p64~67,   by 王傳善 / BA1SS



Fig 00

    我原來使用一副兩波段的並聯半波 DIPOLE 天線,安裝在高樓頂上,效果還比較滿意。但長久用下來發現有兩個缺點:由於水平 DIPOLE 天線本身輻射特性的決定,其端點指向的增益很低;另外,由於這副天線具體安裝環境的影響,垂直輻射角向南方較低,而向北方偏高 (因為天線北側是一大片鋼筋混凝土樓頂)。因此,考慮另外設計安裝一副多波段垂直天線,取其水平各向均勻,而且輻射角較低,有利於 DX 通信。

    初始時設計的是半個波長的垂直天線,但後來發現四個波段 (14、18、21 及 28MHz) 的半波長天線太長,把縮短因素都考慮進去之後,仍然有五米以上的長度,而我所用的管子材料太細,架在高樓頂上時,因為高處風太大 (地面八級風時,高樓頂上幾乎到達十級風力),怕強度受不了,所以又修改成四分之一波長的天線,最後製成的天線只有三米高,用四根地網線。使用效果很好,確實得到了輻射角低,方向性均勻的目的,在多數情況下,增益高於原來的水平半波長 DIPOLE 天線。現把這天線的具體情況介紹給各位:


Fig 01
圖一:天線整體結構。

天線的結構

    天線由 18mm 外徑的玻璃鋼管分段聯接而成,管子內部穿有由三股 1mm 直徑銅線絞成的輻射導體。四個波段分別由三個 TRAP 線圈分隔開來。玻璃鋼桿的管壁上在適當位置鑽有小孔,將銅線導體從小孔中穿出,和 TRAP 的兩端銲接。

    因為 28MHz 十米波段頻寬較寬,從 28.0~29.7MHz 有 1.7MHz 的帶寬,帶寬和中心頻率之比Δf/f0= 1.7/28.8=5.9%,若要保證整個頻段中 SWR 值不超過希望限值 (例如 2.0),則要設法降低天線的 Q 值。因此,設計時在 28MHz 波段天線的頂端有電容帽 (CAP HAT) 加載,既降低這個頻段天線 Q 值,又縮短了天線長度。這個電容帽我實際上用的是一個裝巧克力糖的金屬盒子蓋,面積為 450 cm2

    本組天線的整個結構和尺寸見附圖一。天線全長為 3.10m。全部校準銲接完成後,用環氧樹脂把外表塗刷一遍,以增加絕緣並防止袘k。


TRAP 的製作

Fig 02
圖二:把輸出功率調到最小 (10W 以下),輸出端通過一個 20KΩ碳膜電阻接到 TRAP,再以 RF METER 或自製的高頻頭加萬用表來測量 TRAP 兩端電壓,發射機頻率設置在所需的諧振頻率,調整 TRAP 到兩端電壓最大為止。

    三個 TRAP 線圈都是用 5mm 外徑的 500 同軸電纜繞在 25mm 外徑的玻璃鋼短管上,管子的內徑為 20mm,比天線本體管子略粗,正好可以套在上面移動,調整到所需要的位置。

    線圈緊密並繞,視頻率不同約分別繞 7-10 圈,利用同軸電纜本身的電容和電感諧振,調整到所需的頻率。具體的繞製方法可以參考 1994 年 6 月 CQ-18 的 P.84-P.85。

    線圈初步繞好之後,用 DIP METER 幫助校正其諧振頻率,分別調整到:
    TRAP 1 : 28.8MHz
    TRAP 2 : 21.2MHz
    TRAP 3 : 18.1MHz

    若是手頭沒有 DIP METER,可以用發射機調試;把輸出功率調到最小 (10W 以下),輸出端通過一個 2OKΩ碳膜電阻接到 TRAP,如圖二,用 RF METER 或自製的高頻頭加萬用表來測量 TRAP 兩端電壓。發射機頻率設置在所需的諧振頻率,調整 TRAP 到兩端電壓最大為止。TRAP 調整好之後,用環氧樹脂塗佈封好,套到天線桿上去,和天線導體銅線銲接。


天線導體長度的決定

    這組天線雖然是四分之一波長的電氣長度,但是由於 TRAP 的電感影響以及電容帽加載的結果,其真正的物理長度遠短於一般未加載的四分之一波長天線。雖然可以從理論上加以計算,但相當繁複,而且也不精確,還不如由下列實驗來確定:

第一步:實驗確定 28MHz 波段的長度 L1

Fig 03
圖三:地網線的連接。

把這一段的結構,包括 TRAP 和 CAP.HAT 在內都組裝好。L1 長度未定,可以暫設比四分之一波長 (即:300/28.8*0.25) 略短一點的導線,所以先用 2.5m 長的銅線,將 50Ω同軸電纜接好,和發射機相連,並接上一根地網線 G1 (參見附圖三), G1 用四分之一波長 (即 2.51m) 的裸銅線,不必拉很直,和天線角度沒有很大關係。發射機調在 28.8MHz (該頻段的中心頻率),用小功率輸出。調整 L1 長度,使 SWR 值最小;在我使用的 TRAP 及 CAP.HAT 的具體情況下,找到 L1 的長度約為 1.76m。這個調試工作可以在室內進行,將來全部完成之後 ,可以再在室外作最後的精細調整,變化並不很大。

