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同軸電纜共振匹配法
與寬頻帶偶極天線

No.42   1996 July   p 50 ~ 55,   by 編輯部



    利用「同軸電纜共振匹配法」可以很容易製造出低頻波段用的偶極天線,製造容易只是很表面的優點,真正的優點在於這種偶極天線和傳統的偶極天線比較起來,有三倍大的頻寬。以傳統的方法,要製造一只可以在整個 80 公尺波段有低的駐波比值的偶極天線,很像是緣木求魚一樣不可得。

    本文就是要以寬頻帶的偶極天線為探討主題,以此為出發點來製作一只 80 公尺波段,同軸電纜共振匹配的寬頻帶偶極天線;下面將會提到整個偶極天線的技術及性能方面的資料,同時也會詳談製作上的其他細節與理論及其他方面的應用。


80 公尺波段寬頻帶偶極天線

Fig 1

    參看圖 1 是這只同軸電纜共振匹配法 80 公尺波段偶極天線的詳細尺寸,要特別注意的是,這裡的尺寸是指電子波長尺寸,其中有一邊的同軸電纜尾端接線是短路的,而另一邊的同軸電纜尾端接線則是開路的,兩同軸電纜之間還有一個故意的交叉接點,至於饋送點則是採用 T 型接頭。

    在實際試驗時,這只天線是以倒 V 狀架設的,頂角張開大約是 110 度,而頂角尖離地高度大約是 18 公尺,這只寬頻帶偶極天線的駐波比值曲線參看圖 2 的 A 曲線;圖 2 的 B 曲線則是以傳統的偶極天線製作技巧所作的偶極天線,在相同的架設條件下的駐波比值曲線。

Fig 2

    這只寬頻帶偶極天線是以 RG-8 同軸電纜及 14 號線來製作的,同時以 50 歐姆同軸電纜來饋送,這只同軸電纜共振匹配法偶極天線因為有許多部份是兼做匹配任務的,所以裁剪同軸電纜尺寸時誤差要在 1 公分以內,天線的 T 型饋送點及交叉部份,可以利用塑膠管及 M 座來加工,參看圖 3。

    圖 3A 是 T 型饋送點接頭,而圖 3B 則是交叉部份以接頭來施工,如果直接製作的話,就如圖 3C 所示。選用 RG-8 同軸電纜是因為考慮到材料的物理強度、耐功率、及功率損失等特性。以 RG-58 同軸電纜來製作,性能上與 RG-8 材料所作的偶極天線沒有什麼差別,但是建議不要使用 RG-58 同軸電纜製作,因為 RG-58 太細小,很脆弱,相對地就顯得不耐用。其他的缺點還包括韌性不夠、天線張開時本身的重量使同軸電纜展長而影響了調諧的頻率、耐功率也稍嫌不足。

Fig 3

    根據圖 1 的尺寸,寬頻帶偶極天線的尾巴長度應該多留 1 公尺左右,等寬頻帶偶極天線架設起來之後,量駐波比值後,畫出來的曲線如果出現有太厲害的窟窿,可以調整這寬頻帶偶極天線的尾巴長度;但重要的是調整這尾巴長度時,兩端一定要同步,否則駐波比值曲線的窟窿會更厲害,調整這尾巴長度時,可以每次以 15 公分為單位來修剪。修剪的原則是,增加長度時會使低頻端的駐波比值降低,而減去長度,則會使高頻端的駐波比值降低。

    要特別注意的是,如果使用的同軸電纜不是 RG-8 或相類似的編號,則天線的尺寸必須要做修正,例如 RG-8X 與 RG-8 因為絕緣材料不同,因此天線用的同軸電纜長度可能就會不一樣,下面的同軸電纜編號在阻抗特性、訊號損失量、及速率因子部與 RG-8 一樣,因此可以彼此代用,這包括有 RG-8A、RG-10、RG-10A、RG-213、及 RG-215。

    寬頻帶偶極天線上的同軸電纜長度,是以一般偶極天線有 Q 質 11.5 及饋送點是 70 歐姆阻抗為基礎來計算的,如果因為架設環境的地面不理想,或是架設高度變化,而引起 Q 質及饋送點阻抗的很大變化時,則寬頻帶偶極天線上的同軸電纜長度就需要調整。實際上,Q 質太高還是可以有很寬頻帶的特性,但是要使整個 80 公尺波段的駐波比值都在 2:1 以下就很困難。有關這方面的討論,下面會有更深入的探討。

