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斜狀 VEE 天線

No.42   1996 July   p 36 ~ 44,   by 編輯部



    斜狀 VEE 天線是一種頻寬可以很大的端負載天線,因此不只資深的業餘無線電家青睞此種天線,一些業餘的短波迷對這種天線也同樣愛不釋手。

    斜狀 VEE 天線容易架設,建造費用不多,結構簡單,如果有人在渡假或野營活動時,打算也讓無線電同行,斜狀 VEE 天線也很適合在野外搭建。在頻率比是 5:1、10:1、或更大的工作頻寬情況下,斜狀 VEE 天線還是可以提供尚稱合理的增益。此類天線的工作頻率以實用程度而言,可以從 3~800MHz。

    最常見的斜狀 VEE 天線安裝樣子如圖 1 所示。兩條向下傾斜並彼此呈一固定夾角的導線是天線主元件,射頻訊號從頂端夾角處饋送,也就是從最高的頂點饋電,而兩向下傾斜的導線在靠地面處有一 50 歐姆電阻為負載。

Fig 1

    但真實的斜狀 VEE 天線並不是這樣的,真正的斜狀 VEE 天線夾角是比尾端的端負載還低的,也就是夾角在下,天線往上傾斜。但是這樣子的架設需要兩個高點固定處,不但架設費事,端阻抗不容易安裝,也比較花錢。不過兩種不同架設方式都稱做斜狀 VEE 天線,因為從外表都可以看出天線呈現的 V 字型樣子。

    本文以介紹斜狀 VEE 天線系統為主,討論重點則放在斜狀 VEE 天線的設計程序及其特性上,並以一只可供 10~60MHz 用的斜狀 VEE 天線的架設為例做詳細說明,同時更進一步實測此天線的性能,用來印證理論。

    高頻波段用的斜狀 VEE 天線,有一明顯的好處是,它兼有水平天線與垂直天線的優點,因此本身可以看成是極化多重接收 (參看文末的多重接收介紹) 的好天線。

    要使用以此類天線為主的通訊,在設計天線時就要多方仔細考量。例如增益的大小是要全盤考慮的,以通訊兩地的距離為基礎,考慮有效折射電離層高度來決定天線輻射角。另一項考慮要點是,天線要有多大的頻寬。這與工作頻率有關;有些人只注重高頻,有些人則希望連 6 公尺波段 (50MHz) 也一併考慮進去。一只高增益的八木定向天線所涵蓋的頻寬只有中央頻率的幾個百分比,例如 14.25MHz 為中央頻率的八木天線,頻寬也許只有約 500KHz 左右。而設計妥當的斜狀 VEE 天線,頻寬則幾乎可以包括 3~30MHz 的整個高頻波段。

    選定斜狀 VEE 天線的架設環境也很重要,從高頻到極高頻波段,地面的導電性對天線性能有很微妙的影響。對於低輻射角的天線,地面的因素對天線的性能影響更深。

    要進行遠距離通訊,採低輻射角比較有利。幾乎水平的低輻射角當然能做最遠的通訊,而如此低的輻射角,附近的小山,地面上可能阻礙電波的物體,就成為遠距離通訊的限制,這些阻礙物限制了輻射角度,也就限制了通訊最遠的距離。


工作原理

    如圖 1 所示,射頻訊號電流在斜狀 VEE 天線元件上的流動情形。總電流中有兩主要成份,一為從發射機來的,從饋送點往天線兩尾端走,另一為天線尾端折返的電流。理想的斜狀 VEE 天線,因為尾端負載已經把所有射頻吸收,所以折返的電流應為零,但是在現實世界裡,或多或少總會有折返的電流。於是兩電流在天線元件上形成不很強的駐波。至於像中央饋電的一般偶極天線,因為沒有尾端負載,很可能因為大量電流的折返,而有很大的駐波。

    基本上,偶極天線是一種共振方式、窄頻寬、駐波 (Standing Wave) 的天線;相反的,斜狀 VEE 天線則是一種非共振方式、頻寬大、行進波 (Traveling Wave) 的天線。斜狀 VEE 天線可以有很大的工作頻寬,是因為折返的電流都因有端阻抗的吸收而變成很小。斜狀 VEE 天線的端阻抗可以吸收掉不被天線輻射的能量,如果此端阻抗與輻射元件有共軛匹配,則根本不會有折返電流,因為所有剩下的能量完全被天線尾端的負載吸收掉了。這與饋送線尾端接一負載相類似,如果此負載內的阻抗與饋送線共軛匹配,則可以有最大的能量轉送。

