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重拾射頻電流表

No.41   1996 June.   p36~39,   by 林茂榮 / BV5OC



Fig 00

    往日業餘無線電界普遍使用的天線測試儀器,如今卻是只有某些非業餘的專業在使用,是什麼樣的工具呢?那就是射頻電流表,下面我們要說明射頻電流表的功用,以及如何利用射頻電流表做說明,以回憶一下復古的風味。

    今日絕大多數的業餘無線電台,一定都準備有駐波比表,有時或者是被稱為有向功率表,或是射頻功率表,其實很大部份的收發機裡頭,也都內附有簡易的駐波比表,我們可以利用射頻功率表來測量正向功率 (這是指從發射機往天線系統傳送的功率),或者是反向功率 (這是指因為饋送點不匹配而被天線系統反射回發射機方向的功率)。

    但是有向功率表是很晚期才發展出來的,在早期的一大段期間內,業餘無線電家都是利用射頻電流表來評估天線系統的性能。因為對於一個發射機線路而言,如果輸出功率上升,也就意謂著電流也會增大,因為功率是電流平方與負載阻抗的乘積,既然天線的負載阻抗是固定的,因此,如果倒轉過來,利用電流表就可以間接地表達出發射機輸出功率大小。

    早期業餘無線電家對於駐波比值根本不關心,也就是不考慮正向或者是反向功率,他們只是利用射頻電流表來監測,使天線系統的射頻電流最大,這以現在還流傳著以簡易的日光燈管來調整發射機輸出有異曲同工之妙。剛發明駐波比表時,還是有許多人依然不改舊習,利用射頻電流表來評估天線系統。


測量射頻電流

    直流電流表非常普遍,但是決不能利用直流電流表來測量射頻電流,如果這樣做的話,直流電流表上的指針根本不會動,持續太久的話,直流電流表還可能因而冒出陣陣濃煙。至於一般測量 60Hz 交流電的電流表,也不能用來測量射頻電流,因為交流電流表中有線圈當作電感,而這些電感是針對 60Hz 來設計的,它無法在頻率遠比 60Hz 高的射頻範圍內正常工作。

    為了測量射頻電流,必須使用射頻電流表,射頻電流表對射頻訊號非常敏感,而且對射頻訊號而言,也有很低的阻抗。

    基本上有一種叫熱敏電流表,可以成為射頻電流表,熱敏電流表的基本原理是,流通的射頻電流會生熱,而以這熱能來推動機械結構或是其他類似的指示裝置。比如熱敏電流表可以利用所生的熱,利用熱漲冷縮的物理原理,來推動機械結構的指針 (例如熱絲電流表),也可以利用熱耦合所產生的電壓,以電壓表來做指示 (例如熱偶電流表),今日所見的射頻電流表,一般都是熱偶射頻電流表。


熱絲電流表

    追溯到火花式無線電發射機時代,當時要查看天線系統是不是負載恰當,就在天線系統上串接一段鐵絲,當射頻電流通過鐵絲時,會生熱而使鐵絲變長,然後利用機械結構,使變長的鐵絲來推動指針而成為指示表,參看圖 1 。這種方式只能測得大的射頻電流,在火花式無線電發射機時代,因為業餘無線電活動使用的功率都不大,所以這種指示表對業餘無線電而言沒有很大的幫助。

Fig 01
圖 1:熱絲電流表的基本結構圖。



熱偶電流表

    兩金屬接觸在一起,其間的接點會隨著溫度變化而產生不同的電壓值,這是基本的物理特性,叫做熱偶現象,所以用熱偶為材料配合靈敏度高的直流電壓表,可以測量因為射頻電流經過生熱的熱偶溫度變化而出現的電壓值變動,就是所謂的熱偶射頻電流表,參看圖 2 是早期的熱偶射頻電流表內部結構,當時業餘無線電愛好者,就利用這種結構,來製作成供給 150 公尺波段到 200 公尺波段之間應用的射頻電流表。

Fig 02
圖 2:早期熱偶射頻電流表的內部基本結構。



射頻電流表的刻度非線性

    射頻電流表上的刻度是非線性的,從最低處刻度幾乎壓縮在一起,到射頻電流加大之後,刻度就逐漸散開,有時我們會要求射頻電流表的刻度能夠呈現線性,經過處理之後 (例如使用刻度擴散技巧),當然可以接近線性,但是永遠不會呈現出真正的線性,除非刻度的範圍變得非常小 (所謂的小範圍線性)。因此選擇射頻電流表時,最好要讓滿刻度剛好是比我們常要讀取值稍高一些,這樣才容易從指針讀取正確的射頻電流。所以要是射頻電流量測範圍很大,那麼就要準備多只不同滿刻度值的射頻電流表,才方便測量。


