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多波段偶極天線

G5RV 真的是多波段偶極天線嗎?

No.42   1996 July   p 96 ~ 99,   by 林茂榮 / BV5OC, P.O. Box 23-575 Changhua



    電波傳導狀況欠佳之下,許多業餘無線電台都紛紛擠到新興的波段,像是 30 公尺、17 公尺、12 公尺波段等,相對帶動多波段偶極天線的復活,其中最引人注目的,要算是G5RV 多波段偶極天線,這是一種饋送點在天線中央,而饋送線也有特殊安排的多波段偶極天線,這種天線可以工作的頻率低到 3.5MHz 的 80 公尺波段,而天線的雙翅展開長度則比 80 公尺波段的四分之一波長還短些,這對於架設天線環境受到限制的人,真是有很大的吸引力!

    因此,許多人會誤認為 G5RV 饋送線的特殊安排是一種萬靈丹,尤其是這天線被安排成倒 V 字形架設時。其實,這天線只是一種普通的偶極天線,並沒有什麼特殊或優越的地方,只不過是饋送線有比較特殊的安排而已,而這種饋送線也很容易仿製。

    事實上,倒 V 字形多波段偶極天線的性能是比不上同樣架高與夾角的偶極天線。為了評估多波段偶極天線,我們特別設計了一套評估方法,來計算出水平架設與倒 V 字形架設的多波段偶極天線的水平及垂直輻射圖案。


使用調諧饋送線的多波段偶極天線

    在無線電發展之初的 30、40 年代,利用調諧饋送線配合多波段偶極天線使用極為流行,其中有些結構也沿用至今而不衰。因為多波段偶極天線上雙翅等長,所以不論在哪一個頻率上,電流的分佈都是均勻而平衡的(BV3FG 註 1),除非偶極天線的其中一邊比較接近地面而破壞了平衡,因此理論上,偶極天線的雙翅長度並沒有特殊的要求,而饋送線的長度也無所謂,但是有些結構可以在廣頻率範圍內,與發射機的輸出相互匹配。
(BV3FG 註 1:作者的意思並不是指天線上的電流大小完全一樣,實際上是指天線上任兩個對稱點的電流大小相同)

    一般多波段偶極天線使用高阻抗的扁平饋送線,而偶極天線的雙翅長度就介於 20 ~ 40 公尺之間,至於饋送線長度,則是在 12 ~ 20 公尺之間。在還沒有發展出同軸電纜之前,所有的無線電設備系統都是平衡式的。而現在因為不論發射機或天線調諧器,都採用非平衡式饋送,所以也就大量採用同軸電纜。

    不過無論使用什麼饋送線,因為天線負載在某些頻率上會表現出電抗的不匹配現象,因此就必須使用「平衡非平衡轉換器」 (BALUN)。


G5RV 型多波段偶極天線

    1946 年,凡倪君 (Louis Varney) 於世界大戰結束後,急於想操作業餘無線電台,就根據他自己的後院大小,設計了一只可以使用的多波段偶極天線,這天線的雙翅長度是 61 公尺,採中央饋送方式,並且配備了有調諧功能的饋送線,這饋送線有兩種形式,一是如圖 1(A) 所示,完全採用高阻抗的調諧饋送線,另一種方式如圖 1(B) 所示,採用 10.3 公尺的殘段匹配,然後以同軸電纜接到發射機上,而這殘段匹配的長度就是 20 公尺波段的半波長。另一種殘段匹配是採用 300 歐姆的扁平饋送線,這也就是目前大家所熟知的 G5RV 天線,這天線是於 1951 年在英國業餘無線電 (RSGB) 出版的快報中發表的。

Fig 1

    如果配合適當的天線調諧器,這天線可以使用在 3.5 ~ 30MHz 之間的任何業餘無線電波段,凡倪君把這一段殘段稱為匹配部份,之後就有許許多多的討論,不斷在空中進行,到底稱為「匹配部份」妥不妥當。