    一般饋送線的阻抗都設計成純阻抗,所以負載的阻抗也是純阻抗。一般業餘無線電最常用的同軸饋送線的阻抗是 50 歐姆,因此匹配的要求自然就是電阻性的 50 歐姆,這負載可能是電阻,或阻抗是 50 歐姆的天線饋送點。

    斜狀 VEE 天線的頻寬要看在斜狀 VEE 天線元件上有多大的頻率範圍能表現得像進行波而定。精確的頻寬定義是指在某一段頻率範圍內,天線的駐波比都在某一閥值內。

    習慣上,我們常把駐波比在 2:1 之內的頻率範圍稱為該天線的頻寬。當然也有人把駐波比定在 2.5:1 的,這是指發射機,如果是接收機的話,駐波比可以定在 5:1。之所以會有這麼樣的差別,是因為發射機的輸出端往往無法忍受高的駐波比,除非把輸出功率大量降下來。而對接收機來說,就沒有此項問題纏身。

    針對接收機而言,天線的駐波比增高,使接收機的前端線路因為不匹配的關係,訊號被衰減了許多。不匹配的情況嚴重到某一程度時,同樣也會使接收機的靈敏度不足以應付。圖 2 是訊號因不匹配受衰減與駐波比的關係。在駐波比 5:1 時,接收機的靈敏度下降了 2.5dB,而在駐波比 21:1 時,相當於接收機的靈敏度下降達 8dB。

Fig 2

    設計斜狀 VEE 天線的重點之一,就是要讓發射機的駐波比小於 2:1,及接收機的駐波比小於 5:1,以便能有最寬廣的工作頻率範圍。例如斜狀 VEE 天線用於 3.5~30MHz 的發射範圍,能符合駐波比小於 2:1 的要求,那麼便可以使用這只天線接到發射機,而且不用天線調諧器,也不用任何匹配網路。而同樣這只天線應用在接收機,所能涵蓋的頻率範圍也要更廣些。


斜狀 VEE 天線設計程序

    斜狀 VEE 天線的設計包括三個主要步驟:

  • 此天線的通訊路徑為何:這只要回答下面幾個問題就明瞭:工作頻率及通訊距離為何?傳導的路徑是何類?
  • 選擇天線夾角:這與天線的工作頻率有關,也興天線尺寸有關。
  • 根據通訊距離的需要,算出天線輻射圖案。

    現在假設有一天線,其條件為:

  1. 工作頻率範圍是 15~50MHz。
  2. 傳導模式為 100 公里上空的流星雨反射。
  3. 路徑距離為 400~1200 公里。
  4. 天線架設空間限制為 30 x 30 公尺,高度是 7 公尺。

    根據斜狀 VEE 天線設計程序,把上述條件因素納入考慮,做每一步驟逐項詳細說明。

第一步驟:通訊路徑的評估

    影響斜狀 VEE 天線設計的有三個傳導路徑因素,(1) 發射與接收點之間的距離,這決定了天線的輻射角。 (2) 工作頻率,這決定所須的頻寬。及 (3) 電離層傳導模式,這決定了天線的輻射角。

    上面的因素必須為已知或約略評估,否則就無法設計出實用的斜狀 VEE 天線。

    在地表相距遙遠的兩地,無線電波是靠著電離層或其他少數幾種機轉的因素 (例如流星雨) 把電波折返回地面,彼此才得以通訊。例如高頻最明顯的是靠電離層把天波折返地面,而做遠距離的通訊。典型的例子如圖 3 所示,高頻的天波從發射機出來,直線往電離層奔去,在電離層符合折射條件地點,把天波折回地表。

Fig 31

    這樣通訊的距離會受電波折返點離地高度的影響,折返點的離地高度越高,通訊的距離越遠。

    高頻的天波傳導是靠電離層的折射做遠距離通訊的。D 電離層的高度約 50 公里左右,E 電離層則約 120 公里高,至於 F 電離層最高,約 200 到 500 公里之間。

