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HB9CV 天線製作
《14MHz 三單元》



No.41   1996 June.   p63~69,   by 李錦鴻 / VRZGY, CPO Box 73328 Kowloon HongKong

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    每位 HAM 上線時,都希望多通聯一些 DX 和稀有電台,要達到這個目標,不外乎下列五大決定因素:

    一、良好的傳播條件:除了主要受到電離層的變化影響,還包括 QRN 天電雜音和 QRM 人為蓄意或非蓄意干擾在內,這些是在我們能力控制範圍之外的。

    二、高超的個人通訊技巧:只要多加強自我練習收聽,即可逐漸提高水平;當然,要想很快就達到像 BA1AA 及 BV2FA 等 OM 的通訊技巧,是不切實際的,但在一年內多些上線練習,則完全可以應付一般的國際通訊;如果採用 Rubber Stamp 蓋橡皮圖章方法,則大部分 QSO 應都可順利完成。

    三、較高的發射功率:在 QRM 和 QRN 嚴重時,又或電離層衰落時,QRO 提高發射功率是很有效,但各國對各級牌照的 HAM 都有功率限制,通常最高在 500W ~ 1000W 之間。

    四、靈敏的接收能力:電子技術發展到今天,對提高接收機的靈敏度和減低本身噪音的技巧,差不多已到極限,市售各種高、中檔級通訊機的接收能力,其實相差不大;高檔機由於調節旋鈕大又多,如果操作不夠熟練,效果未必有中低檔機那麼好的,尤其是有 DSP 的機器,由於通頻帶太窄,在 Pile up 時根本就是一種累贅,因為每做完一次 QSO 後,要立刻 By Pass 它去收聽另一 Call Sign,然後再調節 RIT,這對於一次 10 秒、8 秒的 QSO 來說,是很浪費時間的。

    在常溫下,一般接收機的噪音水平已下降到極限,除非採用極低溫度的參量放大器,否則我們不能對接收機的噪音水平有進一步的要求。

    五、較長的上線時間:上線時間越多越好,這是無需討論的了,但是,我們還要適當選擇自己有限的上線時間,例如平常的下午就很少日本電台,星期六、日就多到不得了。晚上呼叫 CQ,則多是日、韓電台回應;要等到晚上 11、12 時後,等大多數日、韓電台 QRT 後,才有多些機會通聯歐、美電台。另外還要考慮到目標地區電台的作息時間,例如晚上及假日就很少 BY 電台上線,而平常下午就很難聽到非洲電台出現等。

    在上述各點中,一、二、五點可說是軟體技術,而第三、四點則屬於硬體部份,同時可發現,硬體部份除了與收發機和功率放大器有關外,兩者都離不開與天線的千線萬縷連繫。因此,很多 OM 都強調:要捕捉更多的 DX 電台,一定要搞好天線系統。

    而近年來是電離層的非活躍期,到了 96 年 2 月上旬開始,情況更糟,在此關鍵時刻,更加充分考驗每個電台的天線效率。據筆者初步印象,此時敢呼叫 CQ 的電台,大都具有三單元以上的八木天線,並多備有高功率的線性放大器。那些?7、?P6 等垂直天線,大多噤若寒蟬,只有在傳播較好時,才出來回應一下 CQ。因此,在環境條件許可下,更應盡量搞好天線系統,比起購買各種頂級收發機,不但省錢,而且效果明顯改善許多。

    筆者在 95 年製作完成了二單元的 HB9CV 式天線後,QSO 起來的確暢快很多,而在 14.180MHz 經常有 BRAVO 電台出現,14.062 亦有一個穩定的數據通訊電台,所以測試天線性能時十分方便,本以為兩單元的 14MHz HB9CV 天線已經很夠用的了,但經過一段時間在 CW 上呼叫 CQ 後,發覺回應的電台雖然很多,成績算是不錯的,但統計下來,多是日本、美國兩岸及德、法等電台,相信這是電台及天線較佳的原因,至於其他地區電台,雖知道他們有回答,但因訊號較弱,無法順利抄收而放棄。

    要捕捉這些訊號較弱的 DX,自己能做的除了選擇適當上線時機、採用窄頻帶的濾波器、提高自己 CW 抄收能力外,QRO 亦只能引來更多強力電台 QRM 而已,所以最佳方法還是加強天線的增益。


增益高達 7 ~ 8 dBd

    將兩單元的 HB9CV 改為三單元,根據各方面的資料統計,增益可提高 1.5 ~ 2dB 而達到 7 ~ 8dBd,不要小看這 1.5 ~ 2dB 的差額,當 DX 訊號在 51 ~ 53 時,所起的作用是相當大的,能不能完成一次完整的 QSO,往往就是由這 1.5 ~ 2dB 的增益來決定,而即使 DX 訊號較強,好的天線亦能提高清晰度,從而可以加快發送速度 (當然還要顧及友台的速度),使 QSO 更流暢。