    幾年之後,凡倪君回過頭來看,下了這麼一個結論:把這饋送線稱為匹配可能並不妥當,因為這只是針對 20 公尺波段,在這個多波段偶極天線中,中央饋送點的實際阻抗大約是 100 歐姆左右,而經由這二分之一波長的饋送線當成匹配部份,就可以和發射機取得匹配,如果要說得明白些,這就要把這饋送線當成是串連的匹配器,而實際上,整條饋送線都是串連的匹配器,這也是通常在考慮多波段偶極天線時,會被完全遺忘的地方。

    凡倪君建議,因為在這一段的串連匹配器上,有很高的駐波電壓,因此以使用低損失量的高阻抗饋送線為宜,至於這高阻抗的饋送線,凡倪君並沒有指出阻抗大小,經過細算,這阻抗值是 523 歐姆。

    很明顯地,這饋送線的安排極為特別,因為這是一只多波段偶極天線。而一般多波段偶極天線也是採用一定阻抗的饋送線,所以 G5RV 天線應該是採用組合式的饋送線,也就是一段高阻抗饋送線之後,串接了一段一般的低阻抗同軸電纜,再接到發射機輸出端,這也使得要討論這只天線,變得更複雜。而混淆不清的「匹配部份」與「饋送線」,也一直延續至今,很少人真正地去探討。更有些奇怪的天線實驗家,認為 G5RV 天線可以不需要任何調諧裝置,而可以應用在所有的業餘無線電波段。這真是奇怪,搞不懂為什麼使用 G5RV 天線的業餘無線電家會有這樣的觀念,因為 G5RV 天線的發明者凡倪君,根本沒有說過 G5RV 可以不用調諧裝置而供全波段使用。

    實際上,G5RV 天線與所有的業餘無線電波段,都沒有很好的匹配,而且在某些特定的 頻率上有很高的駐波比值,所以凡倪君建議不要使用平衡非平衡轉換器,而這也成為另 外一個爭論焦點,因為以非平衡的輸出,饋送給平衡式的天線,其間當然得使用平衡非 平衡轉換器。然而在駐波比值很高的情況下,使用平衡非平衡轉換器反而帶來更大的麻 煩,若不使用平衡非平衡轉換器的話,在駐波比值高的情況下,饋送線反而會變成輻射 體。


偶極天線的方向性

    偶極天線有時架設來並不一定都是雙翅成一直線而與地面平行,一般而言,半波長偶極 天線都會取彎曲狀、斜狀、或者是下垂狀,以適應不同的架設地形,然而多波段偶極天 線就不見得會有類似的架設方式。這裡我們只拿與地面平行的架設,及下垂狀架設的偶 極天線來討論。

    當凡倪君介紹他的 G5RV 天線時,總是採用傳統與地面平行的架設方式,然而一般業餘 無線電家架設偶極天線時,往往採用下垂的方式,因為這樣架設時,只需要一根支柱就 夠了。

    實際上,在早期的 ARRL 天線手冊中,就出現了翅長達 15 公尺的多波段偶極天線,採 用下垂架設,使用高阻抗偶饋送線,其中並有詳細的說明,而且還提及,如果架設成倒 V 字形的話,頂角以介於 90 度到 110 度之間最好。實際上,這是因為資料不夠所造 成的錯誤,推論即實驗都證明,多波段偶極天線,頂角是以 180 度最佳,也就是以與 地面平行的架設方式最理想。