    最近由於數據通訊的快速發展,像是包封通訊,可以快速的傳遞資料,因此漸漸地有人對利用流星雨的遠距離通訊感到興趣。這是因為流星雨造成的小規模高密度電子雲層可以折射無線電波,通常其高度約在 100 公里左右。由於地表的曲度,加上發射位置與接收點問的距離,及折射天波回地表的電離層高度,可以決定出天線的最佳輻射角度。角度太高,電波折回地表時,還未達到接收處,相反地,角度太低,則電波折返地表時,已經越過了接收地點。

    圖 3 說明了斜狀 VEE 天線的兩個重要角度。輻射角 (水平角) 是指天波輻射出去方向的直線與水平面的夾角,垂直角 (ZENITH) 則是指相同天波直線與垂直線的夾角,此角度很重要,因為在描述或說明電波傳導路徑時,會常提及輻射角;但是在正式的天線系統性能評估時,習慣上用垂直角。從上面得知,輻射角與垂直角的總合永遠是 90 度,所以 90 減去垂直角就是輻射角,而 90 減去輻射角就是垂直角。

    圖 4 是通訊距離的曲線,左邊是表示在一定輻射角時,所能夠通訊的距離,右邊是障礙物高度與輻射角的關係。圖中有三條曲線,表示不同折射高度與輻射角的關係,高度分別是 100、300、及 500 公里。

Fig 4

    已知輻射角所能達到的最遠距離,或已知通訊距離時最理想的輻射角,可以參看圖 4。例如輻射角 20 度時,由 500 公里高的折射點所完成的最大的通訊距離是 2100 公里,輻射角若降至 15 度,通訊距離可以增加到 4000 公里。假如通訊距離是 3200 公里,以 500 公里高的折射點而言,需要 10 度的輻射角,若折射點高度降到 300 公里,則輻射角要低到 3 度左右。從圖 4 的右半部,可以得知障礙物高度的曲線,這對低輻射角,並且住在山腰或都市叢林中的人來說,周遭高聳雲天的建築物及後面山坡,都可能是低輻射角無法避免的障礙物。

Fig 5

    從圖 4 中也可以看出斜狀 VEE 天線在那一輻射角時,有最大的涵蓋範圍,例如應用 100 公里折射點的最理輻射角是在 8~25 度之間。因此若設計應用到這些條件的天線時,輻射角自然要讓它介於 8~25 度之間。當然輻射角 8 度有最遠的通訊距離,但也得考慮是否有輻射障礙物的問題。例如離可能的障礙物 400 公尺的話,那麼從圖 4 可以查知,該物體高度不能超過 60 公尺。

第二步驟:天線頂角

    圖 6、7 的曲線,表示了斜狀 VEE 天線頂角大小 (度) 與天線元件長度及天線工作頻 率之間的關係。

    大致上,斜狀 VEE 天線頂角與天線元件長度及天線工作頻率高低是呈反比的關係。也就是說天線元件長度越短,工作頻率越低,斜狀 VEE 天線頂角越大。圖 6 是 10、30~50MHz 與天線元件長度之間的關係。而圖 7 內則是天線元件長度分別是 20、40、及 60 公尺與工作頻率之間的關係。但別忘了我們剛提過,這裡提出做說明的斜狀 VEE 天線的工作頻率是介於 15~50MHz 之間。

Fig 6
Fig 7

    實際上,最佳的斜狀 VEE 天線頂角是指單一頻率而言,而不是對一段頻率內都有效,因此,最佳的頂角就變成是妥協與判斷之下的產物。主要的目標是要選出一個頂角,能適用於所有計畫內的工作頻率。像我們要說明的例子,就清楚地表明架設空間只有 30 x 30 公尺,所以天線元件長度只能選 20 公尺。參看圜 6 及圖 7,可以看出天線元件 20 公尺的最佳頂角在 10MHz 工作頻率上是 116 度,而在 50MHz 上是 54 度,經由妥協及判斷的結果,我們可以取工作頻率在 30MHz 時的頂角,就是 69 度為本天線的頂角。而也不必就認定非 69 度不可,可以拿它為測試的起點,說不定還有更理想的頂角。

