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RF-1 RF ANALYSTTM
射頻分析儀使用經驗

No.42   1996 July   p 72 ~ 79,   by 馬玉麟 BV5DD/1, 羅東郵政 3-34 號信箱



前言

    剛介紹完我的 MFJ-8100 五頻道短波接收器套件組裝後,旋這個旋鈕,轉一下電容微調,過了好一陣自我陶醉的日子後,其次,拿了這個小東西到彰化縣業餘無線電學會請教前輩時,其中一位老手說:「唉,你為何不了解一下天線,再配合這個小玩意,不是更好嗎?買一個駐波比錶吧!」忽然之間,腦袋,恍恍了,為何要弄天線?我的天線好好的,駐波比錶做什麼的?另外一位老手說:「老馬,搞無線電,就是搞天線,知道嗎?」忽然間,『為什麼?』『不行!』前輩所說的話要注意和了解。 Pic 1

    問題是何謂駐波比 (以下簡稱 SWR)?有何作用?它是一個比值,又比什麼?與使用頻率又有什麼關係?度量天線功能有哪幾項?在天線端量,或是在傳輸線端量,要不加天線調整器才量?或是在不加上天線調整器才量呢?而饋線長度是否有關?如有,關係又如何?如何確定所用的長度?不同直徑的饋線是否有關?天線的阻抗又是什麼?其中天線不是單一的一條線吧,理應有電容和電感,又如何去度量?

    一大堆問題,有理論的了解,也有需要實際的操作和解決,沒錯,我有一支 V-Dipole 偶極多波段天線,這是白花花的銀子換回來,如果我要做一條簡單的水平偶極天線,工作頻率是 20 米 14.100~14.300MHz,手頭只有 5D 的同軸電纜 (取自有線電視台遺棄在天台不要的,上刻有 50Ω,以三用電錶量一下,外網與中心銅線不通,可用)。怎麼確定,並如何應用在我的小功率收發機 (MFJ-9420 SSB)?

    於是一方面找書本;二方面確定買有關測量天線的儀錶,條件是:又要馬兒好,又要馬兒不吃草;三方面請教 OM,指點迷津……至於參考書嗎,要看得懂,找到 ARRL 的手冊和 Antenna Handbook,一看,老天,厚度夠,有看沒懂,也只好多看幾次吧,但是一碰到數學,就頭痛了 (這是我的痛,最怕數學)。

    OM 早就說要買 SWR 錶,一問之下,唔,天呀,都是 2m 或 70cm 的駐波比錶,而 HF 的不多。只好求助於美國發行全球的業餘無線電雜誌 QST 上的廣告,發現三個廠牌;我先列好需要的條件:一、可以量 SWR,二、SWR 和頻率的關係,三、量電容 (C),四、量電感 (H),五、量阻抗 (Z),六、合理價格 (US$150 上下),七、說明書要清楚、實用。

    以上條件的理由是在本地 V/UHF 太不方便 (應該說是太亂,只有吵架,一聽之下,血壓會升高,寧可不到 V/UHF 處,所以手機 C-520 早就冷藏起來)。雖然我的預算不多,總想學一些東西,就以買儀錶的費用當做學費吧。
Fig 1
Fig 2
Fig 3

    廣告嘛,都說自己好,適合與否,全看個人需要;最後我選了美國 Autek Research 的 RF-ANALYSTTM 射頻分析儀,編號 RF-1,它的廣告不多,小小的篇幅,好像不是很詳細,所以寫了一封信請教它的規格 (註 1)。

    規格是包括大小 4.5 x 2.5 x 1.0 英吋,重七盎士,以液晶體顯示 (照片 1),電源在 20 分鐘後自動關閉,以數字顯示,測量範圍自 1.2~3.5MHz,內含正弦波 (Sine Wave) 信號產生器來度量不同頻率的 SWR 值,直接測量所需頻率的電容和電感量,內含晶體控制的頻率錶。在 10MHz 以下,其準確度為 1KHz,10MHz 以上為 10KHz;對 50 歐姆阻抗時,SWR 可以自 1:1 到 15:1,解析度為 0.1;SWR 在 3:1 時準確度在 6% 以下,SWR 在 6:1 時準確度為 20% (圖 1);阻抗自 0 到 2000 歐姆,準確曲線在 150 歐姆,在 150 歐姆時,準確度在 2.5%;在 50 歐姆和 450 歐姆,準確度為 4%;在 20 歐姆和 900 歐姆,準確度為 6%。電容度量範圍 0~9999pF (圖 2)。其度量是直接自頻率和阻抗計算出來,所以電容和阻抗一樣準確。電感度量範圍自 0.04uH~3000uH (圖 3)。