測量天線的阻抗特性

Fig 2
圖 2:從阻抗、電抗、及駐波比值的觀點來看 G5RV 多波段偶極天線

    待測的 G5RV 天線是採用下垂的架設方式,頂角大小約 127 度左右,頂角的離地高度是 15 公尺,而這只 G5RV 天線,完全遵照凡倪君建議的尺寸,天線主體雙翅是 62 公尺,匹配部份是 450 歐姆饋送線 9.8 公尺,這長度原本是 10.3 公尺,但是採用 0.95 的速率因子計算,使長度縮為 9.8 公尺。這天線在 3 ~ 30MHz 之間的共振頻率包括有:3.49MHz、7.52MHz、14.15MHz、19.5MHz、及 24.6MHz。值得注意的是,其中的 14.15MHz,就如凡倪君所意料的,落在這頻率上,在這些頻率上的阻抗分別是 16、31 、148、48、及 162 歐姆,這也說明了,G5RV 天線在匹配上要取得低駐波比是有困難的,因為根據上的阻抗,如果採用 50 歐姆饋送線,那麼在上述的共振頻率上,駐波比值分別是 3:1、1.6:1、3:1、1.04:1、及 3.24:1。

    這只 G5RV 天線架設時,還加了一段 50 歐姆的同軸電纜,這是一段長 9.4 公尺,並套有 300 枚鐵酸鹽磁環的同軸電纜,加了這一段饋送線之後,整個 G5RV 天線阻抗特性都變了,參看圖 2(A)、2(B),這 G5RV 天線所測得的阻抗特性,是包含一段套有磁環的同軸電纜,注意因為加了這一段饋送線,使得在 80 公尺波段與 40 公尺波段之間幾乎沒有共振存在。

    參看圖 2(C),可以發現駐波比值與頻率之間的關係,雖然在 3 ~ 30MHz 之間可以發現有三處低的駐波比值,但是在所有的業餘無線電波段上,都有很高的駐波比值,因為使用了磁環套在同軸電纜上作為平衡非平衡轉換器,所以饋送線中的同軸電纜外層的電流應該很小,所以高駐波比值應該與同軸電纜的長短無關。

    很顯然地,G5RV 天線可以算是多波段偶極天線,它在 3 ~ 30MHz 之間有許多共振頻率點。這次測量的駐波比值,與別人先前所作的,相互印證,可以發現不同波段都可以找到比較低的駐波比值,雖然某些波段的低駐波比值頻率是落在業餘無線電波段之外。


與地面平行及下垂的偶極天線

    以二分之一波長的偶極天線而言,如果把天線的雙翅下垂,那對於天線的增益影響並不大,但是當偶極天線的雙翅增長時,天線體的最大電流點,就會從頂角往下移,也就是說,如果天線雙翅往下垂的話,天線最大電流點會往下降,這也就降低了天線約有效高度,使得天線的輻射角也升高了。至於天線的增益及輻射圖案的變化那就更複雜了。

    如果天線是採與地面平行架設,當頻率升高時,輻射角也隨著降低。當輻射圖案變成多葉狀時,所有輻射葉的最大輻射角就與方位角相同,但是這些原理不適用於下垂的偶極天線,下垂越厲害,差別也越大。

    因此,多波段偶極天線,如果天線長度大於工作頻率波長二分之一時,就應該採用與地面平行架設,至少應該盡量不要下垂。


結論與建議

    當看到 G5RV 天線,或是以 G5RV 天線為基礎的天線時,我們決不能很單純地認為,串接在饋送線上的一段只是匹配器而已,也就是認為它是一串接的變壓器,參看圖 1 的 L2,這在以高阻抗饋送線和同軸電纜組成的饋送系統中,有這種看法更是重要。

    很顯然地,加進去的 L3 同軸電纜,也是屬於串連的匹配變壓器,至於對整個阻抗的影響,也許包括套在上面磁環所形成的平衡非平衡轉換器,也許不包括。不過以前對 G5RV 天線的分析,僅止於一段饋送線的串連匹配部份,通常是把串在上頭的同軸電纜忽略掉了。考慮進去的話實在太複雜了,為了簡化,最多也只是考慮這段同軸電纜加進去後,對駐波比值的影響,而不是對於阻抗的變化做分析。不過以實用的觀點,採取這樣的措施也無可厚非,只不過是,採取這種方法,對整個天線系統的特性會產生混淆。比如把圖 1(A) 的偶極天線稱為饋送線調諧偶極天線,而把圖 1(B) 偶極天線稱為殘段匹配的偶極天線,這也是值得商榷的,因為像圖 1(B) 的結構也是使用了饋送線調諧,因此也要和圖 1(A) 一樣,稱為饋送線調諧偶極天線才是。