    現在該來看看斜狀 VEE 天線頂角與饋送點阻抗的關係,圖 8 就是頂角在 40、70、及 100 度時,工作頻率與饋送點阻抗之間的關係。70 度頂角時,30MHz 的饋送點阻抗是 690 歐姆 (習慣上,斜狀 VEE 天線被視為 600 歐姆天線),當工作頻率降到 15MHz 時,阻抗上升到 780 歐姆,但 50MHz 時的阻抗卻是 630 歐姆。所以在設計時,此天線的饋送點阻抗可以把它看成是 690 歐姆。

Fig 8

    因為斜狀 VEE 天線是屬平衡輻射天線,而同軸饋送線則屬非平衡式,因此斜狀 VEE 天線須要使用平衡非平衡轉換器。若要與 50 歐姆系統的發射機與饋送線匹配,則可以使用 14:1 的平衡非平衡轉換器。

    除此之外,也要得到端阻抗的值,此值為饋送點阻抗之半,上面的例子是 345 歐姆,此端阻抗可以挑一接近的標準電阻使用即可,因為此值也是隨著工作頻率不同,而有些許的變化。

Fig 9

    架設在地面上的斜狀 VEE 天線如圖 9 所示。天線元件長度是 20 公尺,頂角是 69 度,兩天線元件尾端的距離可以用三角函數算出,或用方格紙按比例也可以量出。此例子是 22 公尺。

第三步驟:輻射圖案

    一只天線要有能力集中發射方向,才可以有效的改善天線效率,設計斜狀 VEE 天線的最後一個步驟是算出輻射圖案,以引證天線性能。

    某些參數,像是饋送點高度、尾端負載高度、及天線元件長度等,在天線的特性尚未論定之前都是可變的,而一旦這些參數稍有異動,輻射圖案也跟著變化,要一直到輻射圖案符合要求時,天線的設計才算完成。輻射圖案若未能滿足所須,就要不斷地重覆修改,當然改來改去難免乏味,不過多次的修改總有更大的機會得到更精良的天線設計,藉此洞察出不同參數的變化,對斜狀 VEE 天線的影響。

    在我們設計的例子當中,天線元件長度採用 20 公尺,是因為受架設空閒的限制。沒有討論架設高度是因為最高不得超過 7 公尺,所以這個例子裡,斜狀 VEE 天線頂角的架設高度可以是 6 公尺,而尾端負載就貼在地面上。

    計算輻射圖案時,以每 5MHz 為一段,算出 15~50MHz 之間,這是在舉例前就聲明的工作頻率範圍。以圖 9 為藍圖架在地上的斜狀 VEE 天線,雖然因為空間的限制,只能選用 20 公尺的天線元件長度,但是為了能明瞭天線元件長度對輻射圖案的影響,這裡還是提出來討論。圖 11、12、及 13,分別是 15MHz、30MHz、及 50MHz 的輻射圖案。所有的輻射圖案都是以頂角架高 6 公尺去計算的,頂角是 69 度,天線元件用的是直徑 3.17mm 的材料。圖 10 所示是 15MHz 的輻射圖案,縱軸的左邊是天線的增益,單位是 dBi,橫軸是天線的垂直角。要注意此圖的橫軸是垂直角,而不是輻射角,垂直角 0 度相當於與地面垂直的方向,90 度的垂直角則是水平方向。8~25 度的輻射角相當於 82~65 度的垂直角。

Fig 10

    採用 20 公尺天線元件長度的料狀 VEE 天線,在 15MHz 時,輻射圖案的主葉是 57 度,增益是 -1.5dBi。主葉面很寬,而且在最大輻射方向的兩旁輻射功率是慢慢降下來的。-3dB 點分別是在 32 及 74 度。若天線元件長度長度改為 40 公尺時,主葉的增益是 1.5dBi,約在 40 度的方向上。

    圖 11 則是 30MHz 的輻射圖案,可以看到一個有趣的現象,那就是三種不同天線元件長度的最大增益都是 4dBi,而且輻射圖案的主葉也很類似,分布在 40~80 度之間。-3dB 點的角度是 55 及 82 度。在 0~40 度之間,40 公尺及 60 公尺元件的輻射圖案出現許多皺褶。

