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低頻實驗無線電台

No.37   1996 Feb.   p76~80,   by 林茂榮 Paul Lin / BV5OC



    1750 公尺波段你曾聽說過嗎?它並非業餘波段,那麼它是屬於那一類性質呢?基本上,我們可以說這是屬於三不管的區域,業務、軍用、與無線電實驗家可以混在一起的波段。

    業餘無線電家可以使用 1750 公尺波段嗎?答案是肯定的,反而對業餘無線電愛好者而言,因為藉著已有的設備及經驗,操作起 1750 公尺波段,應該更為有利。那麼參與 1750 公尺波段活動要有哪些準備呢?其實,所需的設備不多,也無須執照 (指美國現行法規,此地使用 2 公尺波段須有執照,但無照使用者並不少)。

    1750 公尺波段有如新疆般浩瀚原始,也可以把它比喻成沙漠,居民少,極富原始性,又有挑戰性,尤其是對於取得業餘無線電執照無門,又對無線電技藝手癢者,更是一了不起的福音。你一定會問,照這樣說來,1750 公尺波段好像真好,好得像夢幻般,像是不可能存在這真實世界。果真是那麼簡單,那這波段內豈不是充滿著訊號了嗎?一定有某些限制對不對?是的,是有限制存在的。


有那些限制?

    實際上,1750 公尺波段有兩道的主要限制。首先是法規,雖然操作 1750 公尺波段不需業餘無線電信人員執照,但是對設備及訊號方面,卻有嚴格規範:包括饋送線在內,發射天線總長度不得超過 15 公尺;收發機的後級輸入功率不得超過 l 瓦!

    千萬別天真地想,還好嘛!發射天線不得超過 15 公尺,但是拿計算機來按看看,175KHz 換算成波長的話,光是半波長就超過 800 公尺!

    還好這只是發射天線的限制,接收天線可以自由發揮。不過,緊接著的是第二道限制,得先從你的 AM 收音機體會看看,1750 公尺波段的頻率比一般 AM 廣播還低,你聽 AM 廣播時,需可以聽到像爆玉米花的雜音,而實際上在 1750 公尺波段內的雜音會更厲害。一般而言,頻率在 3MHz 以下,頻率越低,雜訊就越大,所以,雜音會是在這波段內活動的很大限制因素。而 1750 公尺波段的頻率範圍是指 160KHz-190KHz 之間,最高的頻率離,AM 廣播的最低頻率還有 345KHz。

    一般說來,由於這頻率上白天雜訊干擾嚴重,所以幾乎無法利用,就算連情況最好的夏天夜晚,可能也都無法順利使用。有人戲稱, 1750 公尺波段是修身養性的好去處,這說法一點也沒錯,因為要在 1750 公尺波段上進行活動,除了好奇心外,必須要具備最好的德性,尤其是耐性,絕不能虎頭蛇尾,否則就會功虧一簧。


LOWFER 是什麼?

    在 1960 年代末期,1750 公尺波段依然有如荒原般,後來有一群無線電愛好者開始在這頻率範圍內進行實驗,這一群人就自稱 LOWFER,所以 LOWFER 可以解釋為「低頻愛好者」,或衍生解釋為「低頻實驗電台」。早期因為長波接收機的性能受限,所以要是能把這長波訊號傳到 20 公里外,便非常高興。而現在,因為技藝精進不少,可以傳送的距離自然遠多了。

    在 1750 公尺波段上,幾乎任何模式都可以使用,沒有人為的限制,然而因為這波段內有很高的背景雜音,加上功率的限制,因而最常用的是 CW,而早期許多 1750 公尺波段的標幟台也是使用 CW 發射。只要不會干擾到他人,當然在 1750 公尺波段,你也可以使用 AM、 FM、甚至 SSB,可以套句流行語:只要你喜歡,有什麼不可以。

    在 1750 公尺波段內,除了可以使用你個人的業餘呼號外,也可以使用其他可供辨認的呼號,例如呼號是 BV5OC,而大多數人對 1750 公尺波段都有一股熱愛,所以常從他們的業餘呼號縮簡而成 1750 公尺波段上的呼號,例如 BVOC,或只叫 OC。


