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線裝定向天線

No.42   1996 July   p 45 ~ 49,   by 編輯部



    對於愛好無線電的朋友來說,選擇、設計、及架設天線,並非一朝一夕之事。不論你是短波聽友 (Shortwave Listener)、業餘無線電家 (Amateur Radio Operator)、廣頻率範圍監聽者 (Scanner Monitor)、甚至是民用波段 (Citizen Band) 使用者,建立起電台或監聽系統時,天線可以算得上是最重要的部分。因為設計優良建造得體的天線系統可以極有效率地改善接收機、發射機、及收發機。對於無線電愛好者,彼此也都明瞭,唯有從天線系統著手才能有效地把每一塊錢都花在刀口上。

    雖說能有一套可以遙控旋轉的定向天線很不錯,但是也不一定花大錢才能有好天線。可惜的是,並非每一位無線電愛好者都有足夠的經濟基礎,再不然也騰不出夠大的空間來架設。現代化的都市叢林,公寓普遍,要架設龐大體積的定向天線還真不容易。

    還好,線裝天線既不占空間,也頗經濟。因為它不必太大的架設空間,也不必繁雜的鐵塔旋轉控制器等附屬設備。換句話說,由於線裝天線極為方便而且花費低廉,值得有興趣的朋友試一試。可別小看或低估它,好的線裝天線同樣有不錯的增益及指向性。


增益及指向性

    增益及指向性是設計天線時的兩項重要指標,這也就是為什麼好天線對無線電愛好者那麼重要的原因。其實這兩樣特性是一體的兩面。因為所謂的「增益」是因為把原本向四面八方的射頻輻射,集中到一個特定的方向去,使得此方向相對的比其他方向有更強的射頻輻射。

    天線增益的測量方式是,把各個方向與理想的四分之一波長垂直天線所輻射的射頻強度相比較。理想的四分之一波長垂直天線所輻射的射頻圖案就像一個圓球,球半徑越大表示射頻輻射越強。此處射頻輻射強度可以用毫瓦 / 每一平方釐米 (mW/cm2) 來表示。

    所謂「定向天線」就是把向四面八方的射頻輻射集中到某一方向,因此在此方向的單位面積上,可以得到更強的射頻輻射,加強方向性,增大毫瓦 / 平方釐米值。定向天線可以:

  • 更容易拾取遠方發射的射頻輻射,使微弱訊號更強些。
  • 減少受強訊號干擾的可能性,一方面因為指向性的關係,另一方面因增益加大的訊號雜訊比 (Signal to Noise Ratio),更可以抵抗雜訊。
  • 更容易把射頻輻射送達遠方,因為發射的射頻輻射集中,使原本微弱訊號更強些。
  • 因為對天線而言,發射與接收的特性,基本上有互換性 (Reciprocity),使得發射與接收能雙蒙其利。

    上述優點對無線電設備系統都算受益,雖然對一些微弱的訊號,假如原本接收機透過自動控制增益功能,就可以收(聽)到微弱訊號,那麼定向天線的增益就算不上大功勞,但是對於處在雜訊與分辨訊號之間,那麼定向天線可稱得上功臣一個,因為利用前置放大方式所取得的增益,不如定向天線取得的有效、乾淨。

    如果利用高樹與長天線,巧妙地安排成線裝定向天線,那何妨使用此種定向天線呢。實際上,指向性與增益是一體的兩面。接收機的選擇性可以有效地去除鄰台干擾,如果定向天線能幫得上忙,那是最好不過了;頻率離得稍遠一點,也許好的接收機只要動一些旋鈕就可以有效地,甚至完全地去除這些干擾。假使不幸,頻率極為接近,甚至幾乎相同,那除非利用天線的定向特性才能改善,別無它法。

    利用天線的定向特性來改善同頻率的相互干擾,最常利用的方法是加裝旋轉器,然後把定向天線天線固定其上。但那也不是唯一的方法,例如使用兩只線裝定向天線,分別呈 90 度架設,一只是東西向,另一只則南北向架設。上面討論的,只是在理想情況下,實際上,因為高頻的傳導特性、天線的假設高度及環境等因素,使天線的定向並不如想像中的理想。