    三單元 HB9CV 天線有一個特點:第一個導向器與輻射器的距離是 0.2 波長,這比標準八木天線的 0.1 波長較大,圖 1 中可以看到標準八木天線在三單元時,總長約 0.25 波長,而 HB9CV 則是 0.325 波長,在 14MHz 時對應的長度是 17 呎和 21 呎 8 吋,即有 4 呎 8 吋的差額。

Fig 01
圖 1:標準三單元 YAGI 八木天線總長約 0.25 波長,HB9CV 則是 0.325 波長;在 14MHz 時對應的長度是 17 呎和 21 呎 8 吋,相差 4 呎 8 吋。

    所以,如果從旋轉半徑、重量、風阻、材料的強度來看,三單元 HB9CV 天線比兩單元同樣天線,困難度不是增加 50 %,而是超過 100% 以上;同時,亦大於三單元標準八木天線而接近四單元八木天線。不過,四單元 HF 八木天線的增益在理想時只達 6dBd,而三單元 HB9CV 可達 7 ~ 8dBd,故此無需多考慮,仍以 HB9CV 為目標。

    理想歸理想,實際還實際,以筆者有限的天台空間,再要容納三單元的 HB9CV 天線,一定要拆掉其他天線才行。由於衛星通訊能做的 QSO 較少,於是唯有犧牲筆者現有的一組七單元 UHF 圓極化八木天線和一組五單元圓極化 VHF 八木天線及一組多波段 V Dipole 天線,終於有空間勉強足夠使用。

    圖 2 標示這個三單元 HB9CV 天線的尺寸,從中可以看到由於 BOOM 桿長達 21 呎 8 吋,所以要用 1 吋鋁方通組成,為了運輸方便,可用三根 7 呎 3 吋長的 1 吋鋁方通接駁而成,連接方法如圖 3。而 21 呎多長的 BOOM 桿即使用 2 吋的鋁方通來負責,也會嚴重下墜,所以要加入四根鋁通來吊起,才能改善下墜的情況。

Fig 02
圖 2:三單元 HB9CV 天線的尺寸。

Fig 03
圖 3:鋁方通接駁方法。



BOOM 桿以四根鋁通吊起

    為什麼在前期介紹兩單元天線時是用支撐的形式,而現在三單元則改用吊起的情況呢?因為鋁的機械強度不足,比較適合承受拉力,但這不是主要的因素;重要的是用撐起的方法時,整組天線不能下降得很低,而用吊起的方法,則可下降到 5 呎以下,這對於進行維修、改進調整及抵禦颱風的工作,都較為有利。

    從另一角度來看,用吊起方法來改善直竿下墜,垂直支撐部份則承受較大壓力,不能再用鋁通負責,所以要用鐵管組成,如圖 4 及照片 1,再詳細則如照片 2 及 3,從照片中可看到 1 吋鋁方通 BOOM 桿與 1 吋水管的連接部份還有兩個補強點:(1) 用 1 吋厚鋁角加強鋁方通,(2) 用兩個不袗喉箍交叉地將 1 吋水管與 1 吋鋁方通纏起來。經此兩步驟後,安全系數更高。

    不過,針無兩利,這樣做則使整根天線重量就由兩單元的 4.8 公斤增加到三單元的 12 公斤,足足超過兩倍以上;而真正是天線發射部分的三個單元只重 3 公斤而已,因此大部分重量都在天線支撐架上,如果各友台能找到更輕而硬的材料,請多介紹。

Fig 04
圖 4:垂直支撐部份承受較大壓力,要用鐵管組成。

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照片 1 :未裝三個單元前的天線架。

Pic 02
照片 2 :用 1 吋厚鋁角加強鋁方通。

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照片 3:用兩個不鏽鋼喉箍交叉地將 1 吋水管與 1 吋鋁方通纏起來。



安裝激勵器,反射器,導向器

    按照圖 4 及各照片所示,裝在天線支持架後,就可安裝激勵器、反射器和導向器了。這三個單元的結構材料與尺寸,基本上都是一樣的 (因為都可伸縮),如果未經試製兩單元的天線而直接製作本天線,最好亦採用逐根單元測試的方法來進行,即把反射器調到諧振 (共振) 在 13.9MHz,激勵器調到 14.1MHz,而導向器則調到 15MHz。但是導向器沒有伽瑪匹配,怎樣調整呢?方法亦很簡單,只要把反射器的伽瑪匹配暫時借過來調整便可,用完才放回到反射器上。至於各調整步驟,本刊 39 期已有詳細說明,這裡就不再描述了。