Fig 11

    曲線出現皺褶的原因是天線元件輻射訊號與從地面反射的訊號產生破壞性及建設性的干擾所致。長天線元件比短天線元件容易發生輻射圖案的皺褶曲線。輻射圖案內的副葉把發射功率浪費到不必要的方向去,所以好天線要盡可能減少副葉數目。

    50MHz 斜狀 VEE 天線的輻射圖案如圖 12 所示,三條不同天線元件長度的曲線在主葉部份也很類似,最大增益是在 77 度方向 (相當於 13 度輻射角),有 6.5dBi,-3dB 點在 70 度及 83 度上。與較低頻率相比較,輻射圖案的主葉更窄更圓滑了,20 公尺天線元件長度的曲現也開始出現皺褶了,它在 50 度上有個副葉,增益是 -2dBi。而 40 公尺及 60 公尺天線元件長度的曲線依然皺褶如故。

Fig 12

    從輻射圖案上可以支持下面的結論:20 公尺天線元件長度的斜狀 VEE 天線,採 69 度頂角,架高 6 公尺及在地面上接上端負載電阻,是一種合理的設計安排。增加天線元件長度,可以增加天線增益,但這會打破此例事先聲明的架設空間的限制。

    此斜狀 VEE 天線的真實架設情況如圖 9 所示,尾端的負載電阻以一導線連接就可以了,不見得非接地不可。兩端電阻間的電流可以由此條導線接通。這一點很重要,事實上,理想的斜狀 VEE 天線,兩端電阻要接在完美的接地面上。沒有此條導線連接兩端電阻,斜狀 VEE 天線的性能會大受影響。


天線製作與駐波比測量

    圖 9 所示的斜狀 VEE 天線,使用了 14:1 的平衡非平衡轉換器,這得自製,採用 18 號線繞在 5 公分的磁環上,阻抗比是圈數的平方根比,所以圈數比是 3.75:1,初級繞兩圈,次級繞 7.5 圈。如果此斜狀 VEE 天線用於發射,就必須以全功率測試幾小時,通過了這樣的測試才能保證日後不會有發射機過熱或產生弧光現象。

    要測試平衡非平衡轉換器,最簡單的方式是同樣的平衡非平衡轉換器製作兩個,然後背對背相接,如圖 4 所示。平衡非平衡轉換器的一端接發射機,另一端接 50 歐姆假負載,這樣子的安排從測量輸入端及輸出端的功率,也可以得知平衡非平衡轉換器的插入損失。

Fig 14

    每只平衡非平衡轉換器的插入損失是 5 ㏒ (輸出功率 / 輸入功率)。

    如果斜狀 VEE 天線用在發射,端負載電阻要經得起功率的考驗,要特別注意的是此電 阻要純電阻性,例如繞線的水泥電阻就不能使用。一般而言此電阻的耐功率大約要發射 最大功率的 10%~20% 之間。

    測量此斜狀 VEE 天線的頻寬如圖 13 所示,在 10~60MHZ 之間,駐波比都在 2:1 之內,尤其是 14~30MHz 之間駐波比最佳。在天線饋送點下方量測駐波比會比較高,因為反射功率沒有同軸饋送線的衰減。以此方式測駐波比時,在 38~40MHz、44~47MHz、及 52~57MHz 這三段之間的駐波比超過 2.5:1,但是頻率在 58MHz 以下,駐波比都小於 2.5~1。這樣實測結果頻寬遠優於當初設計的理想值,有意想不到的超頻寬特性,在幾次的野外試驗當中,此斜狀 VEE 天線更可以應用到低達 4MHz 上。

Fig 13



多重接收

    所謂的多重接收,簡單的說明就是透過二個或更多的路徑來接收。短波的衰落現象,是因為不穩定的電離層折射所造成的,所以針對固定接收點及其附近的幾個地方,在同一時間內,可能有不同程度的衰落現象,也就是說,有可能發生下列情況:你家屋頂上的天線處有頗為嚴重的衰落,幾乎使你聽不到電台的節目,但是在你隔壁家的屋頂上,卻可能拾取到極強的訊號。針對這個可能發生的情形,下面就解決各種不同的衰落現象,提出說明及其可能的解決途徑。

空間性的多重接收 (Space Diversity Reception)