    這就是它的規格,頭痛吧,別忘了,規格是品質的表現,亦即是我的要求。最後看價格在預算內,於是以信用卡郵購,兩週後收到。

    寄來的射頻分析儀 (以下簡稱 RF-1,如照片 1),含 RF-1 乙個,不含 9V 電池,說明書 10 頁,49.9 (50) 歐姆 1% 碳膜電阻 2 個,150 歐姆 1% 碳膜電阻 2 個,鱷魚夾 3 個,香蕉插頭 1 個,兩條 20cm 長的單股電線。

    立刻放入一個 9V 的電池,RF-1 共有 7 個按鈕,2 個旋鈕,大型液晶顯示 4 個數字,側面一個插座。

    按下電源開關,出現 PC 2.2 後,隨即是頻率數字,再按下 BAND 按鈕,出現自 1.2~35MHz 的數字,如果旋轉 TUNE 旋鈕,則頻率數字快速變動;如果旋轉 FINE 旋鈕則頻率變微調。我接上 CREATE 730-V 的 V-Dipole 後,按下 FREQ 和 SWR,同時慢慢旋轉 TUNE,只見液晶顯示一下子出現頻率,一下子出現 SWR 值。同時可以測試頻率和阻抗的相關數值,也就是說,同時可以測量 SWR、阻抗 Z、電感 (L uH)、電容 (C pF) 與頻率的數值關係,正合乎我的需求。


測量阻抗

    射頻 (RF) 阻抗測量是先以二極體把射頻 (RF) 電壓整流後再測量,可惜二極體會引入誤差,一般這誤差是靠別的組件來補償;而在 RF-1,則以軟體程式來調整。另外,在更高頻率時,小小的一英吋長的導線串聯一個電阻時亦會有大的阻抗變動,所以,對於一個電阻的 DC 直流電壓值,一台數位式直流電壓錶所測出來的電壓比 RF-1 準確,但是在測量 RF 阻抗時,則 RF-1 最適合。

    圖 1 是告訴大家這台 RF-1,測試 RF 阻抗最佳的範圍在 150 歐姆,準確率最好,在20 歐姆以下或 900 歐姆以上,則準確率便較差,不過,除了短的垂直天線和小型環型 (Loops) 天線外,大部份的天線阻抗值都在這段高準確值範圍內。

    對於高要求的人而言,這部 RF-1 的測試端內含一個並聯的 7pF 電容和一個串聯的 0.02uH 電感,這 2 個數值在這部 RF-1 內的軟體並沒有扣除,所以記得,假如要求百分之百的話,別忘了所測量的負載是包含一個並聯的 7pF 電容和一個串聯的 0.02uH 電感。

    正常測量時,一切正常,但如果把 RF-1 設定在 30MHz 以上的頻率時,不接任何東西,再按阻抗 Z 按鈕時,則不是無限大,而是一個數字 611,這是因為 RF-1 正在測量其測量端的電容阻抗,這影響不大,可以忽略。在測量天線共振阻抗時,因為其數值是反應性 (Reactive),所以只會把共振頻率稍微偏移一些。另外值得注意的是:大部份的儀錶之內在電感和電容,都在同軸電纜接頭上,一旦把同軸電纜接上儀錶時,這個內在電感和電容便成為傳輸線的一部份,所以便相對不存在儀錶的測量端。


SWR 駐波比

    SWR 測量時,以 50 歐姆為基準, SWR 在 3:1 以下,則錯誤率在 10% 以內;6:1 時 ,錯誤率 20%,SWR 在大阻抗值比 Z<10 歐姆時為準確。

