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需要配備天線調諧器嗎?

No.40   1996 May.   p64~68,   by 林茂榮 Paul Lin, BV5OC, P.O. Box 23-575 Changhua



    所謂的「天線調諧器」 (ANTENNA TUNER),其實是一種錯誤的稱呼,至少與事實不相符合。天線調諧器聽起來好像是可以用來「調諧」天線,就好像是環型天線內的電容,可以調整天線的共振頻率一樣。應該叫做「天線匹配器」

    實際上,天線調諧器應該叫做「天線匹配器」才對,它是一種介於發射機與天線系統之間的匹配器,可以讓發射機往外看時,會有 50 歐姆的阻抗負載,這樣可以讓發射機有全額的輸出功率,也可以保護發射機;至於天線的效率,則完全不受天線調諧器的影響。所以說,使用「天線調諧器」是一種錯誤的稱呼,因為它完全與天線無關。但是為了從俗,下面要討論的主題,是有關天線匹配器,既然一般都稱呼它為天線調諧器,因此下面也就使用「天線調諧器」這個稱呼。而在中國大陸上,對於天線調諧器,一般的口語就叫做「天調」。

    下面要討論的是天線調諧器的基本原理、使用時機、不該使用的時機,選購上的某些細節、以及使用上的一些注意事項。


發射機與天線不能協調時

    每只天線都有以阻抗來表示的自然特性,這就像是你使用的同軸電纜饋送線,有阻抗特性一樣。

    「阻抗」一詞聽來好像很複雜,不像是所謂的電阻那麼單純,的確,所謂的阻抗,就是包括有出電感因素形成的「感抗」,電容因素形成的「容抗」,還有單純的「電阻」。不過有關「阻抗」最好還是就此打住,不要再詳細討論了,因為我們是要談論天線調諧器實務,而不是電學課或是學術論文。

    我們可以把「阻抗」看成是對射頻 (交流) 電流在線路裡的一種阻力,而收發機就是產生射頻電流的地方,至於包括饋送線在內的天線就是所謂的「線路」。


影響天線系統阻抗的一般因素

    天線系統的阻抗大小,自受到許多因素的影響,包括有天線長度、工作頻率、天線架設離地高度、天線附近物體的相互影響、甚至是氣候的變化等。至於饋送線的阻抗大小,則與製造的格式有關,例如同軸饋送線常見約有 75 及 50 歐姆,而扁平的或開放式的饋送線,則有 300、450、或是 600 歐姆等幾種。


天線饋送線的角色

    一般人對於饋送線的想法是,它把收發機與天線連在一定,如此而已;實際上,饋送線可以看成是一種在系統內的阻抗變壓器,因為天線的阻抗是透過饋送線之後,才被收發機「看」到的,而這種包括饋送線在內的天線系統阻抗,就是收發機輸出射頻能量的負載,就好像是電池接上一只燈泡,燈泡便成為電池的負載一樣。


50 歐姆負載真好

    大多數的收發機設計是採用 50 歐姆為標準負載,如果你的收發機看到了 50 歐姆或是接近 50 歐姆時,那麼就會顯得優裕快活,此時不論是壓下麥克風發射,或是敲下鍵發出 CW,抑或是透過電腦操作數據通訊,真是無往不利。


離 50 歐姆太遠的負載產生大駐波

    可是,如果負載不是 50 歐姆,會發生怎麼樣的狀況呢?這就是所謂的「不匹配」。如果有不匹配的情況,發射機輸出的射頻功率就會有一部份被天線系統反射回來,反射的功率還是由饋送線回到收發機來,而這些反射功率又會被收發機反射回天線,於是在饋送線內就有正向訊號與因反射所產生的逆向訊號,在饋送線內形成所謂的駐波。


用駐波比表量駐波比值

    利用駐波比表,你可以測量到正向功率與逆向功率。當駐波比值是 1:1 時,表示沒有反射功率,這是理想的情況;相反地,當駐波比值是 3:1 或更高時,就表示有一定量以上的反射功率發生,這是一種壞消息。

    當系統發生駐波比值時,可能含在饋送線內或是發射機的輸出網路中出現很高的電壓,這對發射機而言,是一種很危險的狀態,尤其是近代的收發機,發射後級都採用耐不起高壓的電晶體或場效電晶體,更是危險。

    為了避免因為發生這種情況而傷害到收發機,一般的發射機線路內都含有駐波比值偵測線路,當駐波比值太高時,線路會讓發射機的輸出功率自動降下來,參看圖 1。

    老式的真空管發射機比較不怕高壓侵襲,但是真正有很高的駐波比值時,還是會有損傷真空管之慮。

Fig 01
圖 1:大多數的收發機設計是採用 50 歐姆為標準負載,如果收發機與負載不匹配,發射機輸出的射頻功率就會有一部份會被天線系統反射回來,反射的功率還是由饋送線回到收發機,而這些反射功率又會被收發機反射回天線,於是在饋送線內就有正向訊號與因反射所產生的逆向訊號,在饋送線內形成所謂的駐波。當駐波比值是 3:1 或更高時,就有可能因為產生的高壓而燒壞發射機。



天線調諧器可消除發射機看到的高駐波比值

    如果收發機與天線系統很不匹配,而直接把天線系統接到收發機的話,情況會怎樣呢?