    雖然有人不斷地研究 G5RV 天線,改以各種尺寸及饋送線結構,但是都無斬獲。有一篇探討 G5RV 天線的結論說道:「當我對 G5RV 天線產生興趣,並且有信心希望可以改良得更好時,就設定要讓駐波比在 2:1 內,但是當我讓某一波段符合這個要求時,另外一些波段上的駐波比卻都升到 2:1 以上,因此要真正達到多波段偶極天線,G5RV 天線是非使用天線(饋送線)調諧不可」。因此我傾向使用天線調諧器配合 G5RV 天線使用,而不是向改良更好的 G5RV 天線方向走。

    G5RV 天線的雙翅長度與工作波段有關,而且天線的輻射圖案也與工作頻率有關,所以一般使用 G5RV 天線,在決定天線雙翅長度時,一定要考慮到這項因素。至於原來多波段 G5RV 偶極天線,雙翅長是 30 公尺,這相當於 3.5MHz 的八分之三波長,這個長度要在一般的環境架設還算合理,如果偶極天線的雙翅縮得太短,使用起來就很不理想,例如在 10MHz 以上,這樣會使偶極天線的輻射圖案呈多葉狀,這就會造成嚴重的指向性,只要偶極天線雙翅長度超過 1.25 倍波長時,這現象就會很明顯。
(BV3FG 註 2:我個人並不完全贊同這樣的看法,當天線越長的時候,沿著天線的方向的確有指向性,這是因為這個方向上的波瓣有較高的增益,然而在其他方向也有許多副波瓣,副波瓣的強度相對於偶極天線來講並不會太弱。根據我的使用經驗,這類天線越長越好。)

    因此若是要使用在高頻率上,偶極天線的雙翅就要縮短,避免長度超過 1.25 倍波長。但是多波段偶極天線就沒有那麼容易安排了。但是可以改用其他種類的天線,例如小型環狀天線,這可以應用在 10 ~ 30MHZ 之間。

    另外我喜歡使用不同工作頻率的偶極天線並聯在一起,使用同一饋送線,而整只天線就像是打開的雨傘架一樣。

    只要偶極天線雙翅長度不超過二分之一波長,不管天線架設的是與地平行或是垂直架設,偶極天線的方向性根本就不明顯。而只要天線雙翅長度超過 1.25 倍波長,則為了不損壞性能,我必須採用水平架設。

    至於饋送線長度,我認為採取自然型態,也就是從天線調諧器輸出到天線饋送線點之間的長度,因為這裡饋送線也是屬於調諧的一部份。至於饋送線部份,則應完全採用高阻抗饋送線,這可以減少饋送損失量。

    值得注意的是,翅長 31 公尺的 1.5 倍波長偶極天線,饋送線阻抗是介於 100 ~ 150歐姆之間,如果針對 20 公尺波長而言,那麼可以使用兩段的同軸電纜,形成一平衡非平衡轉換器,就像是凡倪君設計 G5RV 天線一樣,把共振頻率設定在 20 公尺波長上。不只如此,使用阻抗低的同軸電纜,還可以限制整個 G5RV 多波段偶極天線系統的阻抗變化範圍,而只要採用合宜的同軸電纜,並且不要太長,套用磁環的同軸電纜,可以說是高頻範圍內的最佳平衡非平衡轉換器。 END

    主要參考資料: On center-fed multiband dipoles.,by John S. Belrose



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