    注意一點是,大多數 SWR 錶中,都有一個特別的現象,就是 SWR 小於 1.2 時,會產生一個所謂「吸走效應」 (Suck Out),原因是在 SWR 電橋 (Bridges) 中,二極體產生一個下降 (Drops),而很多廠商或生產商都不提這現象,所以我們都對 SWR1:1 十分滿意,而實際上 SWR 1.2:1 表示只有小於 1% 的反射功率而已。Autek Rescarch 提出這一點,是因為 RF-1 是一部精密的儀器,如果要測量少於 1.2 的 SWR 時,可以用阻抗功能來測量。

    例如,一個 50 歐姆的假負載,在 1.2MHz 時,阻抗 Z 為 47 歐姆,而在 35MHz 時則為 56 歐姆,但 SWR 自 1.2~35MHz 都是 1.0,原因是剛才所提的「吸走現象」。但我們可以用一個簡單的公式:

(1) SWR ≧ Z÷50 或 50÷Z

    上面有兩個式子,看計算出來最大的,就用那個:如 35MHz 時,56 ÷ 50 = 1.12,可以看出來,阻抗計算出來的比 SWR 讀數準,不過這是在 SWR 讀數為 1.2 以下才考量的。所以 RF-1 做阻抗 Z 的測量是準確的。


電感和電容的測量

    RF-1 是以所用的頻率 (F) 和所測出來的阻抗 (Z),經微處理機計算出電感 (L) 或電容 (C),但它不能直接告訴你所測量的東西到底是電容器或電感器。

    L 和 C 測量值之準確度與阻抗 Z 相同。測量時先按 Z 按鈕,確定所測量的是否在 20~900 歐姆中,如是,則測量其 L 或 C;例如,一個 7MHz 的天線調諧器中,5uH 線圈是標準的,測量其阻抗 Z,數值為 220 歐姆,表示在 7MHz 時,線圈測出來的電感為 5uH,其準確度與測量阻抗為 220 歐姆一樣準確。

    當 RF-1 出現 H 或 L 字母時,表示阻抗 Z 大於 2000 歐姆或少於 8 歐姆。當測量大線圈或電容時,出現 H 時,減少頻率,便可以把阻抗 Z 拉回可測量的範圍;相反的,出現 L 時,增加頻率便可以了。在這狀況申,RF-1 之內在 7pP 電容會自動扣除掉,但如果要測量測試線的電容 (Test Capacitors) 時,先把測試線開路 (Open Circuit),測量其電容值,再扣除這個 7pF 電容量。

    在測量線圈時,先把測試線連起來,測量這測試線的殘餘電感量,再把線圈電感量讀數,減掉測試線的殘餘電感量,便是實際的線圈電感量。注意一點是 RF-1 之內在 0.02uH 電感,是不會自動扣除的。

    測量 L 時,還要考慮另外一個因素,就是 RF-1 之內在電容 7pF。線圈與此 7pF 做並聯共振的頻率接近時,其 L 值會變大,RF-1 之微處理器會自動做複雜的修正。所以當你慢慢調整頻率時而發現 L 突然變大,並出現 H 時,表示所測量的線圈在此頻率與內在 7pF 做並聯共振。

    現在了解 RF-1 的共振間區,8 歐姆和 2000 歐姆,則測量電感的範圍就如圖 3 所示;記得,RF-1 在測量電感時,如果出現 H,表示所測量的頻率與電感不準,需要調整頻率了。


Fig 4
Fig 5

串聯電容電感量

    導線電感 (Lead Inductance) 在頻率增加時,使電容加大,其原因是導線電感抵消部份電容器阻抗 (Reactance),而使電容量看似增大。為證明這一點,在測量電容時,先從低頻率開始,慢慢增加頻率,看看電容數值是否有戲劇性的增加,圖 4 顯示導線長度在 100pF 電容器與頻率的變化,圖 5 指出大電容要在低頻率測量。同理,可以先測量其 Z 是否在準確區域中 (圖 1),不用擔心出問題,在測量電容時,RF-1 會出現 H 或 L,以顯示所測的電容是否在合理範圍內。