    高的駐波比會使發射機輸出功率降下來,更糟的情況是,恐怕你得準備一筆修理費。不論如何,你總是要讓收發機看到 50 歐姆左右的負載才行,而這最簡單的辦法,就是使用天線調諧器。


天線調諧器的基本工作原理

    基本的天線調諧器線路只是一種很簡單的電容與電感被動網路,透過調整電感與電容,也就是調整容抗與感抗,可以讓收發機往外看到了阻抗接近 50 歐姆的負載。一旦發射機的負載匹配,就可以完全供應輸出功率。


用天線調諧器轉移不匹配

    或許有人會問,那天線調諧器只是把不匹配的部份攬到接天線的那一端去而已?對的,實際上也就是這樣,因為不匹配的情況依然存在,但是這不匹配的情況是存在天線調諧器輸出與天線之間,而不是發射機與天線之間,參看圖 2。

Fig 02
圖 2:天線調諧器只是把不匹配的部份攬到接天線的那一端去而已,不匹配的情況依然存在,我們只不過是利用天線調諧器來保護發射機,讓發射機可以全額功率輸出。

    總之,我們只不過是利用天線調諧器來保護發射機,而且讓發射機可以全額功率輸出,如果天線調諧器設計得當的話,應該可以忍受高駐波比所產生的高壓問題。


轉移問題重心來解決問題

    當然,這些反射功率依然是在天線調諧器與天線之間的饋送線內彈來彈去,也就因為這樣,有些射頻功率就被饋送線消耗掉了。所以,如果天線調諧器與天線之間採用低損失饋送線的話,大部分射頻功率還是會由天線輻射出去的,這樣一來,發射機「快樂」,你也會覺得「快樂」,如此結果,夫復何求!


使用天線調諧器的時機

使用高阻抗的饋送線時

    一般業餘電台還是以 50 歐姆非平衡式的同軸電纜饋送線為大宗,但是有些高阻抗的饋送線,像是平衡式的階梯饋送線 (很像傳統的 300 歐姆家用電視訊號饋送線),或是平衡式的開放式饋送線,其阻抗大約在 450 - 600 歐姆之間,而且單位長度的訊號損失量很低,比同軸電纜還低很多。

    倒是使用這類低損失的饋送線有個問題要注意,那就是這種饋送線是平衡式的,而發射機的輸出是採用非平衡式,因此必須使用附有平衡非平衡轉換器的天線調諧器,作為非平衡發射機與平衡饋送線之間的橋樑。

    所謂的平衡非平衡轉換器 (英文名 BALUN,這是 BALance to UNbalance 的縮寫),就是用來把平衡式的饋送線改為非平衡式,或者是倒過來用。大多數的天線調諧器都內附有 4:1 的平衡非平衡轉換器,這樣一來,就可以接受高阻抗的平衡式饋送線了 (假設天線調諧器可以調諧的範圍是 20-250 歐姆,那麼經過 4:1 的平衡非平衡轉換器之後,就可以接受 80-1000 歐姆的平衡式饋送線)。

在原設計波段範圍外發射時

    假設要利用 40 公尺波段的天線來供 10 公尺波段使用,這時候一定會發生很大的匹配問題,也因而有很高的駐波比值,這時候使用天線調諧器,「也許」可以讓你的發射機看到駐波比值是 1:1 的情況,之所以說也許,是因為有時候不匹配的情況很糟糕時,就連天線調諧器也無能為力。要特別謹記在心的是,高駐波比會使饋送線的損失量加大,使用天線調諧器,只是把發射機的功率「騙」出來而已,當然這會增加天線的輻射功率,但是並沒有增加天線的輻射效率,這一點要特別注意。

某些波段的 SWR 頻寬太窄時

    首先要解釋什麼叫做 SWR 頻寬,所謂的 SWR 頻寬是指在駐波比值 2:1 範圍內所涵蓋的頻率範圍,通常是以 KHz 來表示,例如帶陷式的雙偶極多波段天線,在 80 公尺波段上,駐波比值 2:1 左右的頻率範圍是 3600 - 3800KHz,我們就說這天線在 80 公尺波段上的 SWR 頻寬是 200KHz。

