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多波段陷波偶極天線

No.42   1996 July   p 30 ~ 35,   by 林茂榮 Paul Lin, BV5OC, P.O.Box 23-575 Changhua



    下面是以同軸電纜製作的陷波器 (TRAP) 來製作兩只多波段偶極天線,其中一只包括有 80、40、20、15、及 10 公尺波段,而另一只則包括 80、40-17、及 12 公尺波段。

    過去六、七十年間的業餘無線電活動,已經有許多人使用過各式各樣的的多波段天線, 以便涵蓋供給業餘無線電使用的高頻各個波段,近年來重新分配高頻使用,業餘又新添 增了 30、17、及 12 公尺波段,這使得多波段天線的要求呼聲升高。而根本沒有多少 人能幸運到有夠大的空間來架設菱形天線或是斜狀 V 天線,倒是有不少人可以架設倒 L 型長狀天線或是並聯的偶極天線。

    老一輩的同好,都可以回想到大約 30 年代時期,首先出現了所謂的 WINDOM 天線,這 是一種偏中心點饋送的多波段天線,這天線的原始設計只使用單條饋送線,後來才改為 雙線饋送線。過去歲月裡,隨意長度的偶極天線配合 300 歐姆或是 450 歐姆平行饋送 線作為多波段天線已經很普遍,其中最著名的應該要算是 G5RV 天線,前面我們已經多 次討論過這種天線。


不切實際的對數週期定向天線

    如果想要以對數週期定向天線來涵蓋業餘無線電高頻多波段天線的話,那應該算是一種 類似暴力傾向的作法,因為這實在是很不經濟的作為:一只可以涵蓋 10~30MHz 的對數 週期定向天線,卻只拿來使用其中的一小段頻譜。使用對數週期定向天線大概有兩種情 況,一種就是無知,另一種就是有太多的空間及太多的錢,否則實在找不出有其他理由 ,在業餘波段活動範圍內要使用對數週期定向天線。
(BV3FG 註:我個人並不完全贊同作者的這個看法,如果一個業餘無線電人員同時也是 Hardcore SWLer,對他而言對數天線可能就是一把寶劍。)


擺脫天線調諧器

    在過去幾十年當中,有兩項主要因素影響了多波段天線的發展,其一是饋送線大量採用 了阻抗特性比較低的同軸電纜,以及發射機採用了不需要做調諧調整的後級功率放大線 路。一般而言,天線只有在基本的共振頻率或者是奇數倍諧波上,才會有低阻抗的特性 ,雖然可以利用天線調諧器來使天線在各波段上有共振的假象,但是還是有人想要擺脫 掉天線調諧器,試以簡單的天線來供作多波段使用。

    於 1930 年末,終於出現了來自不同巧匠的各種不同的技藝,讓天線可以透過串在天線 上的陷波器,使天線可以做多波段用途。閔君 (Mins) 於 1939 年發表在 QST 雜誌上 的一篇文章: "The Mins Signal Squirter",可以說是現在三波段天線的鼻祖。本文 要探討如何製作多波段天線的陷波器,並且把它應用在兩只陷波偶極天線上。


同一只陷波器,不同多波段偶極天線

    這裡要討論的有兩只多波段偶極天線,一只包含有 80、40、20、15、及 10 公尺波段 ,而另一只則包括 80、40、17、及 12 公尺波段。兩只多波段偶極天線都使用相同的 陷波器,當然工作的原理是不大相同的,而且也引用電容性的殘段來加強頻率的涵蓋範 圍。這個以同軸電纜為主要材料的陷波器有兩種不同的模式,一種是高阻抗模式,另一 種是低阻抗模式,這兩種模式都引用傳統的製造方式,讓同軸電纜的中心線及隔離線串 連在一起,但是輸出端是有分別的,並不是低阻抗模式或是高阻抗模式都可以成為陷波 器輸出端的;在低阻抗陷波器模式下,只用到同軸電纜中心線的繞線,而高阻抗模式下 ,則包含隔離線的繞線都用到,而每只多波段陷波偶極天線上的殘段匹配,對於大小及 位置都加以策略性的衡量,以便可以很容易調整天線的共振頻率。

    參看圖 1 是包括有 80、40、20、15、及 10 公尺波段的陷波偶極天線,天線本身是使 用 14 號銅絞線,天線所標示的是英制的尺寸,而且不包括俗稱豬尾巴的殘段、陷波器 、以及絕緣部份。因此 40 公尺波段的近端部份,32.3 英尺是指從平衡非平衡轉換器 輸出點算起,到陷波器輸入點為止的長度,而 4.9 英尺那一段的長度,則是從陷波 器遠端算起到 6 英尺殘段那一點為止,至於遠 (外) 端 16.1 英尺,則是指從 6 英 尺殘段接點到天線尾端的長度。陷波器是使用 PVC 管以同軸電纜繞製,採用的低阻抗 接點。殘段部份可以採用銅管好方便施工,殘段必須保持與天線相互垂直。