電感、電容和阻抗相互轉換

    上面提過,RF-1 在測量電容時會讀出電感 L,反之亦然,這些讀數告訴測量者,在某一頻率時所需要共振的電容數值和電感數值,例如:測量線圈時,得知電感量再按電容按鈕,得電容數值,把電容數值加上 14pF,便是此線圈在測試頻率,需要共振的電容量 (C+14pF)。

    在某頻率時,測量電感或電容,方可同時測量其阻抗 (但記得其阻抗 Z 是測量端內在並聯 7pF 電容和串聯 0.02uH 電感,一般而言,可以把此內在值忽略掉)。

    同理,測量一個電阻 (R),亦可以在某頻率下,切換到 L 和 C,來看其數值 (同樣 C 值要加上 RF-1 測試端內在 7pF 值)。當然也可以用數學公式計算 L、C、R,但 RF-1 更快捷。


調整天線長度

    一般天線的英呎長度公式如下 (註 2):

(2) 1/4 波長垂直天線=225÷F (MHz)
(3) 半波天線長度=468÷F (MHz)
(4) 全波矩型天線長度=1005÷F (MHz)

    而半波長的傳輸線長度:

(5) 半波(英呎)=492×VF÷F (MHz)

    VF:傳輸線的速率因子 (Velocity Factor),對 RG58、RG8 等同軸電纜, VF=0.66;對發泡式同軸電纜,VF = 0.79 ~ 0.80。表 1 是一些常用數值。

表一:不同種類的天線長度與頻率的關係
Frequency
(MHz)
1/4 Wave Vertical
(ft)
Dipole
(ft)
QUAD
(ft)
1/2 Wave Coax
(VF=0.66)
1.83 123 256 549 177.4
3.75 60 125 268 86.6
7.1 31.7 65.9 142 45.7
10.15 22.2 46.1 99 32
14.1 16 33.1 71.3 23
18.1 12.4 25.9 55.5 18
21.1 10.7 22.2 47.6 15.4
24.9 9 18.8 40.4 13
28.5 7.9 16.4 35.2 11.4

    在架設天線時,從上面計算出來的長度,最好再加 5%,因為萬一太長時,可以剪短;如果太短,要接上去就麻煩了。上面計算出來的長度,在實際上,你的天線會因週邊的環境而改變。所以當豎立天線後,以 RF-1 測量一下,找出最小 SWR 之頻率,如果這頻率太低,表示天線太長,頻率太高,則天線太短。當然,我們可以在天線端測試天線的 SWR,方可以在收發機處做測量,後者的測量是把傳輸線亦包括進去。

    當然,最好的測量是測量天線的最低阻抗 Z,因為 Z 比 SWR 更準確,特別是我們用的傳輸線不是 50 歐姆,則 Z 亦告訴你是否共振。例如:

    剪一條 70 英呎電線,以便工作在 40 米波 (7.1MHz) 的雙偶極天線,每邊 35 英呎,豎立起來,隨後回到收發機端,以 RF-1 測量,發現最小 SWR 或 Z 是在 6.521MHz,表示天線太長,而實際需要是:

(6) 所需天線長度=現在天線長度×現在頻率÷所需頻率

    依此計算,所需天線長度= 70 英呎× 6.521 ÷ 7.1 = 64.29 英呎,所以必需剪掉 70-64.29=5.71 英呎,亦即每邊剪掉 2 英呎 10 英吋。這是蠻長的長度,所以先各剪 2 英呎,再測一下 SWR,再調整吧。


作一條 1/4 波或半波長的傳輸線

Fig 6
Fig 7

    這種長度的傳輸線一般用在相位天線陣列 (Phased Array)、調整線 (Stubs) 和其他用途。參看圖 6,找一條不接天線的傳輸線,一端短路或開路,以 RF-1 測量傳輸線的阻抗和頻率的變化,就得到圖 7 的曲線。

    例如有一條 50 英呎長的 RG-58 同軸電纜,一端短路,另外一端接 RF-1 測試端,自 1.2MHz 開始測量阻抗。發現 Z 隨頻率增加而增加,到一個高峰再回跌到頻率為 6.48MHz 的低 Z,甚至於只有零歐姆,這個 6.48MHz 就是一條 50 英呎長的同軸電纜的「第一個零頻率」 (First null Frequency),亦即是在 6.48MHz,恰好是 1/2 波長,從公式 (5) 得到公式 (7)。