第二步:確定 21MHz 波段的增加長度 L2

在完成第一步的基礎上,加上一段銅線,暫取 0.8m 長度,並且加上 TRAP 2。這時,增加一根地網線 G2,其長度為中心頻率的四分之一波長,即 3.538m,按照第一步同樣的辦法調整 L2,使 SWR 最小;在我使用的元件數值情況下,L2 約為 0.62m,這步完成之後,應再檢查一下 28MHz 的諧振情況,因為加上 L2 及 TRAP 2 之後,有可能對 28MHz 波段有影響,必要時可以反覆調整一次。

第三步:確定 18MHz 波段的增加長度 L3

第四步:確定 14MHz 段的增加長度 L4

方法和第二步完全一樣,僅只是諧振頻率改成 18.1MHz 和 14.2MHz,而新增加的地網線 G3 及 G4 長度分別為 4.14m 和 5.28m。結果在我具體使用的情況時得到 L3= 0.23m, L4=0.4m。特別說明的是, L1-L4 的長度和製作的 TRAP 的具體參數很有關係,各人試製時求得的結果會很不相同的。


地網線置換和最後調整

    前面說到在確定天線長度時接的四根地網線都用的是裸銅線,這是因為不必考慮速度係數,易於計算其需要的物理長度。在最後安裝時,為了增加絕緣和防止氧化,我改用塑料絕緣電線代替,使用的是家庭用的塑料電源線。因為不知道電線的速度係數,所以也是用試驗來決定長度。

    辦法是維持原來已取得的結果不變,先試用一根塑料電線取代 G1 的裸銅線,調整這段電線的長度,使得仍在原 28.8MHz 諧振頻率時有最低的 SWR。同樣辦法來確定 G2、G3、G4 所需塑料電線的長度;經試驗發現,我所用的塑料電線的速度係數為 0.8,也就是說,用塑料電線代替裸銅線時,長度可以縮到 80%。天線在實地安裝以後,這四根塑料地網線因有絕緣,不怕互相短路,也不怕和其他物體短路。

    我將 G1 及 G3 兩根線捆在一起,G2 及 G4 捆在一起,分別放置在天線的左右兩側,位置和角度都沒有明顯關係,也不必要拉很直。

    理論上說,使用一根地網輻射線 (對一個頻段來說),天線輻射方向圖會有畸變,方向不均勻。但是像我這樣安排四根地網輻射線之後,沒有發現明顯的不均勻性,可能互相有補償作用。

    天線安裝完畢之後,原來設定的各頻段中心諧振頻率可能會有變化,這時,可以略為調整相對應頻段地網輻射線的長度,就可以移動該諧振頻率到所需值。


天線輸入阻抗和 SWR

    四分之一波長的垂直天線輸入阻抗低於 50Ω,而且和地網線與天線的夾角,以及天線底部離地面 (或屋頂鋼筋混凝土樓板) 的高度有關,約在 30~50Ω之間。若要使之和 50Ω同軸電纜完全匹配,最好用阻抗匹配變壓器 (BALUN),但因為差別並不很大,為簡便起見,便省去了,直接把電纜接到天線輸入端,效果也很好,SWR 在絕大部份頻率時,都在 1.5 以下,見附圖四。即使在 28MHz 波段,特性也是相當平坦的,達到原來設計的要求。

Fig 04
圖四:SWR 特性曲線。



實際使用

    這根天線安裝在樓頂上後 (見附照),兩個月內承受過北京兩次八級大風的考驗,使用效果相當滿意,和原來使用的水平 DIPOLE 天線比較,在接收 DX 時,普遍信號強度提高,曾經多次用 14.100MHz CW 國際信標的信號比較,新天線收到的信號均比原有 DIPOLE 高出 2~3dB。接收東京 JA2IGY 和南美阿根廷 LU4AA 的信號時,竟然高出 6~10dB,可能是因為 DIPOLE 的端點指向東南兩增益降低的緣故。

    18MHz 和 28MHz 兩個波段沒有辦法和原有的 DIPOLE 比較 (因為這兩波段的 DIPOLE 已拆掉),但和 DX 通聯的成績也很好。在 18MHz 段,JA7JH 會給我 59+10dB 的報告,而意大利和西班牙的 OM 也都曾給過我 58, 59 的信號報告。

    天線裝好之後已近冬季,28MHz 波段很難通 DX,但是有一次在 29.6MHz 和台灣 BV6FP 通聯時,得到 59+10dB 的信號報告。雖說主要是老天幫忙,但多少也說明了這天線在 18MHz 和 28MHz 波段性能還是良好的。

    在 14MHz 波段國內通聯時,兩根天線差別不多,大體上相當,但是對某些方向,則垂直天線輻射均勻的特點就很明顯了。

    最後,有一點小建議:若有朋友也想試製,不妨用竹竿代替玻璃鋼管。我原也想用竹竿,但這東西在中國北方不好買,而且乾燥易裂,在南方就好辦了。另外,若是不需要 28MHz 波段這麼寬,或容許 SWR 值變化大一些時,可以把 CAP. HAT 取消,結構可以簡單一些,但 L1 的長度也要略增加一點。祝各位試製成功。 END



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