小心謹慎

    架設天線有時會是一件極為危險的事,每年總會有意外事件傳出因為架設天線而受傷或死亡。可惜的是大多案例都可避免的,卻因為疏忽大意而造成意外,例如固定天線時,把材料往高壓線丟過。無論如何,不應有如此舉動,一般人都會認為有絕緣,當不會有問題才是。但很多意外都是在沒有深思熟慮自認安全的情況下發生的。

    不僅如此,更要考慮日後可能發生的問題,例如架妥的天線是否耐得了強風吹襲,尤其是夏秋颱風季的悍風。萬一吹落時,天線是不是有危險性,像是觸及高壓電線,拌倒路上行人,或影響道路交通等。

    線裝天線用的絕緣礙子,最好使用標準的絕緣體,常有人拿塑膠材質代用,若是在安全環境下,且是短期使用,倒是無妨。但是一來這些代用物體往往絕緣功能不理想,二來也不耐用,所以應找如陶瓷之類的絕緣礙子使用。固定用的繩索強度要夠,施工時不要忘了應採用彈簧或重物懸吊的方式。

    架設天線時,如果使用階梯之類的工具,應注意可能拌到的繩索,以避免發生意外。絕對不要單獨一人施工,最好是找個人可以照應,即使可以一人獨自完成的也一樣。尤其是新手沒有經驗的朋友,若能找個經驗豐富的業餘無線電同伴施工,不只確保安全,還可以趁機學到連書上都得不到的技術。


半波長雙偶極天線

    不論是從技術上觀點,或者是已經有了大的陣列指向性天線,有些人會不經意的輕蔑半波長雙偶極天線。實際上這種可以架設很低的半波長雙偶極天線,是最基本,也是頗經濟的指向性天線。

    參看圖 1,是一種水平架設的半波長雙偶極天線,天線兩邊等長,從中間饋電。雖然這饋送點並不是固定,它隨著天線架設高度而變化。但是一般以 75 歐姆的饋送線可以得到良好的匹配,天線的長度可以由圖 1 內的公式算出,得到的長度是約略值,因為架設環境會稍為改變電子長度,所以架設上去的天線,總是須要再經微調手續,才算理想。

    半波長雙偶極天線兩外端利用絕緣礙子絕緣,並且可以利用繩索固定在樹幹,柱子,建築物,或其他結構體上。中間的絕緣礙子可以隔開兩端,一端接饋送線的隔離網,另一端接中心線。如果要求理想的架設,那麼天線與饋送線之間,要接用一只平衡非平衡轉換器。

Fig 1

    圖 1B 所示,是半波長雙偶極天線的輻射圖案,這是頂視圖,它是一種 8 字型輻射圖案,天線從 8 字中間穿過,也就是指向與天線架設方向垂直。而與天線平行的方向,理論上接收不到任何訊號。也就是天線的架設要與想去除訊號源的方向平行,或者說是,天線要架設與想接收訊號源的方向相垂直。如果半波長雙偶極天線的架設高度,能達到半波長,那麼以天線為軸心的圓柱體上,都可以有效地接收訊號,不論是水平或垂直或任何方向。當然更標準的架設高度是幾個波長的高度,可惜這對高頻應用,不容易實現。

    半波長雙偶極天線最容易架設,也很管用。因此它可以算是使用最普遍的指向性天線,它的增益約 1.7dBi。


線裝定向天線

    八木指向天線是以半波長雙偶極天線為基礎的,大多數高頻、極高頻、超高頻用的八木指向天線多使用管子為材料。它與半波長雙偶極天線的最大差別是指向性只剩單一方向,參看圖 2B,當然這些都是指理想情況下,實際上,背後,前頭,都有些副葉 (Sublobes),實用上,這些都是浪費掉的功率,還好這些所佔的比例很小。指向性天線的頻寬是指,指向的功率降到 70% (-3dB) 那兩點所夾成的銳角,如圖 2B 中 A,B 兩點。