    如果發現到自己家屋頂的天線處有衰落,而把天線切換到隔壁家屋頂上的天線,就可以得到較強的訊號,不致於聽不到節目。或者是假如有二部收音機,分別接用自家與鄰居屋頂上的天線,當場就可以比較出衰落現象的程度差異。利用這種技巧就可以比正常使用一根天線接收時,得到更清晰的廣播聲音。

    這種利用二根相距一段距離的天線,然後根據訊號的強弱來切換並選用天線的方式,稱為空間性多重接收,如果有足夠大的空間 (正式的空間性多重接收,理應相距數個波長以上,但是在此只為試驗用,只要安排儘可能地相距遠一點即可),要試一試這一種技巧,可以裝上一個手動的天線選擇切換器,當發現訊號有衰落現象時,馬上切換到另一組天線,看看訊號強度有多大的差別。

    在實際應用的空間性多重接收系統,天線的切換是由電子偵測線路做自動控制。但是為了實際體驗這種技巧,手動切換天線方式也可達到示範性的效果。

    針對空間性多重接收技巧而言,兩天線相距越遠,效果越好。有人主張即使在一個波長內也行,但有些人卻堅持,應該相距數個波長較為妥當。可是無論如何,公婆自有其道理及觀點,不必非得爭個水落石出才行。假如你自己想嘗試空間性多重接收技巧的效果如何,那麼就在能力範圍內,把二根天線儘量遠離就是了。如果空間受到限制,無法嘗試空間性多重接收的效果,也不必氣餒,下面還有一些方式可以考慮。

極化性多重接收 (Polarization Diversity)

    垂直極化的電波,就應該用垂直天線接收,水平極化的電波也應該使用水平天線來接收,如果反了,拾取的訊號會遠低於該有的訊號強度。同樣情形,短波訊號的衰落現象,也有可能起因於極性的改變。

    照理講,發射電台使用水平極化天線發射出來的電波,用水平天線接收應該是沒有問題,可是關鍵就在於短波這東西,從發射天線到接收天線之間,通常還經過電離層折射,而折射的過程,有可能把原來的電波極化改變掉,所以可以選用不同極化的兩根天線來達到極化多重接收的效果。

    假如能架設相同波段的水平及垂直極化天線,利用天線選擇器,在這兩天線之間切換,必定可以體會出極化性多重接收技巧的好處。本文介紹的斜狀 VEE 天線,因為在水平及垂直分量各佔部份,所以有極化性多重接收的優點。

頻率性多重接收 (Frequency Diversity)

    所有多重接收技巧中,最方便且簡易的方式,應屬此種,即使在只有一根天線、一部收音機的情形下,仍能應用。因為大多數的短波廣播電台,都同時使用二個以上,有時甚至多達十個以上的不同頻率,同時做同一節目的廣播,加以現代生產的收音機,都有記憶選台裝置,更方便做頻率性多重接收的嘗試。

    事實上,最近在市場上出現的小型短波收音機,就有頻率性多重接收的功能。它提供一個可容納五個頻率的記憶庫,只要把同一電台同一節目所使用的頻率輸入,收音機本身就能自動從存入的這些頻率當中選擇最清晰的頻率供收聽。這個原理類似調頻電台使用的 RDS 系統。有興趣的話,可以利用下列幾種方式來嘗試頻率性多重接收:

  • 把二台收音機調在同一電台,同一節目,但不同頻率上,例如某電台同時分別使用 19 公尺及 25 公尺波段廣播,一部收音機調在 19 公尺上頭的頻率,另一部收音機調在 25 公尺的頻率上,那麼這二個頻率同時出現衰落現象的機會,可以說是微乎其微,不太可能發生,因此可以利用此種方式得到多重接收的好處。

    這種頻率性多重接收雖然不盡理想,因為當其中任何一部收音機有衰落現象的訊號發生時,必定會伴隨著極大的噪音。但是透過這種簡單的安排,仍不失為熟悉頻率性多重接收技巧的良策。
  • 當然也可以只用一部收音機,只是效果或多或少有些折扣,但是如果採用擁有記憶頻道功能的按鍵式收音機,則會方便很多,例如分別把這同一廣播的幾個頻率分別存入記憶頻道內,到時候,只要按一個鍵,就能夠快速變更頻率,彼此做比較,極為方便。 END




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