    這天線應該配合高性能的 1:1 平衡非平衡轉換器,並且以 75 歐姆同軸電纜饋送。

Fig 1

    這只天線可以看成是 W3DZZ 天線的變形,與該天線比較,這只天線增加了電容性的殘 段,也因為由殘段的放置位置以及殘段長度,讓這天線共振頻率可以增加了業餘波段中 的兩個波段,也使得這天線可以增加了 15 公尺波段及 10 公尺波段。原本 W3DZZ 天 線在 10 公尺波段的共振頻率是在 30MHz 以上,遠超過業餘 10 公尺波段的範圍。

    參看圖 2 則是包括 80、40、17、及 12 公尺波段的陷波偶極天線。注意電容性的殘段 就加在陷波器外端起點,長度是 6.5 英尺,這比起一般的殘段長度多出了半英尺,這 個陷波器與一般的一樣,但是採用高阻抗輸出模式,因為這只偶極天線只有四個波段, 因此要讓每個波段都有精密的共振頻率並不難,12.4 英尺長的線段是用來調整 17 公 尺波段的共振頻率,而且不會影響 12 公尺波段,而上頭的 12 公尺波段的殘段調整, 是用來微調 17 公尺波段的共振頻率,但不會影響 17 公尺波段,至於這兩種調整對於 80 公尺波段的共振頻率影響都很小。因為這陷波偶極天線在 17 及 12 公尺波段的頻 寬都很大,因此一般是不大需要調整的;於 40 公尺波段的共振頻率,可以由電容性的 殘段以及最外圈的線段來調整。 Fig 3

    和前一只天線一樣,這只天線也是以 75 歐姆的平衡非平衡轉換器及饋送線來饋送。

    參看圖 3 是陷波器線路,它可以清楚地表明陷波偶極天線的高阻抗模式及低阻抗模式 ,一般傳統的陷波偶極天線,大多是採用高阻抗模式作為輸出點,而低阻抗模式接點, 是採用同軸電纜中心線的繞線而已,因此繞線圈數就只有高阻抗模式的一半,採用此點 時,可以把端點阻抗降到只有高阻抗模式端點的四分之一。這也就是為什麼同樣一只陷 波器,可以供做不同的陷波偶極天線使用的原因。


製作陷波器

    參看圖 4,是以同軸電纜來製作陷波器的縱切面圖,仔細瞧的話,除了多出一個低阻抗 模式輸出點外,與傳統的陷波器沒有兩樣,這個陷波器是以外徑 2 英吋的塑膠管以同 軸電纜線密繞而成的,圈數是 8 圈,採用的是編號 RG-59 的同軸電纜,這樣繞成的陷 波器長度是 4 英吋,通常陷波器外徑大小對於共振頻率的影響極大,所以製作陷波器 時,塑膠管的外徑一定要確認,更要小心的是,並非所有的塑膠管的管璧厚度都一樣的 ,所以製作好陷波器之後,最好以陷波表測驗一下。這個陷波器的共振頻率應該是在 7150±50KHz 範圍內。還有繞製陷波器的塑膠管兩端應該多留出約 3 公分左右,以便 固定同軸電纜及天線拉線,同時不要忘了要把陷波器內的同軸電纜尾端封牢,以避免同 軸電纜遭風雨侵蝕。

Fig 4



注意陷波器方向

    製作陷波偶極天線時也要注意,從天線饋送點開始,接第一只陷波器時,也就是 32.2 英尺下的陷波器,近端 (指靠近饋送點) 應該接陷波器內的同軸電纜中心線,也就是 圖 4 中的輸入端,這可以避免因為同軸電纜隔離網的寄生電容而影響天線的共振頻率 ;至於陷波器的輸出端就往外 (遠端),如果輸出入端反接時,在 14MHz 波段會使共 振頻率偏移約 50KHz。

Pic 1
Fig 5

    製作完成的陷波器可以參看照片 1,天線上陷波器的安裝情況詳如圖 5 所示,這是針 對包括有 80、40、20、15、及 10 公尺波段的陷波偶極天線而設計的,因此採用低阻 抗模式接點。