Fig 2

    如圖 2A 所示,可以利用線裝方式來製作方向固定的線裝定向天線,其中推動元件就如圖 1A 所示的半波長雙偶極天線,其長度同樣利用公式先算出,架設時再做微調。推動元件也可以直接饋電,或使用 1:1 的平衡非平衡轉換器,並使用 50 歐姆的同軸饋送線。在輻射最強同方向的元件稱為導向元件 (Director),它的長度應比推動元件短 4%,同樣地,在輻射最大方向相反的元件稱為反射元件 (Reflector),它的長度則比推動元件長約 4%,圖 2A 中,雖各有一只導向與反射元件,而在八木指向性天線中,可以有更多的導向元件及反射元件。此時天線也會有較窄的指向夾角,當然也就有更大的增益。

    推動元件、導向元件、及反射元件彼此間的間隔,大約是 0.15 到 0.25 波長之間,許多製作過的朋友喜歡採用 0.2 波長的間隔。其實因為像風吹等因素,很難保持固定的距離,不過間隔些微的變動,並不損及指向性天線的性能。


雙 Z 天線

    如圖 3 所示的雙 Z 天線,其增益大約 2dB,它是由兩段線組成。L1 及 L2 的長度如圖內公式所示。

    雙 Z 天線可以直接使用扁平饋送線,它的饋送點阻抗大約是 450 歐姆,如果要利用同軸饋送線的話,可以先用匹配的方式取得約 200 歐姆點,在以 4:1 的平衡非平衡轉換器,把阻抗降到 50 歐姆,並適合接用同軸饋送線。

    雙 Z 天線可以同時適用於多個波段,例如業餘無線電 15 公尺波段的雙 Z 天線也適用於該波段的 Z 天線,或更低波段的半波長雙偶極天線,及更高頻率的四瓣或馬草葉 (Four-Lobed or Cloverleaf) 天線。

Fig 3


同相富蘭克林陣列天線

    如果以增益單位成本來考慮,也許同相富蘭克林陣列天線是最便宜的,如圖 4 所示。此天線是採用半波長雙偶極天線及雙 Z 天線觀念的延伸。

    同相富蘭克林陣列天線與半波長雙偶極天線一樣,是半波長,饋送點是 75 歐姆,使用 4:1 平衡非平衡轉換器及同軸饋送線。不同的是,半波長雙偶極的兩外端,再加用四分之一波長的反相導線。

    如圖 4 所示的同相富蘭克林陣列天線,有約 3dB 的增益。理論上可以再加長天線,例如,分別再加一段反相結構,可以得到約 4.5dB 的增益。但是天線繩索不能延伸太長。例如再加長的話,超過五段半波長,架設會是一個大問題。

Fig 4


LAZY-H 天線

Fig 5

    LAZY-H 天線如圖 5 所示,它稱為堆疊天線,因為是由兩只天線組成的,一在上,另一在下,此天線因為結構特殊,所以增益高達 5.5 到 6dB 左右。除此之外,還有輻射角很低的優點。低輻射角的好處是,可以進行更遠的高頻通訊,因為輻射角一低,第一次的跳躍便可以達到極遠的地方。 Fig 6

    兩天線元件之間的反相裝置,必須使用 450 歐姆的平行饋送線,而且本身為了達到反相,必須做一次交叉。有些人常因忘了做交叉,而沒能做好此天線。

    此天線採用 75 歐姆饋送線,但是天線饋送點是平衡的,若使用同軸饋送線,就必須加用 1:1 的平衡非平衡轉換器。可以延著 450 歐姆線細心嘗試,會有一點是駐波比值最低的。


ZL 天線

    圖 6 所示,是一特殊的天線,稱為 ZL 天線,它是半波長水平天線,由兩只半波長反摺元件組成,單獨的半波長反摺天線的饋送點阻抗是 300 歐姆。兩元件之間使用 135 度相位裝置相連,推動元件的長度公式與圖 1 相同,而導向元件的長度則應比推動元件短約 6%。L2 的長度與圖 3 內的公式相同,饋送點的阻抗大約是 100 歐姆,所以勉強可以利用 75 歐姆饋送線,但是最好加裝 2:1 的平衡非平衡轉換器,利用 50 歐姆饋送線,或者是利用一截四分之一波長匹配線。


結論

    上面介紹的線裝定向天線,雖沒有詳細的製作細節,但是主要的尺寸、性能都討論過,相信可以增加選擇天線的空間。更詳細的線裝定向天線製作日後當另行介紹。 END



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