    由於筆者考慮到製作本天線會使用較長時間 (若再增加單元可能就要挨 XYL 的狼牙棒呢!) 所以在各單元與 BOOM 桿之間加入 6 分鋁方通作為補強,請參看照片 4、5。它們的尺寸無需太過執著,可依手頭上的現有材料使用,當三角形太大時會增加天線的通頻帶,但可惜增益又會稍微下降。照片 4 的導向器縛著的尼龍繩是作保險用,如果還不放心,可在反射器上也同樣縛上尼龍繩,但要注意,天線轉向時,不要與相位延遲線糾纏不清。

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照片 4:各單元與 BOOM 桿之間加入 6 分鋁方通作為補強。
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照片 5:反射器與 BOOM 桿之間也加入 6 分鋁方通作為補強。桿下是相位延遲線。



用20A 電源線作相位延遲

    從照片可看到本天線的相位延遲線沒有採用 300Ω電纜,而採用市電用的 20A 電源線,這是為了提高天線的承受功率,使能達到 2KW 以上 (以前介紹的 7MHz 10 米高垂直天線及三單元 21MHz 八木天線,都可承受 2KW 以上功率,但要採用高質量同軸電纜),為了防止相位延遲線產生輻射及下墜嚴重,可用膠皮電線把相位延遲線吊起離 BOOM 桿約 5 公分。

    從照片 5 的反射器圖中亦清楚看到本天線的伽瑪匹配細緻部分與上次兩單元的稍有不同,這是由於經幾次試驗後,發覺其尺寸 (42 吋和 3 吋半) 基本上無需調節,而又為了減低風阻,所以改用 2 分鋁組成,大家可按自己的情況隨意選擇其結構。


電容器要顧及大功率、電流

    至於影響天線的效率及承受功率的另一重要元件,即電感補償用的 VC 可變電容器,亦與上次的二單元有所不同,原因亦與功率有關,二單元天線的 VC 只可承受 300W 以下的功率,如果大家認為已經適合,就照上次的介紹內文去做便可,現則提供多一種選擇給大家參考。

    要使電容器能夠通過大功率的高頻電能,起碼需具備三個條件:(1) 高耐壓值,(2) 能通過大電流,(3) 高絕緣電阻。通常人們只注意第一點而忽略第二、三點,以為找一些市售標明耐壓 2KV 甚至 5KV 的電容來使用便可,但只要一加上 500W 以上的功率,電容器就立刻燒燬,原因就是將大功率理解為只是高電壓,實則有極大的高頻電流通過,市售的電容器那有不立刻燒燬之理呢?

    所以只要打開功率放大器察看,就會發覺其交連電容器及調諧電容 VC 的面積及每片的厚度都很大,就是為了能抵受較大的電流。

    說了這麼多東西,就是為了解釋上次兩單元天線的雙面 PCB 的承受功率不夠大,並非耐壓不夠高,而是銅膜不夠厚;而要製作大功率可變電容器,不能只看電壓,很多時候,電流反而佔主導因素 (但不一定)。現時的補償電容則是要能承受較大的電流才可。自作派的大功率大電流電容器,筆者試過幾種方法,都能達到理想目的,但還要兼顧輕重量,小體積和低風阻的因素,所以向大家介紹以下方法:

    從照片 6 中可以看到,這個大功率電容器是用兩片 0.5mm 厚,3R 相片大小的鋁片構成,中間的絕緣介質採用 0.25mm 厚的聚氟乙烯片,圖 5 就是橫切面結構圖。

Fig 05
圖 5:80 ~ 120pF 大功率電容器。
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照片 6:縛在伽瑪匹配下的補償電容器。

    首先準備 3R 相片或 QSL 卡片大小的 0.5mm 厚鋁片 (尺寸比鋁片每邊大 1 公分左右),然後用台鉗 (老虎鉗) 夾住大約 1 公分,再慢慢用手 (或經木枋幫助) 推壓成 90 度,目的有二:(1) 鋁片剛性不足,經此步驟後較平直;(2) 可在 1 公分的部位鑽孔,再用 1 分或 3mm 銅螺旋緊銲在其上,便可作為電容器出線之用。

    與 1 公分屈曲部份的相片邊緣的鋁片另一部份,用手 (不應使用其他工具) 把鋁片輕微摺彎成翹起狀態,然後以銼把將兩塊鋁片的尖銳部份及邊緣部位修整一下,以防止「尖端放電」現象;跟著再在 0.25mm 聚四氟乙烯 (TEFLON,港譯鐵佛龍) 片的兩邊及兩塊鋁片,用常見裝修工作用的黃膠漿均勻塗上 (共四面);這種膠漿塗上後要放置 15 ~ 20 分鐘後,稍乾成薄膜狀態,才會有較大黏力。