天線輻射圖案

    這兩只天線的特性表現還叫人滿意,目前我使用中的是 80、40、17、及 12 公尺波段 的陷波偶極天線,因為這天線包含了我所沒有的 17 及 12 公尺波段。這天線在 17 公 尺波段的表現,就像是二分之三波長偶極天線,而在 12 公尺波段的表現,就像是二分 之五波長偶極天線,在台灣中部我架設的是東西方向偏南約 15 度,以倒 V 字型架設 ,高度大約是 13 公尺,天線頂端夾角大約是 120 度,天線上的殘段都很短,因此對 於天線輻射的影響並不大,天線有四只主要的輻射葉片,分別指向東北、東南、西北、 及西南方向,這可以包括日本及北美、澳洲、中國北方、中國南方及東南亞各國。

    雖然 80 及 40 公尺波段的輻射增益不高,但是當 17 及 12 公尺波段傳播狀況打開時 ,使用 100 瓦輸出就可以做很理想的遠距離通訊。

    兩只天線在 80 公尺波段或是 40 公尺波段都可以算是半波長偶極天線,至於在其他波 段,這天線可以算是奇數諧波的電流點饋送偶極天線,雖然駐波比值算是很高,但依然 在可以接受的範圍內,對於三倍或是五倍諧波的偶極天線而言,天線上的殘段可能會降 低饋送阻抗,也可能使饋送阻抗升高,因為這種特殊情況,所以還要再特別強調一次, 這裡要使用 75 歐姆的同軸電纜而不是 50 歐姆的同軸電纜。

    兩只天線的駐波比值都經過細心的測量,為了測量精確,在 75 歐姆同軸電纜與 50 歐 姆駐波比電橋之間加有 75:50 歐姆的平衡非平衡轉換器,在實際應用上,50 歐姆輸出 的發射機使用 75 歐姆同軸電纜饋送線是無可厚非的,只不過是後級或是天線調諧器需 要調整。

    參看圖 6 是 80、40、20、15、及 10 公尺波段的陷波偶極天線的駐波比值曲線,在 80 公尺波段的最低駐波比值處,幾乎是 1:1,而 40 公尺波段上最低駐波比值是 1.5:1,而 20 公尺波段及 10 公尺波段最低駐波比值分別是 1.6:1 及 1.5:1。而 15 公尺波段的駐波比值稍高一些,最低的駐波比值只比 3:1 低一點點,這是因為天線的 殘段有電容性電抗,以及 15 公尺波段在遠端有電感性尾端負載造成的電感電抗,這使 得 15 公尺波段的饋送點阻抗升高到 220 歐姆,這遠比二分之三波長偶極天線饋送點 阻抗還高,這種情況,如果發射機的輸出功率不足,也許就要使用天線調諧器。

Fig 6

    參看圖 7 是 80、40、17、及 12 公尺波段的陷波偶極天線的駐波比值曲線,值得注意 的是這只天線在 80 公尺波段中央有極低的駐波比值,幾乎是 1:1,這看來很像是全長 的 80 公尺波段偶極天線的性能,只是因為陷波器其殘段,使得這天線縮短不少,這天 線在 17 公尺波段的性能也不錯,在整個 17 公尺波段,最高的駐波比值也梢高於 2:1 而已。

Fig 7

    但是請注意這天線在 12 公尺波段的駐波比值曲線,可以看到整個波段的駐波比值都超 過 4:1。這個波段上的饋送點阻抗會升高到 300 歐姆,是因為陷波器旁的殘段有電容 性電抗,以及天線遠 (外) 端造成了電感性電抗的關係,這都會使得共振時的阻抗升 高,這些因為殘段引起的阻抗升高,與 15 公尺波段是一樣的,只不過是 12 公尺波段 更加明顯而已。

    不應該太過於關心饋送線的駐波比值,因為就算是駐波比值高達 9:1,也不用擔心會有 太高的電壓擊穿饋送線。這裡要記住一個原則,那就是出現在饋送線的高壓,是與駐波 比值的平方根成正比,因此假如在駐波比值是 1:1 的情況下,如果饋送線出現的電壓 是 274V 的話,那麼駐波比值升高到少 9:1 時,這電壓也只是升高到 822V,這個電壓 遠低於一般同軸饋送線的額定耐壓,比如 RG-11 的額定耐壓是 3700V ,就算是 RG-59 同軸電纜的額定耐壓也有 1700V,這是兩種使用最普遍的 75 歐姆同軸電纜。

    而要使陷波器內的同軸電纜被擊穿,也幾乎是不可能,這在後面的討論當中會有詳細的 說明,所以如果做個總結,這天線的額定功率是以陷波器的額定消耗功率為限制的,因 為要擊穿陷波器或同軸電纜饋送線之前,早已遠超過陷波器的額定功率。