(7) VF =第一零頻率×傳輸線長度(英呎)÷ 492
(8) VF = 6.48MHz×50英呎÷492=0.658

    亦即此條傳輸線的速率因子 (VF) 為0.658

    若要一條 14.2MHz 的 1/2 波長同軸傳輸線,則其長度以公式 (5) 得到:

(9) 492×0.658÷14.2=22.8 英呎

    就是說,我把這一條傳輸線剪為 22.8 英呎,並其一端短路,再在頻率 14.2MHz 時,測量其阻抗 Z,應為最小阻抗,這確定 22.8 英呎傳輸線為 14.2MHz 之 l/2 波長。又如果把它變為 11.4 英呎,則成為 1/4 波長傳輸線,正如圖 6 所示,把一端開路,再測量具阻抗,得最小阻抗,便確認為 1/4 波長的 14.2MHz 傳輸線。另外,利用這方法,更可以測量傳輸線的訊號損失 (Loss),請看下一段。


傳輸線訊號損失的測量

    我們在做天線時,除了要匹配以外,最討厭的就是不知道從收發機出來的功率,經過傳輸線到天線,中間到底有多少功率 (訊號) 在傳輸線本身消耗掉,或是傳輸線被雨水浸泡?

    利用 RF-1,有兩個方法可以了解這個困難,只要把傳輸線一端短路或開路,另一端與 RF-1 接上,測量 SWR 或阻抗 Z。值得注意是,傳輸線訊號損失會隨著頻率增加而加大,所以如果在 1.2MHz 測量是沒有損失,而在 28MHz 則損失增大,請不要奇怪。另外,傳輸線的訊號損失與傳輸線的長度成正比。那麼測量時,應選擇恰當長度,建議是用30 英呎。 Fig 8

駐波比測量法:

    此方法只對 50 歐姆傳輸線有效,只要簡單把其一端接上 RF-1,測量其 SWR 與頻率關係,出現都是 H,便表示這一條 50 歐姆傳輸線訊號損失不多。如果 SWR 少於 15:1,則參照圖 8 以找出相對的損失。

阻抗測量法:

    把傳輸線短路或開路,在其「第一零頻率」,量出其最低的阻抗 Z,於是在這個頻率時,傳輸線的損失是:

(10) 損失(dB)=8.68×最小阻抗數(Z)÷傳輸線阻抗

    對 50 歐姆傳輸線,其損失是:

(11) 損失(dB)=0.17×最小阻抗數(Z)

    例如,50 歐姆傳輸線的最小阻抗數 Z 為 4 歐姆,其損失是 0.17 × 4 = 0.68dB

    阻抗測量法能應用在任何不同阻抗的傳輸線上。甚至於在 600 歐姆都可以;最不方便的是,此方法只能測量最低阻抗時的頻率,不過,利用一端的開路和短路,便可以測量多組頻率時之阻抗,而且利用內差法,找出不同頻率的損失。

    整體而言,比較建議用阻抗測量法找出傳輸線的損失,而 SWR 法則是快速了解大概損失情形。


確定傳輸線的阻抗

    假設你不知道手頭傳輸線是 75 或 50 歐姆,怎麼辦?只要在傳輸線的末端接上一個碳膜型 50 歐姆電阻 (不能用線繞電阻,會產生電感,影響阻抗),另外一端接上 RF-1 ,調整不同頻率,如果是 50 歐姆阻抗傳輸線,則不同頻率下的阻抗都為 50 歐姆定值;如果所量出來的阻抗是隨著頻率變動而循環變動,表示這是 50 歐姆以外的阻抗,那麼,換上不同的碳膜電阻吧,直到在不同頻率下都有固定阻抗讀數時,那麼,這個碳膜電阻的歐姆數,就是這條傳輸線的阻抗數。


平衡 -- 不平衡器 (BALUN) 和其他變壓器的測試

    如果你有一個 1:1 的 Balun,則在 Balun 的輸出端連上一個 50 歐姆電阻,再測量Balun 之輸入端,理應測出一個 50 歐姆的讀數出來,至少這個讀數在你所需要頻率範圍中是固定的 50 歐姆;同樣在 75 歐姆到 300 歐姆 Ba1un 時,輸出端接一個 300 歐姆,在輸入端測量是否在某頻率範圍下是 75 歐姆。實際上,所測出來的值如果在 20% 範圍內變化,都是合理的。