    跟著依照圖 5 的樣子,用手輕壓使各部份黏合在一起再用 1 分或 3mm 銅螺絲上緊兩個線做出線口,便可接到電容表去測試其容量,正常約在 100 ~ 120PF 左右,如果這數值比心目中的數值稍低,則用 C 字夾在兩塊鋁片的中部加壓,則容量可再增加 10 ~ 30pF 左右;如果需要減少容量,則用小鉗或手指 (最好用手指) 把兩塊鋁片的翹起部份再推開些,則容量會減少 10 ~ 30pF。

    但上述增減電容量的方法要注意 (1) 應在塗黃膠漿起計 1 小時內進行,(2)調後的電容器的容量並未穩定,要避免大力碰撞或擠壓。因此,這時應盡快把電容器實際裝到三單元天線上測試,稍作調整後,用小直徑的尼龍線把這個電容器縛在適當地方,以免本身重力影響電容量發生較大變化。約 24 小時後,黃膠漿穩定下來,尼龍線亦不必拆去,以增強安全系數,而大功率的測試 (1000W 以上) 則應在塗黃膠漿起計 3 小時後才進行為宜,此前其介質稍嫌不足。


通頻帶寬闊

    本天線的通頻帶如果按照商品天線的 SWR 1:2 的標準量度,可達 400KHz 因此可覆蓋整個 14.000 至 14.350MHz 的業餘波段 (大部分商品天線都做不到),但相信很多友台都不能接受 1:2 的 SWR。本天線在 SWR 1:1.5 時,通頻帶約 250KHz,算是比較寬闊的,如果大家多用 CW,可把中心頻率調到 14.050MHz;SSB 則可調到 14.150,這個目標,只需輕微改變補償大功率電容器的容量便可。


支持及轉動部份

    完成三單元天線主體後,支持及轉動部份又如何呢?大家可以按照自己的實際環境去施工,現在則向大家介紹以下方法:

    1. 把本天線用一個 4 尺半立方架來支持及轉動,而這個鋁架就是本刊 32 期支持 21MHz 八木天線那個,大家可參考一下。

    2. 由於本天線稍重於 21MHz 天線,以筆者的身高,面對 4 呎半的立方架去升高或降低 21MHz 天線是很方便的,但三單元 HB9CV 天線本體加上兩節水管 (共三節,最外那節不用升高與降低),重量約在 16 ~ 18 公斤,操作起來就不那麼順手了,主要是胸前那根橫放的 4 呎半鋁角擋著,雙手不能大接垂直的三節水管,手一伸長,就使不出力了。

    為了更求安全,就用 6 分水管,如照片 7 、8 所示,連同五個有鎖制的 4 寸膠輪,用燒電焊的方法熔合焊接起來,而 Rotator 則用 2 分螺絲配合適當的厚鋁板,上緊在這個腳架上。至於三節水管的下端則如照片 8,裝緊在轉動器上,上端則用一節約 8 吋長的二寸水管來定位。為什麼不用滾珠軸承呢 (包括 21 MHz 天線那個 4 呎半鋁架也一樣)?因為筆者手工藝十分差勁,安裝滾珠軸承的工藝尺寸要求較精確,搞不好就使 Rotator 轉不起來,而二寸水管的內徑與寸二水管的外徑有較大空隙,較容易處理。

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照片 7:為了更求安全,用 6 分水管連同五個有鎖制的 4 寸膠輪,電焊熔合焊接起來。
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照片 8:三節水管的下端裝緊在轉動器上,上端則用一節約 8 吋長的二寸水管來定位。



結論

    經初步測試,本天線的增益約 7.8 ~ 8.2dBd,半功率夾角約 45 度,F/B 前後比約 22dB,頻帶寬在 SWR 1:2 時超過 400KHz。但這些特性是天線離天台面 13 呎高度時測量的,而這個高度並不理想,受環境影響,只能做到這個地步,以後若有條件測試,進一步資料將向大家介紹。

    當裝好本天線,第一個後果就是睡眠更加不足,原因是 QSO 時更加暢順,又要避開眾多的日本電台 (不回應是不禮貌的),及配合歐美的作息時間,所以唯有在晚上 11 時後才上線,往往 Q 到深宵才散。

    現時由於太陽週期影響,電離層的傳播是差勁的,這更考驗各天線的真實本領;經多次比較,本天線比著名的 A3S 天線在 14MHz 的表現更勝一籌,而價錢則只及其 1/5 以下 (XYL 抱怨 "如果計算工資則貴過五倍以上"),所以各友台不妨抽空一試,如有各方改進意見亦請多多指出。由於主觀成份影響,拙文難免掛一漏萬,忽略細節,請各位連同參考前期 21MHz 八木天線及二單元 HB9CV 天線各文,相信就更清楚了。 END



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