陷波器損失及額定功率考量

    有關陷波器的 Q 質情況參看表 1,我使用的 Q 質表並非實驗室儀器,而是一只老舊但 經過校正的 Q 質測試表,雖然頻率限制而無法測量所有波段,但是我假設陷波器的阻 抗損失是由肌膚效應而起,而這阻抗損失是與頻率的平方根成正比。至於陷波器因為介 電質引起的損失,就與頻率成正比。

    利用這種方式,相信在 80 及 40 公尺波段的誤差應該會小於 4%,而 10 公尺波段的 誤差是介於 10%~15% 之間。陷波器的 Q 質包括有高阻抗及低阻抗情況,一般而言,低 阻抗端的 Q 質比高阻抗端低約 15%~20% 之間。

表 1:陷波器的 Q 值
頻率(MHz) 3.8 7.15 14.18 18.1 21.3 24.9 28.6
高阻抗端(ohm) 101 124 139 165 73 179 186
低阻抗端(ohm) 83 103 125 137 44 149 155
表 2A:80、40、20、15、及 10 公尺波段的陷波器損失分析
頻率(MHz) 3.8 7.15 14.18   21.3   28.6
輻射效率(%) 96.4 70.8 99.4   99.9   100.0
陷波損失(dB) -0.16 -1.5 -0.02   -0.01   -0.003
表 2B:80、40、17、及 12 公尺波段的陷波器損失分析
頻率(MHz) 3.8 7.15   18.1   24.9  
輻射效率(%) 89.5 90.5   99.3   99.8  
陷波損失(dB) -0.5 -0.4   -0.03   -0.06  

    在自由空間下,我計算了天線上陷波器的損失,首先要掌握的是,天線在共振頻率下的 饋送點阻抗,首先假設陷波器的 Q 質是無窮大,然後再根據表 1 的 Q 質計算。這裡 輻射效率也被轉換成陷波器的損失,並且以 dB 值來表示。80、40、20、15 、及 10 公尺波段的陷波偶極天線的陷波器損失分析如表 2A 所示。80、40、17、及 12 公尺波 段的陷波偶極天線的陷波器損失分析如表 2B 所示。

    從陷波器損失分析得知,此天線的輻射效率都超過 90%,唯一的例外是當 80、40、20 、15、及 10 公尺波段的陷波偶極天線在 40 公尺波段上的效率只有 71%。如果以最大 功率 1 千瓦計算,在 90% 的效率下,每個陷波器的消耗功率是 50 瓦,根據我使用的 經驗,除非是長時間把電鍵壓下,否則陷波器是經得起最大功率的,至於 SSB 平均而 言,其功率大約只有 CW 的一半,也就是說每只陷波器只有 25 瓦的消耗功率,這遠低 於陷波器所能夠承受的最大功率。

    當 80、40、20、15、及 10 公尺波段的陷波偶極天線在 40 公尺波段工作時,假設同 樣是 1 千瓦,因為效率只有 71%,所以每只陷波器的消耗功率為 146 瓦,這功率不消 說一定會把陷波器燒壞,就算是很短的電鍵動作,這功率就足以把陷波器燒毀,因此在 這種情況下,天線的輸入功率必須被限制在 300 瓦,如果以一般 CW 操作是用 50% 的 工作週期來計算,那麼最大的功率是 600 瓦,同樣地,SSB 操作時,也是要限制在 600 瓦。

    陷波器的額定功率有嚴格的定義,因此我也就沒有去詳細分析這裡使用的陷波器到底可 以耐多大的額定功率,不過要了解陷波器有多大的額定功率,最方便的方法是從實際操 作下手。根據我自己的經驗,就算是在效率最差的 80、40、20、15、及 10 公尺波段 的陷波偶極天線上使用 40 公尺波段的情況,以 AL-80A 輸出 600 瓦的線性放大器工 作,也沒有燒壞陷波器的記錄,當然找沒有故意長時間押下電鍵來測試,而都是在正常 使用情況下的情況。


總結

    有些同好也許會主張使用不同的同軸電纜來製作陷波器,以 RG-59 同軸電纜而言,每 1000 英尺有 40.7 歐姆的直流阻抗似乎是高了些。但是我再也找不出其他編號的同軸 電纜,能夠提供如此理想的電感與電容比來製作 80、40、20、15、及 10 公尺波段的 陷波偶極天線。也許可以採用傳統的陷波器製法,以導線纏繞並聯固定電容的方式來製 作陷波器,但是考慮到方便性以及抗氣候侵蝕能力而言,再也沒有其他方法比同軸電纜 來繞製陷波器更理想。 END

主要參考資料: Two new multiband trap dipoles, by Albuxton



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