    那麼這只同軸電纜共振匹配法寬頻帶偶極天線與傳統的倒 V 型偶極天線有什麼差別呢?除了在 80 公尺波段上下邊頻率邊緣的損失量(約 ldB)大一些外(也就是效率低,這在頻帶邊緣的損失量大,是因為匹配不理想所致),其餘兩者幾乎是一樣的,也就是說這兩種偶極天線的輻射圖案特性幾乎是一樣的。 Fig 4

    實際上,同軸電纜共振匹配法寬頻帶偶極天線本身的偶極天線並不是寬頻帶的,而是同軸電纜共振匹配,使得在饋送線與天線之間保持有更寬頻率的匹配,也由於這個簡單的匹配網路結構,使得偶極天線的低駐波比值有更寬的頻率範圍。


使偶極天線頻帶加寬

    圖 4 所示是一種寬頻帶的天線系統,其中包含有非平衡的同軸電纜饋送線、平衡非平衡轉換器、匹配網路、及偶極天線本身。

    這裡使用平衡非平衡轉換器 (BALUN),是為了避免饋送線產生輻射。

    匹配網路就是一種阻抗轉換及共振線路,如圖 5 所示,這是長久以來大家所常用的寬頻帶方式,這共振線路的 Q 質不很高,而至於匹配網路的效率或是損失就是由這線路的 Q 質來決定的,當然這網路可以是大家所熟知的傳統 LC 網路,也可以是由同軸電纜所構成的,實際上,這兩種方式都可以提供匹配功能。

Fig 5

Fig 6

同軸電纜共振匹配法

    我們可能都熟知 T 匹配或是 GAMMA 匹配,但是同軸電纜共振匹配法也能提供同樣的功能,例如同軸電纜共振匹配法就可以提供饋送線與偶極天線之間的匹配,T 匹配、GAMMA 匹配、及同軸電纜共振匹配法參看圖 6。

    同軸電纜共振匹配法與 GAMMA 匹配很相像,他們都是可以讓同軸電纜的隔離網接到偶極天線的饋送點上,而且也都不是中心點饋送的,當然,要採取中心點饋送也是可以的。同軸電纜共振匹配法的優點是,除了提供阻抗匹配之外,還可以改善偶極天線的寬頻帶。

Fig 7



偏離中心的饋送點

    為什麼共振匹配要使用同軸電纜?這稍後再說明,現在我們要先討論為什麼饋送點要偏離中心。大多數半波長偶極天線是以中心點切開等長的兩半,然後以中心點為饋送,然而這並不代表偶極天線都要以中心為饋送點,因為以前也有人採用過偏中心饋送方式,最明顯的例子是所謂的 WINDOM 天線,以及 GAMMA 匹配的偶極天線。

    參看圖 8 就是偏中心饋送點的偶極天線,假定在這偶極天線上的射頻電流大小是呈正弦分佈的,而且是兩尾端電流等於零,而中心點電流最大,那麼在共振頻率上偶極天線各點的輻射阻抗可以簡化成下列公式:

RAF= RA / COS20D
RAF 是指饋送點的輻射阻抗
RA 是指中心點的饋送阻抗
0D 則是指偏中心的電子角度
Fig 8

    例如,有一偶極天線的中心饋送點阻抗是 72 歐姆,那麼如果離開偏中心 0.03 波長饋送時,這饋送點的阻抗,根據上面公式計算,就等於 74.6 歐姆,以此例來看,因為偏中心饋送而出現的阻抗變化並不大,可是要有最理想的匹配,這些差異還是要加以考慮。


同軸電纜共振匹配法偶極天線

    要製作同軸電纜共振匹配法偶極天線的材料已經提過,尺寸就如圖 1 所示,現在就要把它組合起來。詳細比較圖 5 及圖 7,可以發現同軸電纜共振匹配法偶極天線含有同軸電纜匹配線段以及可以增大頻寬,同時以偏中心饋送方式求得圓滿的結果。