射頻電流表靈敏度的重要性

    若要有同樣的讀數,熱偶電流表比熱絲電流表所需要的電阻還低,換句話說,熱偶電流表比熱絲電流表敏感,也就是相同的射頻電流,熱偶電流表的指針偏移會比熱絲電流表還大。

    這一點非常重要,因為射頻電流表內的電阻所消耗掉的功率是原本要被送往天線系統的,消耗掉的功率越大,測量的結果就越不準確。這原理就像是電流表要有低內阻,而電壓表要有高內阻一樣,亦即電流表的內阻越大,所測量的誤差也就越大,例如在 10 歐姆負載下,如果射頻電流表的內阻是 1 歐姆,測出來的誤差會是 10 %。一般說來,電流表的內阻都很小。一般的原則是,1 安培滿刻度的電流表,內阻應該小於 0.1 歐姆。

    如果小心校正,正確地使用射頻電流表,那麼在 30MHz 之內,射頻電流表的測量誤差應該都可以保持在 2 % 以內,這遠比價格更昂貴的射頻功率表還準確。同時也遠比現在一般業餘無線電台使用的駐波比表還好很多,現行業餘無線電使用的駐波比表,在功率的測量上,至少都有 10 % 以上的誤差,有些甚至更大。


待測訊號的純度與熱偶電流表

    因為射頻電流表是利用「熱」來帶動指針,也就是真正的 "RMS" 值,這裡不打算說明 RMS 的真正意義。但是交流波形會主宰了尖峰值與功率之間的關係。所以真正的功率必須要取得真正的 RMS 電流,才能運算出來。而大多數的電表,都是測量電壓或電流的尖峰值或者是平均值,然後再以某一因子來算出 RMS 值。如果所測量的波形不是正弦波,那麼這一因子就要改變。


射頻電流表的校正問題

    1939 年以前生產的射頻電流表,會隨著工作頻率的變化而有不同的反映,通常是頻率升高,刻度會變小,因此就必須使用對照表來校正射頻電流表。這種情況於二次世界大戰之後所生產的射頻電流表上,就有很大的改善,至於目前所生產的射頻電流表,於 50Hz 到 60MHz 之間已經都能有很平坦的響應。所以要校正現代的射頻電流表就很簡單,只要利用市電配合一般精確的三用電表及一只負載,讓電流達到射頻電流表的滿刻度,便可以從三用電表的讀數來校正。另外一種校正方式是把已知的電壓串一只電阻加在射頻電流表上,而利用 三用電表來測電壓及電阻,就可以得知電流的大小。

    為了能夠交互驗證射頻電流表的準確情況,可以使用直流電源來校正射頻電流表,但是要小心進行,因為很多射頻電流表對於極性會有不同的反應,原本交流訊號是沒有極性的,但是使用直流電源的話,極性變化時,相同的電流量,卻會有一高一低的讀數,這是因為電流經過熱偶絲所產生的壓降不同所引起的,如果製造射頻電流表時,熱偶與熱絲之間完全對稱的話,就不會出現這種現象。但是大部分的射頻電流表都不會有完全對稱的情況,所以以這種方式對照時,需要讓直流電源極性交換,測量兩次,然後取其平均值。

    如何安置射頻電流表也會影響測量讀數,如果射頻電流表是安裝在金屬殼內,那麼會影響到射頻訊號經由射頻電流表內的電容往接地的路徑,而使測量出現很大的誤差。因此,射頻電流表必須安裝在非金屬殼內,甚至基座也要採用非金屬材料。

    不過就算是射頻電流表安置在非金屬包裝上,也要注意一些細節,例如把射頻電流表固定在金屬面板上校正,如果電表取出後直接或是安裝在非金屬面板上,則讀數會偏高,反之,讀數也會偏低,因此,射頻電流表應該完全裝妥之後再進行校正,也就是校正之後的射頻電流表,就要原封不動的使用,不要再加裝基座或是把外殼脫去。





使用射頻電流表

    射頻電流表的使用方法之一是把 50 歐姆的天線假負載與射頻電流表串連使用,一只標準的高功率天線假負載與一只 5 或 6 安培的射頻電流表串連,那麼在 5 安培的刻度上就可以標上 1250 瓦 (根據功率=電流平方與負載阻抗乘積的公式),而 4 安培的刻度上標示 800 瓦,依此類推。如果能夠掌握要領,小心校正,這種測量方法會比你使用極為昂貴的射頻功率表所測量的結果還準確。當然天線假負載也不一定要是 50 歐姆,也可以使用其他阻值,但是一般發射機的輸出阻抗都是 50 歐姆,自然也就以 50 歐姆為標準,如果使用其 它阻值的假負載來標示刻度,那麼也要在相同的負載下才能測量出正確的功率。