所需的設備

    談到通訊設備,首推收發機。以目前電子零件水準來說,自製 1750 公尺波段收發機應不難。也可以利用現成的設備加上轉換器 (TRANSVERTER) 來使用。除此之外,有許多設備也可以應用,比如收發機的接收頻率範圍已包括 1750 公尺波段,只要製作一部 1750 公尺波段發射機就可以了。

    剛剛提過,1750 公尺波段有很重的雜音,常會影響到通訊,但是目前的數位式濾波器,好像可以比傳統的電子線路更有效地應付雜訊。數位式濾波器是先把聲音由類比 -- 數位轉換器取樣成數據資料,再由微處理很快地做數據運算,把雜訊分離開來,再把結果轉換成類比聲音。我試用過一種數位式濾波器與長波訊號併用,效果不錯,也許日後更理想的數位式濾波器,可以很有效地把 1750 公尺波段雜訊過濾得更徹底。

    目前在 1750 公尺波段活動的電台不多,也許技藝改觀,參與的人也會越來越多,有興趣的朋友不妨加入 LOWFER 行列!下面我們來討論如何自製一部長波收發機。


自製長波收發機

    歷史的是是非非有時很有趣,無線電也不例外。當初開發無線電頻譜時,因為技術限制的關係,加上當時一般以為靠地波傳遞的無線電訊號才管用,超過 2MHz 以上,對通訊或廣播而言便不管用,所以當時根本沒有人要使用 2MHz 以上的頻譜做通訊。直到業餘無線電家發現高頻可以在歐洲與北美之間做通訊,大家才又一窩蜂擠到 2MHz 以上的高頻來。

    早期有一批專門對超長波訊號做實驗的專家,對超長波著了迷。當時也有規畫出一小段頻譜供愛好者實驗,人們稱它為 1750 公尺波段,它的頻率是 160KHz-190KHz 之間。當時對這群人就稱為低頻愛好者 (LOEFERS),在這只有 30KHz 頻寬的領域內,雖然雜音嚴重,又不能使用太大功率,但是依然有人樂此不疲,使用超長波來做通訊。

    下面我們要提出一個超長波 CW 收發機的製作,利用現今高科技的發展與零件簡便的優勢,使這個製作線路簡單化,讓以前接觸過超長波的朋友,能再回味玩賞一番,趁此機會,新加入的朋友也可以把業餘無線電領域再擴充,讓以前曾風靡一時的活動,再活過來。同時,因為波長實在太長了,常會影響超長波活動的關鍵技藝 -- 長波天線,在本文最後也要一併討論。


超長波收發機

    此部超長波收發機所選用的接收線路,與傳統技藝沒有兩樣,只是零件發達了,採用更精簡、更方便的零件。以往超長波接收機是採用再生式檢波,此種技藝不論是靈敏度或穩定性都還算稱職,但是這裡所採用的線路是直接轉換式接收機。射頻前端線路採用契比企夫 (CHEBYCHEV) 帶通濾波器,以去除不必要的訊號。

    在超長波接收機內,最大的困擾之一是有豐富的雜訊,所以接收機線路內,如有兩道雜訊限幅器 (NOISE LIMITER) 線路,可望能有效地減少人為 (QRM) 及自然 (QRN) 的雜訊。

    直接轉換式接收機的選擇性,有賴聲頻線路,因此聲頻濾波器是直接轉換式接收機的重頭戲,這裡也不例外,聲頻濾波器的中央頻率及頻寬都是可調的,有利於在吵雜訊號環境中濾除雜訊,取出想要的訊號。聲頻輸出可以推動耳機,也可以使用喇叭。此接收機完成後,在總增益達 100dB 時,完全聽不到電源交流哼聲。

    本機完全遵照有相關法律規定的國家所定之規定,在美國,使用 1750 公尺波段並不需要持任何執照,它以實驗精神為基礎,任何人都可以使用此波段,唯發射機的輸入功率不得超過 1 瓦,而天線包括饋送線在內不能超過 15 公尺。至於台灣地區也沒有相關規定。