    但 Balun 更需要了解在高功率時看看是否有磁蕊飽和、放火花等,此時用一個 SWR 錶與 Balun 連起來,增加功率,查看 SWR 錶是否有改變。


天線阻抗的測試

    天線阻抗的測量一定要在天線端,而不是在天線傳輸線端,因為傳輸線會改變阻抗,除非傳輸線長度是 1/2 波的長度 (或 1/2 波長的倍數時),或是 SWR 已是 1:1,則可以在天線傳輸線端 (收發機端) 做測試。測量時,應把同軸電纜接地部份接起來。接上後,直接讀出最低阻抗 Z 讀數和其頻率數,就是這一條天線在此頻率下共振時的阻抗。


測量非 50 歐姆傳輸線的駐波比

    如果能在天線端來測量,則十分簡單,只要共振頻率時的阻抗,那麼,共振頻率時的駐波比 SWR 如下:

(12) SWR=最小天線阻抗÷傳輸線阻抗 或
SWR=傳輸線阻抗÷最小天線阻抗

    此兩個式子中,取最大計算值為其 SWR 值。例如:天線阻抗為 200 歐姆,使用 300 歐姆的平行傳輸線,則共振時的 SWR = 300 ÷ 200=1.5:1。當然,RF-1 測量平行傳輸線的精確度與同軸電纜一樣。

    如果不能在天線端測量阻抗,則可以利用前面所說的 1/2 波長傳輸線長度來測量其阻抗。事實上,我們可以用史密斯圖或公式來計算出任何長度傳輸線的天線阻抗,同時假設天線電阻不因頻率而改變,但其電抗則因頻率異動而變動;你可以從測量出來的阻抗來計算出電抗,再從電抗來計算出 SWR,不過,這已經超出這份使用報告之外,請自己找書看吧。


垂直天線地網的影響

    豎立一根 1/4 波長垂直天線時,往往得加上地網線 (Radial),但又想加強訊號,到底要抓幾根地網才是最好?到底目前狀況又如何?是否已經是最好呢?當然,如果能測量其附近的電場強度,那是最棒的,但是,做學術實驗可以啦,一般測量天線在共振頻率時之阻抗,便能學到好多事情啊。

    理論上,1/4 波長垂直天線加上一百枝以上地網時,其理論天線底部阻抗是 38~40 歐姆,假設目前測量出天線底部阻抗是 60 歐姆 (在共振頻率時最小的阻抗),當然方可以在 1/2 波長長度的傳輸線測量其阻抗。

    這 60 歐姆指出有 20 歐姆 (60-40 歐姆) 地面損失,大概有 1/3 天線阻抗是在地面消耗掉,亦即發射機所輸出的功率,有 1/3 消耗掉。現在,再加上一些地網,再量一下,發現共振頻率時有比較小的阻抗,例如 50 歐姆,表示你已經能增加多一些功率了。因為目前只有 10 歐姆的消耗而已。

    這個方法並不是最好,但以 RF-1 測量,則能告訴我要增加,或是減少地網。據老手指示,上面所說的天線底部阻抗是 40 歐姆,是在 1/4 波長垂直天線,而每根地網都與垂直天線成垂直角度,而且一定要把天線放在空曠地方,才有的數值;如果地網並非與天線主體成直角而成一個鈍角,例如在斜屋頂上,則會增加輻射電阻;而附近的物品,如樹木、建築物,也會減少其阻抗,所以不能很精確地計算出其阻抗,但對短負載垂直天線,此法幫忙很大。


不用發射機來調整天線調諧器

    參考圖 9,以 RF-1 也可以找出天線調諧器的最佳狀態,不須用到發射機,對短波收聽愛好者最理想不過;但千萬記住,絕對不要把發射機接入 RF-1,會立刻把 RF-1 燒掉。

