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PAUL's BASICS
梯形饋送線的誘惑

No.41   1996 June.   p76~78,   by 林茂榮 Paul Lin / BV5OC , P.O. Box 23-575 Changhua



    業餘無線電愛好者往往因為環境受到很大的限制,而無法順利架設想要採用的天線,不得不退而求其次。誰都希望自己有個高高的鐵塔,一只像樣的定向天線,但目前這幾乎是和做夢沒有兩樣,因為環境的限制關係,除非搬家,否則根本不可能。


自製垂直天線需地網配合

    那麼來根垂直天線怎麼樣?但是一想到垂直天線根本無法架高,而要掩埋輻射狀地網系統也會是一個大問題。那麼買根不須要使用大型地網系統的垂直天線來架設又如何呢?一來我懷疑架設太低的垂直天線性能的表現,二來我也覺得那天線太貴了,買不下手,而且國內也沒有很多的選擇機會,或是使用者情報可以蒐集。再加上我的住家不高,地處住宅區中間,在屋頂上架設一根有兩層樓高的垂直天線,怕太顯眼,而且垂直天線的潛在射頻干擾也比較大。於是我只好選擇了線狀偶極天線。


往Λ型線狀偶極天線發展

    要架設線狀偶極天線並不難,但是我不希望因為業餘無線電活動而影響到與鄰居間的人際關係,因為要架設好標準的線狀偶極天線,總會把一些拉線侵入到鄰家的產權內,或公共用地上,為了避免這種情況,我只好拉成Λ狀 (倒 V 字型),如此一來,就可以在神不知鬼不覺的情況下,操作起業餘無線電;老實說,已經好幾年了,我未曾跟鄰居談起業餘無線電,他們也都不知道有座操作著話務、莫爾斯碼、數據通訊、影像通訊等通訊活動,可以和世界各地聯絡的業餘無線電台,就在他們的隔壁。


借助於天線調諧器

    也許我的倒 V 狀線狀偶極天線,可以拉兩條盡量長的天線,利用低損失的同軸電纜來饋送,然後利用天線調諧器來當發射機的匹配負載,這樣就可以不用擔心天線的高駐波比值,因為天線調諧器可以一手承擔不匹配的部份,而被「騙」出來的射頻功率,也可以在天線調諧器與天線之間來回跑,最後還是會被輻射出去,這一切的規劃看來還不錯。

    我的倒 V 狀線狀偶極天線總長有十幾公尺,並且使用低損失的同軸饋送線,試過之後,也確定這只天線在 40 ~ 10 公尺波段之間,都能正常運作,這其中雖有 17 公尺波段讓天線調諧器很勉強應付,至於 10 公尺波段雖然能使用,但偶而發現天線調諧器會有輕微的弧光現象,這表示天線本身在這頻率的駐波比值太高了。

    儘管有這些問題,利用這樣的天線系統,也通過了上百個國家地區,短短的半年不到的時間,就完成了「全日本所有縣」的通訊獎狀。

    後來發現駐波比高的不只是 10 公尺波段及 17 公尺波段,幾乎所有波段的駐波比都偏高。我使用的是耐高壓的同軸饋送線,把收發機的輸出功率全開時,饋送線也沒有明顯的發熱現象。看來這套天線系統還不壞,但是因為天線存在的不匹配現象,一定損失掉不少功率在同軸饋送線內。


另做它想

    第一個浮上心頭的是改用陷波式的倒 V 型多波段線狀偶極天線,因為線狀偶極天線雙翅加上陷波器後,天線就會有許多共振頻率。但是因為陷波器是由電容與電感構成,不但體積大 (與線比較),而且訊號通過陷波器時也會有少許的功率損失。

    如果採用並聯的扇狀線狀偶極天線呢?這種把幾個不同波段的天線尾端分散,而饋送端集中在一起,利用同一條饋送線饋電的天線,因為波段多,拉線就複雜起來,這使得問題又回到原點,因為這樣的天線既龐大又顯眼,我的架設環境根本不容許。

    有了上面這幾種想法之後,就讓它逕自在腦海中閒盪了一年之久,直到有一天,我看到了一篇討論饋送線的文章,而且也介紹了梯形饋送線,這文章讓我把以前碰到的問題剎那間一掃而光。看完這資料之後,知道我先前的假設是正確的,也就是使用天線調諧器後,訊號會在天線與天線調諧器之間來回跑。就算天線不諧振,有極高的駐波比值,但是只要饋送線有低損失值,那麼這樣的天線系統應該一樣可以正常工作。

    我使用的饋送線有很低的損失值,根據資料,這饋送線的損失值是每 100 英呎 1.5dB / 100MHz,我使用的饋送線長度只有大約 15 公尺左右,而且最高工作頻率只有 29MHz,因為饋送線的損失量隨著長度縮短或工作頻率降低而下降,所以這樣看來,我的情況應該還好。其實並不好,可能還要用很糟糕來形容呢!