    由於輸入功率只能 1 瓦,通訊模式很自然地就被限制在 CW。要操作 CW,半自動電鍵比較方便,與高頻收發機一樣,電鍵的觸動發射時間延遲可調,以適應不同的敲鍵速度。而工作頻率則利用壓控方式操作。

    雖然製作概念很簡單,可是要在 1750 公尺波段上順利操作,就要整合全部的技巧,尤其是天線。因此這極為簡單又方便的製作,平常可以做幾公里遠的通訊,而情況好的話,也可能通達台灣全島,端看電波的傳導狀況與架設天線的技巧而定。


製作細節

    有些零件就直接焊在零件面上,此面的線路板就是接地,提供許多零件的接地。要記得焊接零件時,兩面都要焊。零件不難辨認,所有電容都是盤狀 (註:陶瓷電容器) 或圓型 (註:電解質電容器),而圓型的電解電容有正負極性之分,要特別注意;電晶體都是半月型,或是圓型有凸狀標示點。

    首先最好先焊 IC,要特別注意有些腳的零件面是要焊接的,單面板難免都有這類麻煩。接下來焊 L1、 L2 及 T1,而開關則必須留在最後,等所有可變電阻都裝妥後,才把這開關裝在線路板的焊接面上。

    圖 1 的輔助低頻濾波器並非必要,不過它可以除去許多發射訊號時所產生的諧波,為了以防萬一,最好還是裝上比較好。T2 使用 T-68-3 磁環繞製,初級用 30 號線繞 93 圈,次級用 25 號線繞 49 圈,繞線時要扎實不亂,完成後要留足夠的長度供焊接,並用砂紙加工漆包線的端點。

Fig 01
圖 2:長波收發機線路圖



校正與調整

    圖 2 是整部收發機的詳細線路 ,並注意下列各點的定義:
A:50 歐姆發射/接收天線端子。
B:CW 電鍵插頭。
COMM:輔助繼電器端子。
D:監視頻率端子。
E:聲頻輸出供放大用。
GND:接地。
JP1:接收輸入選擇。
N/C:輔助繼電器常閉端子。
N/O:輔助繼電器常開端子。
VCC:12-18 伏特。

    VCC 及地端接上 12V 電源,再用計頻儀接上 D 點,並打開收發機, C10 依順時針方向轉到盡頭,然後調整 T1,使計頻儀頻率讀數為 189KHz。如果沒有計頻儀,可以拿長波接收機,或任何可以讀出 189KHz 的接收機代用也可以,再把接收機調到 189KHz,然後調整 T1,直到接收機出現持續的音調。

    接下來要調整預選器,也就是射頻前端濾波器,L1 及 L2 必須細心調整。如果有訊號產生器,調整訊號強度,讓天線端子上的電壓約 0.1 毫伏,讓預選鈕及濾波器鈕都停在 12 點鐘位置,而串列限制及濾波器頻寬鈕,則都要在逆時針方向底端。然後調頻率旋鈕,聽到訊號產生器的聲音後停止,來回調整 L1 及 L2,直到訊號最強為止。

    如果沒有訊號產生器,可以接條長天線找現成的訊號,這可能會比較耗時,一但發現了訊號,就把它當做是訊號產生器的訊號,依上述步驟校正即可。


操作細節

    聲頻線路內有個限制功能,透過音量的調整鈕起作用,這個功能可以使萬一被埋在雜訊堆裡的訊號還有起死回生的機會;我們先用限幅器把雜訊去除掉,再把放大器的增益加大,取出想要的訊號。串列限幅器 (Series Limiter) 可以把並列限幅器 (Shunt Limiter) 未去除乾淨的失真雜訊徹底清除,也可以把音量適度節制在一定的程度。

    至於濾波器的效果,完全可以由中央頻率 (Filter Frequency) 及頻寬 (Bandwidth) 旋鈕來調整。

    雖然聲頻輸出功率夠大,推動喇叭絕不成問題,但是還是盡可能使用耳機。因為直接轉換式接收機在線路上的增益是由聲頻放大獨挑大樑,由於聲頻放大線路增益很大,所以音量一大 (再加大增益),很容易造成放大器振盪。如果採用耳機的話,便可以把增益降低,防止聲頻線路發生振盪。