    有些多波段的天線,常因為材料、設計等因素的關係,使得在某些波段上,無法提供夠低的駐波比值,涵蓋整個波段。像上面的例子,如果你要使用 3800KHz 以上,或是 3600KHz 以下的頻率,那麼駐波比值就會超過 2:1,這會使你的發射機「感到不高興」,而自動把輸出功率降低;如果使用天線調諧器,這會使發射機看到的負載還是 50 歐姆,而有 1:1 的駐波比值,這樣就可以讓發射機有全額輸出,把功率送出到天線系統。


不應使用天線調諧器的時機

駐波比值在 1.5:1 以下時

    一般而言,駐波比值在 1.5:1 以下,算是正常,並不需要加裝天線調諧器,而且大多數發射機也都可以忍受 1.5:1 的駐波比。實際上,不是很大功率輸出的發射機,甚至可以接受 2:1 的駐波比。如果你使用低損失量饋送線的話,在高頻範圍內,駐波比是 1.5:1 或是 2:1,對於功率損失,根本微不足道,沒有必要堅持天線系統一定要有 1:1 的駐波比。

在 VHF/UHF 頻率範圍內有高的駐波比值時

    市面上當然有 VHF/UHF 頻率範圍的天線調諧器,不過建議你無論如何要省下這筆錢,因為天線調諧器只不過是把系統不匹配的部份蓋住,不讓發射機看到而已,實際上的不匹配情況是依然存在的。而在 VHF/UHF 頻率上,任何的同軸電纜饋送線,當駐波比高時,都會有相當大的射頻功率損失量。在此情況下使用天線調諧器,雖然會使發射機快樂起來,但是發射機多輸出來的功率,依然是會被饋送線損耗掉。

    最好的應付辦法是調整天線本身,讓它確實與系統匹配,如果調不好,可以仔細查看饋送線有無問題,或者是天線架設是否妥當。

干擾到鄰居的電視、電話、甚至家用產品時

    不論你以前有過怎麼樣的想法,或者是聽過別人怎麼談天線調諧器,實際上,天線調諧器對射頻干擾的問題一點幫助都沒有,不過,天線調諧器可以減少產生諧波這倒是真的,所以若是純粹因為諧波所產生的干擾,使用天線調諧器可能會收效。

    然而大多數的射頻干擾,是因為間接由纜線或是電線拾取到的,或者是直接由設備產生出來的,所以使用了天線調諧器之後,這些原本就到處亂竄的射頻訊號,因為輸出功率加大了,反而使射頻干擾更加嚴重。


評估適用的天線調諧器

    如果你認為自己必須要有部天線調諧器,但是天線調諧器各式各樣,大小、型狀、功能不一,必須要有哪些功能呢?下列意見提供作參考:

內附駐波比表功能

    要使用天線調諧器,就必須要準備駐波比表。當你調整天線調諧器時,必須注意反射功率的變化,此時的目標應該是要讓反射功率降到零,至少也要很接近或盡可能地小。當反射功率是零時,那就表示發射機輸出口的駐波比值是 1:1。如果天線調諧器不含有駐波比表的話,也可以單獨另外購買,而收發機上的多功能表頭,應該也已經包含有駐波比表功能。

內附滾筒式的 (ROLLER) 或接點式的 (TAPED) 電感

    價格昂貴的天線調諧器,會配備有滾筒式的電感,當你調整天線調諧器面板上的電感鈕時,內部的電感會旋轉,一只金屬的轉輪,就會像是火車在鐵軌上行走一樣,它可以上下移動,電感值也會跟著上升下降。價格比較低的天線調諧器,電感則採用接點式的,應該也可以稱做是抽頭式的。一只電感,分成十個以上的抽頭,然後由天線調諧器面板上的電感選擇鈕來切換。

    這兩者各有優缺點,滾筒式的電感可以調到更好的理想點,但是機械結構容易磨損故障,例如,電感遭腐蝕的話,會使得電感接觸不良;使用上,滾筒式也比較麻煩,當更換波段時,你可能要轉來轉去好幾次,才能找到真正的理想點。而接點式電感在使用上就沒有那麼麻煩,機械結構問題的考量也沒有了,可是使用接點式電感時,你會發現,調諧的頻率範圍好像很有限,因為當你利用選擇開關切換電感時,這電感值是固定的,當碰到某些需要特別的調諧點時,你就只能在這兩相鄰的電感之間選擇。