    參看圖 9 可以看到這只同軸電纜共振匹配法偶極天線的演化步驟,現在應該可以很清楚看出來,為什麼 1/4 波長的同軸電纜是共振匹配了,因為這種安排對於偶極天線本身及饋送線的影響最小,這偶極天線的實際饋送點是在同軸電纜交叉接點上,實際上,這共振匹配是在偶極天線內,這共振匹配同軸電纜隔離網內層有饋送電流,而隔離網外層的電流則是一般典型的偶極天線電流,因為肌膚效應可以把這兩者區隔開來,也因此這一段同軸電纜身兼兩個角色,而同軸電纜線段之外的尾端導線則是偶極天線的延伸,使得偶極天線的長度為 1/2 波長。

Fig 9

    這同軸電纜共振匹配法與 GAMMA 匹配一樣,可以把同軸電纜外層隔離網接到偶極天線中心線上。如果這偶極天線完全對稱的話,則中心饋送點的電壓為零(以地為參考點),這時就不需要配備平衡非平衡轉換器了;然而在實際情況下,中心饋送點還是會有些許的電壓,但是以實用觀點來看,還是不必使用平衡非平衡轉換器 (BALUN),如果要用的話,就只好選擇扼流圈式 (CHOCK) 平衡非平衡轉換器,或電流型的平衡非平衡轉換器。

    在實際試用的一只同軸電纜共振匹配法偶極天線上,發現到加或不加 BALUN,在駐波比值方面並沒有明顯的差別,只有一個重要因素要採用平衡非平衡轉換器,那就是安全。因為以同軸電纜共振匹配法偶極天線的結構而言,整只偶極天線的直流電壓都相同,為了防止這偶極天線的放電效應產生雜音及受到雷擊,所以還是使用 BALUN 比較好。


其他應用

    根據圖 1 的偶極天線,可以更改為遠距離通訊用的 80 公尺波段偶極天線,此時工作頻帶可以在 3.5-3.85 MHz,在這整段範圍內,駐波比值都可以保持在 1.6:1 以下,以計算的方式所得到的訊號損失也只有 0.75dB。參看圖 10 是這只 80 公尺波段偶極天線的駐波比值曲線。

Fig 10
Fig 11

    圖 11 是 80 公尺波段的 DX 偶極天線尺寸,這線段的長度都是以 Q 質 13 及阻抗 60 歐姆所 計算出來的,這一未加以補償的同軸電纜共振匹配法偶極天線的駐渡比值如圖 12 所示。

Fig 12

    既然每一位製作這天線的人,都無法正確地掌握架設後天線 Q 質及饋送點的阻抗變化,我們就必須要知道 Q 值及饋送點阻抗的變化對駐波比值的影響程度,利用天線模擬程式,我們可以看出 Q 質在 10~16 之間,饋送點阻抗在 50~70 歐姆之間的情況,在這個模擬分析當中發現,同軸電纜的尺寸與圖 11 所示的相去不遠,分析結果參看圖 13,可見這 80 公尺波段 DX 偶極天線還真不賴,在 3.5-3.85 MHz 之間,駐波比值都小於 2:1。

Fig 13

    這個同軸電纜共振匹配法偶極天線的另一個應用就是來把 160 公尺波段的偶極天線頻寬擴大,希望能夠涵蓋 1.8MHZ 到 2.0MHz 之間的頻率,根據製作這只同軸電纜共振匹配法偶極天線的技巧,以模擬的方式,可以使 160 公尺波段內的駐波比值都低於 1.5:1 以下,而訊號損失也低於 1.1dB。

    相同的理念也可以用來使定向天線的工作頻寬加大,因為設計定向天線時,考慮到增益、前後比、及頻寬時,總是會左右為難,無法兼顧,以同軸電纜共振匹配法的方式來加大定向天線的頻寬,也許就可以保留增益、及前後比,在最理想的情況。

    同軸電纜共振匹配法也不見得只是用於偶極天線,它同樣可以適用於垂直天線,同樣的道理,全波長環狀天線及 2/3 波長的中央饋送天線也同樣適用。


總結

    同軸電纜共振匹配法可以說是在饋送線與天線之間搭起匹配的橋樑,而碰巧這種匹配方式可以讓偶極天線成為完整的組合,不僅提供了匹配任務,還附帶使偶極天線的工作頻寬擴大。

    同軸電纜共振匹配法偶極天線,可以說不折不扣地把同軸電纜共振匹配法的功用表現得淋漓盡致,這個偶極天線達成了大家長期以來所盼望的,以簡單的匹配方式,做好整個 80 公尺波段的匹配。 END



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