    直接轉換式接收機還有另一項缺點,就是微動雜音 (Microphonics),這是把機械聲放大後所產生的,這機械聲可能是人為振動,像是扭轉開關等,或是由喇叭聲音回授所引起的,要預防這方面的問題並不難,就好像麥克風不要正對著喇叭一樣;使用喇叭時,不要靠近基座或線路板,以免產生回授。

    此收發機的接收機線路,重要的是它的預選調整,說預選調整可能不容易懂,說是射頻前端調諧線路就很清楚了,其實預選調整就是可變頻率的射頻前端調諧線路。這裡的預選調整線路 Q 值很高,也就是頻率響應曲線很尖銳,這可以只允許頻率不寬的訊號通過。例如,要接收 180KHz 訊號,把中央頻率設定在 179KHz 或 181KHz,那麼你可以收聽到 1KHz 的聲音。至於要選 179KHz 或 181KHz,可以看那個頻率上的雜訊少。

    操作發射機那就更簡單了,首先照例在發射之前先傾聽,這是文明人操作任何無線電的共通法則。當然操作前要先架設好天線。在長波範圍內,天線好像沒有那麼多的選擇,一般是使用垂直共振天線。而選擇呼號也很重要,你可以選擇好用的呼號,一般為了通訊方便,最好不要使用完整的呼號,因為那太冗長了。

    發射時,CW 鍵的延遲時間,可以利用 R30 來調整。另外要遵守規定,輸入功率不能超過 1 瓦,這可以由 R36 把關,你可以安裝 1 毫安培表來監視功率放大線路的電流,但是這類電錶很貴,所以可以拿 VOM (伏歐毫安計) 或 VTVM (真空管伏計) 代用。

    不做通訊時,可以把這發射機拿來做標幟發射台。標幟台不僅有助於低頻愛好者判斷是否可以和你做通訊,還可以提供給對天線實驗與長波傳導有興趣的朋友很大的幫助。要使用本機成為標幟台很簡單,只要以 CW 自動訊息產生器來代替原先的電鍵就可以了。


天線

    供 1750 公尺波段使用的天線,在型式與架設條件有嚴格的規定,美國 FCC 聯邦通訊委員會法規內,明白記載了你的長波天線長度 (包括饋送線) 不能超過 15 公尺。要是你想做短距離的通訊實驗,採用任何天線都可以。

    如果想做長距離通訊,就得選用垂直共振天線,此系統包含在天線底端的負載線圈及良好的接地系統。常用的接地系統是所謂的輻射接地,包括至少八條的 9 公尺以上的輻射接地網,再以四條銅管打入地下完成接地系統。如果架設天線的地面是砂石或乾地,或是把天線架在屋頂上,則應採用虛性共振輻射網 (Counterpoise Resonant Radial System),參看圖 3。負載線圈可以自己繞製,採一段直徑 15 公分的塑膠,使用 18 號漆包線,採取密繞的方式,繞線長 125 公分左右,從底端起十圈當中做些抽頭。

Fig 03
圖 3:典型的長波天線。



總結

    很難一語道盡低頻愛好者的種種,而長波天線和高頻比較,更是特別,也不容易詳細說明,但是相信有了基本常識之後,從實務經驗應該可以學到更多。如果真正有興趣,不妨加入一些長波愛好團體,例如美國長波俱樂部 (The Longwavwe Club of America),出版有 "LOWDOWN",聯絡處是:LWCA, 45 Wildflower Rd, Levittown, PA 19057, U.S.A.

    主要參考資料:

  1. Build Your Own Lowfer Transceiver, by David Curry.
  2. Lowfing on 1750 Meters, by Steve Ford.
  3. Simple Very Low Frequency Recivers, by Joseph J. Carr.
  4. The Taw VLF Converter, PW Nov. 1986, pp 28-29.
  5. The Challenge of 1750 Meters, by David Curry.
  6. Project lnspire: A VLF Space Shuttle Experiment, by Jim Ericson. END



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