Fig 9



Fig 10

測量線圈的 Q 值

    利用圖 10 方法找出共振頻率時,線圈之阻抗 Z 必須先接上一個與線圈共振頻率的電容。找出最小的阻抗時,其相對頻率,就是此線圈的共振頻率。同時測量線圈單獨存在時 (不接上電容) 的阻抗。

(13) Q值=線圈阻抗÷共振串聯電容時最小阻抗

    例如,線圈阻抗為 430 歐姆,而與電容串聯時是 4 歐姆,則 Q 值= 430 ÷ 4=107.5。最小阻抗如果只有幾歐姆,則此方法最準確。


測量陷波器共振頻率

    陷波器 (TRAP) 本身是一個並聯共振線路,我可以用 RF-1 測量陷波器兩端,找出其最大阻抗的頻率,但此方法並不準確,理由有二:一是 RF-1 阻抗讀數大於 2000,便出現 H,二是 RF-1 輸出端的內在 7pF 電容會把所測出來的頻率往下降,變通方法是把陷波器的一段分開,測量其最低阻抗時之頻率。這時候,輸出端的內在 7pF 電容便不影響讀數,同時,頻率亦十分準確讀出。


短波收聽愛好者的應用 -- 簡單天線

    前面已說明過天線調諧器的調整方法,接下來探討 RF-1 在簡單天線時的應用。

    一般短波收聽愛好者對天線都不是要求很高,只要是金屬物品,如鐵窗、門框、不插電的導線,都可以做為天線,但這些天線的共振頻率在哪裡?只要接上 RF-1 測試端,同時把 RF-1 接地端接地,便可以直接找出最低阻抗的共振頻率。當然室內偶極天線和其他室內天線的長度,與表 1 比較,差異很大,利用 RF-1,可以快速調整出來。

    另外,很多短波接收機都沒有數位頻率顯示,可以利用 RF-1 內在的信號產生器來做頻 率刻度校正,例如要收聽 14.180MHz,則以 RF-1 頻率調到 14.180MHz 時,放在短 波接收機旁,再調整接收機的頻率到 14.180MHz 附近,便聽到一個蠻尖銳的信號,這 就是 RF-1 在 14.180MHz 發出的信標,依此類推,便可以做一廣泛的轉盤刻度確定; 上期介紹的 MFJ-8100 全波段接收器就是如此調整。


正弦波產生器

    RF-1 是一個真正的正弦波產生器,輸出經過 AGC 後十分穩定;同時,頻率是數位表示,這才準呢,輸出阻抗為 50 歐姆時之開路 (Open- Circuit) 電平為 2Vp-p,為減少其最低變動時,可以使其負載最低最好。建議用 150 歐姆串聯電阻,並一個 60 歐姆電阻接地,則輸出端為 400mV p-p,而輸出阻抗為 50 歐姆,如果要求諧振變化(Harmonic Distortion) 不大時,則不需要接任何電阻。


何謂阻抗

    簡單而言,阻抗 (Z) 就是交流電阻,直流電壓表直接測量 (零頻率) 直流電之電阻;當頻率增加時,因電抗 (X) 變化而使電阻變化,而電抗可以是電感性 (線圈) 或電容性 (電容器)、電抗 (X) 常存在,只是我們不注意,但頻率增加時,電抗就明顯起來,特別在頻率大於 1MHz 時、更明顯。

    天線是阻抗 (Z) 的特例,偶極天線在直流電時之阻抗是無限大 (因為兩條線並不相連),但在射頻共振時其阻抗是 50~70 歐姆,而串聯之電抗 (X) 和電阻 (R) 之阻抗(Z) 為:

(14) Z = ( R2 + X 2 )1/2
(15) X = ( Z2 - R 2 )1/2

    經驗老手們應該注意到 RF-1 是射頻雜訊電橋 (RF Noise Bridge) 的代用品,不能直 接讀出電抗 (X),但可以用公式 (15) 計算出來。下面有數個例子:

    例一:在偶極天線或垂直天線測量中,在共振時,電抗 X 消失,餘下電阻 R (輻射電阻)。這時,小小的頻率改變 (<3%),不會對共振時的電阻有所改變。事實上,改變電抗 X,便改變阻抗。所以用 Z 和 R,便以公式 (15) 求出 X (當然亦可以求出 SWR,但需要繁複的計算) (註二)。

    在偶極天線和 1/4 波長垂直天線測量時,小於共振頻率,便表示天線有電容性電抗;大於共振頻率,則有電感性電抗。前者需要加電感,後者需要加電容,以使天線在共振頻率達到最佳狀態。在公式 (14) 和 (15) 所計算出來的值,數學上應有「正」和「負」,但要請教 OM,到底那一個是代表電感性,或電容性?