    這也就是說,要測量射頻電流值,必須要有很嚴格的限制,射頻電流可以流經電阻 (Resistance) 及電抗 (Reactance;包含感抗或容抗) 的路徑,或者是這兩者的組合,我們有時統稱為阻抗 (Impedance),但是在測量功率時,只有流經電阻的射頻電流才算數 (因為電抗都是帶有虛根),可惜的是,射頻電流表並不能分辨出負載是電阻或電抗,也因此而潛伏著可能有很大的誤差。

    參看圖 3,只要你不要去動射頻電流表之後的線路,那麼射頻電流讀數越大,表示功率越大。昔日曾經犯過的最大誤解,那就是調整天線長度或是改變加載部份,使得天線系統的射頻電流增大,但是這調整的卻是射頻電流表之後的負載線路,因此雖然射頻電流最大 (有些是去對電容性線路充電),但是輻射功率卻不是最大。但是只要保持射頻電流表之後的線路不要更動,就可以調整發射機的調諧線路、天線匹配器 (調諧器) 等,此時如果射頻電流加大,那也就表示天線的輻射強度也同樣增大。

Fig 03
圖 3:應用射頻電流表在天線系統時,應該注意不要去動射頻電流表之後的線路,否則射頻電流的讀數就不一定能夠反映出輻射功率的增減。



射頻電流表的替代品

    若有心想找個射頻電流表,壞消息是射頻電流表不但昂貴,而且不容易買到,一只精確的射頻電流表可能要新台幣五千元以上,目前射頻電流表的最大使用客戶是 AM 廣播電台,因為 AM 電台的管理表格上,電台的輸出是以輸送給天線的射頻電流來標示的,因此最近生產的射頻電流表是以此市場為導向的,這種射頻電流表非常準確,至於價格也可以從此反映出來。

    好消息是,雖然射頻電流表昂貴而且不容易買到,但是有許許多多的替代品,本製作就是一個例子,或者是你自信有機械結構基礎,也可以自行設計製作熱絲式或熱耦合式的射頻電流表。

    利用小燈泡裡頭的燈絲串連在天線上,或者是以其他的耦合方式,都可以偵測出射頻電流的大小,加上有向耦合器之後,甚至可以測量到正向及逆向功率。

    另外一種方法,就是使用特小的燈泡串在天線路徑上,當成射頻電流與熱或者是光的轉換,然後再以光敏電阻或者是光電晶體等偵測元件,轉換成直流電壓來顯示。因此要檢查平衡饋送線是不是平衡,可以使用一對小燈泡就可以了,測量時盡量把發射功率降低,而如果經過訓練,以眼睛來判斷燈泡的亮度,也可以很精確,尤其是兩只燈泡比對明暗,通常可以更準確。如果想要知道射頻電流大小,小燈泡可以利用一般 60Hz 電源或是直流電去校正。

    另一種測量射頻電流的方式,可以先行把射頻電流檢波,然後以直流電壓表來測量,而射頻電流可以製作射頻電流變壓器夾具,以便從饋送線取樣。

    另外一種幾乎是免費的射頻電流表替代品,就是電池壽命 (電力) 測試器,這裡指的是像市售鹼性電池所附的銅色條狀測試棒,這是一種阻抗大約 3 到 5 歐姆之間的液晶顯示材料,流經電阻轉換成的熱可以使液晶顯示出來,顯示出的長度可以代表電池的電流大小。

    因為這種材料沒有極性,所以不管正負端,因為這材料的阻抗很低,因此對於介入 50 歐姆的天線系統所引起的影響很小,這大約可以使駐波比值 1:1 成為 1.1:1。這種測試棒的最大額定電流大約是 200 到 4000 毫安培之間,如果要加大其額定電流,可以並聯一小電阻。如果一不小心燒壞了,可以買包新的電池,取出測試棒,電池就留待日後使用。射頻電流表依然好用

    目前因為駐波比表風行,幾乎讓射頻電流表無立足之地,駐波比表之所以如此受歡迎,是因為參雜了許多謠傳的觀念,比如說,駐波比表可以不受駐波的影響依然可以正確測量輸出功率,這當然是不正確的觀念。因此射頻電流表依然受用無窮,尤其是當不需知道真正的射頻電流值時。

    每當利用射頻電流表監測天線系統,而且很有效地用來調整匹配網路時,我就深深覺得,當我們拋棄一項技藝時,往往不是因為有更好的替代技藝出現,而僅僅是因為附和不同的風格而已,更糟糕的是,這附和通常是盲目以及非理性的。 END

    主要參考資料:
What, No Meters?, by F. Sutter
2. The Twin Lamp, by C. Wright
3. A Relative RF Ammeter for open- Wire Lines, by Z. Lau
4. Revisiting The RF Ammeter, by John Stanley



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