內附有平衡非平衡轉換器

    如果你打算要使用高阻抗的饋送線,那麼就必須要買一部內附有 4:1 的平衡非平衡轉換器,這類比例高的平衡非平衡轉換器,通常都會因為有比較高的功率損失而產生大量的熱,所以要選用大額定功率的平衡非平衡轉換器,這也就是為什麼一般 100 瓦發射機用的天線調諧器,內附的 4:1 平衡非平衡轉換器,都是採用額定功率 300 瓦者。

內附天線開關及天線假負載

    有些天線調諧器會附有兩只以上的天線端子,並且有選擇開關可以切換,有這些設計,使用時會很方便。例如你有 40 公尺波段到 10 公尺波段的垂直天線,並且有 50 公尺波段的偶極天線,這樣,你可以把這兩只天線都接到天線調諧器,選用時就直接從天線調諧器的面板開關來切換,這樣不只可以省去一只射頻開關的費用,也可以使系統更簡潔。

    而內附的假負載,雖不必一定要有,有時也很方便。假負載是由純電阻構成的,當你不希望發生射頻輻射,而卻必須要使發射機動作時,它可以吸收掉發射機釋放出來的射頻功率,這對於調整發射機或是其他測試時,會很方便。若天線調諧器內沒有假負載時,日後有需要時也可以單獨購買。

Fig 03
一般的收發機大多附有內裝的天線調諧器,如果沒有,也可以單獨另外購買;而收發機上的多功能表頭,應該也已經包含有駐波比表功能。

自動天線調諧器

Fig 04
自動天線調諧器有時也成為收發機的標準配備而裝在收發機內成為一體。

    大多數的收發機製造商也都提供自動天線調諧器供客戶選擇,有時這些自動天線調諧器也成為收發機的標準配備而裝在收發機內成為一體,有些則可以分開。如果你需要常常快速更換工作波段,自動天線調諧器會很方便,你只要一按鈕,天線調諧器就會自行調整電感及電容,達到最低的駐波比值。

    有些自動天線調諧器還可以自動感應,只要更換工作頻率,它就會自動進行調整,更有些自動天線調諧器附有記憶功能,只要天線不變,它可以在極短的瞬間,完成調諧的工作。

    雖然自動天線調諧器好用,但是它們比較昂貴,而且調諧的範圍也受限。如果你的操作習慣或風格,是常要更換波段,例如通訊比賽等,那麼就可以考慮自動天線調諧器,否則,可以省些錢,買個一般手動的天線調諧器就好了。


天線調諧器的額定功率

    如果你的收發機輸出功率是 50 瓦或 100 瓦,你一定會認為,那麼天線調諧器的額定功率只要 200 瓦或是 300 瓦就夠了對不對?這可以說是對,也可以說是不對,因為你一定要記得,天線調諧器會因為介入的線路之間極不匹配,而使得天線調諧器出現很高的射頻電壓,如果你在駐波比值很高的情況下使用天線調諧器,這會使天線調諧器遭受高壓侵襲,可能因而出現弧光,這是因為電容轉盤間,或是電感的繞線間經不起高壓而產生的。天線調諧器出現弧光時,會出現吱吱叫的嘶聲,很像是晨間或是下雨時高壓電桿的放電聲,而且天線 調諧器上的反射功率指針也會有顫動的現象,這時候,一些干擾現象也會明顯的惡化,嚴重時甚至會看到天線調諧器內發出閃光。天線調諧器發生弧光就慘了,這表示你的天線調諧器有話要說了,它說,『快停!這樣子的不匹配情況我地無能為力了。解決弧光的辦法,一是把收發機輸出功率降低,二是改用額定功率更大的天線調諧器。

    大額定功率的天線調諧器內,使用更耐高壓的電感及電容,電容片之間的距離比較大,電感繞線的螺距也比較大,這樣就不容易出現弧光現象。如果情況許可,購買天線調諧器時,在負擔得起的情況下,最好盡量考慮買大額定功率的天線調諧器,最好是買 1.5KW 的;但是低功率操作者也不必牛刀宰雞。大而壯的天線調諧器當然是比較貴,但是它可以提供安全、高品質,且更長時間的服務。


購買或是自製

    當你徘徊在雜誌上的廣告時,你可以發現天線調諧器不僅牌子多,每種廠牌更有上打的機種。這類的天線調諧器算是大宗產品,因此在價格及品質上,都還算合理。

    如果你是一位凡事喜歡自己動手的人,下一個製作可以考慮天線調諧器,它的主要材料都是屬於機械性的,又不牽扯電子零件。老實說,自製天線調諧器的成功機率很高,性能也只受材料的好壞所影響,要製造出一部不良的天線調諧器還真不簡單呢!更重要的是,完成後,你身邊又多出了一件自己的得意作品。 END



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