    例二:在短的垂直天線或傳輸線中 (小於 1/4 波長時),電阻可能低於 40 歐姆以下;調整線 (Stub) (開路或短路的傳輸線) 幾乎只有 0 歐姆,這兩個狀況的 Z ≒ X。

    把 RF-1 直接到短天線接口,調到需要的共振頻率,再切換到 L 電感讀數,讀出所需要加在天線底端線圈之電感數 (因為短天線具有電容性電抗,而 RF-1 直接把電感和電容相互對換出來)。

    例三:大體而言,如果電抗是電感性,需要相對的電容來抵消掉。


RF-1 之內部調整

Fig 11

    RF-1 的內部調整只有 2 個 (圖 11):調整螢幕亮度與正弦波產生器的波型。後者是 RF-1 的心臟,如果硬要調整,原廠不做任何事後保證,因為這是他們的專利版權。說明書亦告知調整此 RF-1 正弦波產生器的方法。

    螢幕亮度調整:太亮時,則全是 8888;太暗時則看不到,甚至於 RF-1 不工作 (只有在電源不夠才出現,RF-1 在出廠時已調整好,根本不需操心)。

    正弦波產生器的調整:這是決定正弦波是否單純,而且直接影響最小 SWR。只有兩個狀 況要調整,一是 SWR 不能到達零,或是輸出端短路時,SWR 不出現 H,這個調整需要 技巧,原廠不做自我調整的保障。

    原廠調整時,需要先把輸出端的同軸插頭拆下來,接上串聯共振線路如圖 10 所示,但加入一個 50 歐姆電阻和 L-C 串聯,在 8MHz 共振頻率時,整個外接串聯共振線路就如一個單純 50 歐姆電阻一樣,隨即慢慢微調到最小的 SWR 便行了。

    另外一個方法是找一條匹配好的天線和天線調整器,做為 RF-1 的輸出負載,重要的是 這負載在 RF-1 頻率之 SWR 讀數是接近 1:1,而在此頻率之幾次諧波,其 SWR 非常高 時,才能做調整。調整十分簡單,在該頻率下,微調到 SWR 最小便是了。

Pic 2



後語

    在前言已說過,個人對無線電只是興趣,又不是科班出身,數學也早就忘得一乾二淨,沒想到幾個有興趣的朋友湊在一起,從不懂天線,到決定買儀錶的選擇,找資料、實作,前後亦一年多了。至少,我目前了解 SWR 怎麼測量、怎樣判讀、何謂電抗、電感、電容、電阻,終於了解什麼是阻抗、為什麼要用正弦波產生器、如何調整非數字顯示之短波接收機的頻率刻度板。這些學費終究是要繳的,包括:花銀子買書本、儀錶 (RF-1)、等候的時間、理解,不懂時,臉皮要厚,才有答案,當然更要整理出來向前輩們報告。

    最後,感謝彰化業餘無線電學會伙伴們的指引迷津,BV5CJ 陳致新解析 SWR 的意義和相關回答,XYL 的財務允許,還有 HF 上所有朋友們替我測試天線的信號報告。我另外影印一份 RF-1 原廠的規格表和操作說明書共 11 頁 (英文),放在 CQ 雜誌社中,有興趣的朋友們,請直接與 CQ 聯絡吧。(附 10 元 SASE 回郵信封索取)

    以上技術內容,是個人閱讀操作說明後,以中文做筆記,當然有所出入,煩請能人高手多多不客氣,指導指導,小老馬在此拜謝。 END

    註 1:規格 (SPECIFICATION) 是每個儀錶 (如收發機等) 的特性指標,規格是有一定 的內容,好的產品,其規格十分嚴格,所以規格是最重要的參考。

    註 2:參考 ARRL 之天線手冊。



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