探討自己的天線系統

    這是因為我沒有考慮到天線有很高的駐波比值,為了可以很客觀的分析出這天線系統的潛在毛病,利用電腦程式來分析這總長約 20 公尺的線狀偶極天線,細看數字之後叫人有點震驚,因為發射出來的功率,在某些波段內,效率簡直不能看,每 3dB 的損失量,表示功率只剩一半,6dB 表示只剩四分之一,依此類推,你可以發現在 17 公尺波段及 10 公尺波段,真正輻射出去的功率不到四分之一。


低損失的梯形餚饋送線

    因為環境的關係,我只能選用倒 V 型線狀偶極天線,但是這分析結果不得不叫人失望,還好有個解決方案 -- 使用更低損失的梯形饋送線。

    梯形饋送線和同軸電纜線不一樣,同軸電纜是由外層隔離網包裹著中心線所構成的,而梯形饋送線則由兩並列的平行線所構成,平行線之間使用絕緣片來保持兩線之間的固定距離,因為兩線距離固定且平行,因此流經電流所形成的磁場會相互抵銷,稱為「平衡式饋送線」。而市面上出售的 450 歐姆平衡式饋送線,因為中間打洞 (可以減少損失量) 而呈爬梯狀,故稱之為「梯形饋送線」。梯形饋送線也可以利用傳統的電視饋送線加工而成,參看圖 1。

Fig 01
圖 1:梯形饋送線也可以利用傳統的電視饋送線加工而成。



梯形饋送線的麻煩

    但是平衡式饋送線不是會沿著饋送線產生電波輻射嗎?而且拉這種饋送線,沿途不能碰到或接近導體,不像使用同軸饋送線那麼方便。但是先暫時不管它,利用同樣的電腦分析程式,把饋送線改用梯形饋送線試看看,結果在 40 ~ 10 公尺波段內,總損失量不超過 0.3dB。但是剛剛提到的那些梯形饋送線使用上的問題呢?能夠克服嗎?

    如果梯形饋送線是真正的平衡式,就不會有輻射的問題,這樣說來就只剩下接近金屬物了。根據梯形饋送線的使用注意事項,只要遠離金屬物幾公分遠就可以了,因為這種饋送線一旦接近金屬物,會因為耦合現象而破壞了平衡關係,除非是沿著屋簷下金屬構造的排水槽放置,而嚴重破壞了平衡關係,否則,天線調諧器應該可以修復這些部份受損的不平衡現象。另外使用梯形饋送線時,饋送點的加工也是頂麻煩的,參看圖 2。

Fig 02
圖 2:使用梯形饋送線架設偶極天線時,天線饋送點的標準固定方式。



Fig 03
圖 3:使用梯形饋送線架設好的天線,特別注意饋送點的加工。

實際試驗

    我先以 30 公尺長的 450 歐姆梯形饋送線配合線狀偶極天線使用,因為是試用的關係,因此也就沒有按照規矩安裝,爬過屋頂,跳過窗子就直接拉到天線調諧器上,這其間有許多不當之處,比如有一小段經過雨槽,經過窗子時,也有一小段與窗框的金屬鋁相貼近。參看圖 3,是使用梯形饋送線架設好的天線。

    梯形饋送線接好之後,我開始發射試用,從 40 公尺波段開始試,叫人感到意外的是,很容易就找到調諧點,但是這並不能證明什麼,波段開始慢慢往上升,30、20 ……到了 10 公尺波段,同樣的都能很快找到調諧點,駐波比值都能有 1:1,試用時,還特別注意許多擔心會發生的問題,結果,沒有產生弧光、沒有射頻干擾。在測試 15 公尺波段時,剛好有個 DX 電台在呼叫,當這電台的尾聲“… standing by for calls." 結束時,我馬上發出自己的呼號,結果立即得到回答。

    試用結束之後,又連續使用了好幾天,心想,損失量這麼低,何不試試 80 公尺波段呢?但是天線長度 20 公尺不到,架高 10 公尺左右,要讓 80 公尺波段動起來,還真不簡單呢?天線太短了,調諧器動得了嗎?

    這次擔心又是多餘了,一片驚愕之餘,發現駐波比值真的都是 1:1 的讀數,而且也收到了幾個電台訊號,其中一個電台還給了不錯的訊號報告。這是我第一次使用倒 V 型線狀偶極天線在 80 公尺波段上線。我又想試試 160 公尺波段,這次天線調諧器真的就無能為力了,因為天線調諧器的駐波比表頭老是顫動著。

    這樣的天線系統,在各波段的性能表現都不錯,尤其是原本駐波比值很高的波段,改善的效果特別明顯。多虧是有了梯形饋送線,現在發射機送出的功率,大多數是輻射出去,而不是在饋送線內生熱而耗掉。


梯形饋送線並非萬靈丹

    要特別強調的是,上面的例子是以我的特殊情況而言,因為空間的限制,而無法架設夠理想的天線,因此以總長約 20 公尺左右的倒 V 型線狀偶極天線來做多波段天線使用,而這種情況下,改用梯形饋送線,只是讓惡化的情況好轉而已。因為不論如何,天線本身的駐波比值還是要冒著饋送線出現高壓的危險,就像我的情況,在 160 公尺波段就有明顯的弧光現象,有些天線調諧器也許在更小功率下,就會出現弧光。如果有類似這樣的用途,建議選用天線調諧器的額定功率一定要大,最好是 1KW 以上,而且也要有平衡輸出端子才好。


結論

    梯形饋送線很容易受到天候影響,而且與天線的接觸也很脆弱,除非是特別加強結構,同時,梯形饋送線也很難鋪設。如果可以解決這些缺點,梯形饋送線可以配合任何高頻天線使用,不僅便宜,而且單位長度的功率損失量非常低。如果因為空間受限而無法架設理想的天線,也許梯形饋送線可以幫你圓夢。 END

    主要參考資料:The Lure of the Ladder Line, by Steeve Ford



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