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同軸電纜共振式雙偶極天線

No.44   1996 Sep.   p78~80,   by 編輯部



    業餘 80 米波段開放供業餘應用已經有幾十年的歷史了,許多朋友都一直希望能有一只效率高又方便安裝的 80 米波段天線,以便進軍 80 米波段。

    這裡要介紹一只很特別的 80 米波段天線,稱為同軸電纜共振式雙偶極天線,不只容易架設,低頻波段天線常碰到的諸多困難,此天線都能一一避免,更沒有安裝一般天線的麻煩。這是現在要介紹的這種很特別的天線,稱為共振饋送線偶極天線 (Reonant Feed-Line Dipoles)。此天線可以直接與收發機接用,不須要天線匹配器或平衡非平衡轉換器。此天線不用時可像保存同軸電纜一樣,使用滾軸繞起來。雖然本製作是針對 80 米波段,但這種天線也可以自行擴充,應用到高頻的各個波段上去。

    下面是業餘電台在架設 80 米波段天線時,可能會碰到的各種情況:

  • 情況 1:家住郊區,屋外雖有零星的樹木杵立,長達 37 公尺的饋送線還是找不到合適的支持點。

  • 情況 2:居住空間有限,找兩個相距夠遠的支撐點倒還不難,但是要找個中間支撐玷可真是束手無策。

  • 情況 3:居住高聳雲天的大樓,在樓頂上從前院到後院的深度足以拉一條雙偶極天線,但就是缺少支撐雙偶極天線中間點的適當位置。

  • 情況 4:準備到郊區渡假露營,或許有夠大的空間拉個雙偶極天線,但只住一天呀!總不能花半天的時間來架設天線吧?

    上面碰到的各種情況不一而足,同樣都面臨了一些問題,想要解決這些問題之前,先釐清問題的重點如下:

  • 不另外使用天線調諧器。
  • 以一條同軸電纜解決,再怎麼惡劣的環境也要能架設天線。
  • 天線容易收藏及移動,最好能像裝運同軸電纜般使用滾軸纏繞。

Fig 01
圖 1:10 米波段的垂直雙偶極天線。

    以一只 10 米波段垂直同軸電纜天線為例,如圖 1,基本上那是一只 1/2 波長雙偶極垂直天線,1/4 波長為鞭部份,另一 1/4 波長為同軸電纜隔離網構成。此種觀念當然也可以應用到 80 米波段,但是誰願意去處裡那長達 18 公尺的同軸電纜隔離網。不過有一個很重要的特性:無線電波 (流) 在同軸電纜隔離網前進時,若碰到高阻抗,訊號會以 180 度的相位差被迫折回。由這個事實,如果不想把同軸電纜隔離網剝離,是不是有其他辦法,同樣可以達到製作與圖 1 相同天線的目的,不用對同軸電纜加工,只使用同軸電纜隔離網。但是如何讓射頻訊號知道哪一點該折回。

    就像圖 1 所示,中間以上部份把隔離網切斷。在同軸電纜隔離網走動的電流稱為共模 (Common-Mode) 電流,因為與同軸電纜軸心的電流無關,也不會彼此影響。還記得有一種平衡非平衡轉換器,也是利用此特性,把一非平衡阻抗放在共模電流路徑上,在不影響軸心電流情況下,能做到平衡非平衡的轉換。

    如果同軸電纜長度是工作頻率的 1/4 波長,則隔離網的共模電流在收發機輸出端最大。我們可以根據此項事實,做一更省事的雙偶極天線。我們可以把一電感從最大電流處往外移來增加共振頻率,這同時也減少了同軸電纜隔離網的共模電流。電感量可以選擇恰好與並聯的等量電容形成共振,這樣在天線上,此點阻抗便大大地增加,這可以使射頻訊號像是圖 1 中間點一樣被折回,稱為 T 式扼流圈 (T Choke)。


製作、裝配、調整

名稱 數量
RG-8X 同軸電纜 41 公尺
12 號絞線或細軟銅線 18 公尺
PL-259 公接頭 1 只
半吋外徑 PVC 管 8 公分
尼龍繩(固定用) 適量
表 1:製作 RFD-1 的材料。

    同軸電纜共振式雙偶極天線如圖 2 所示,圖內尺寸及測試的結果,都是針對 80 米波段。材料詳細尺寸如表 1 所列。先在同軸電纜的一端裝入 M 頭,用來接收發機的天線座,另一遠端則以同軸電纜本身做一眼環,以供固定天線用。

    地面訊號損失 (Ground Loss) 是高頻天線的剋星,尤其是波長較長的低頻部份,因此 80 米波段天線應盡可能高架。裝妥後,應再使用雜訊電橋或駐波比錶核對共振頻率有沒有跑掉。依照圖 2 的尺寸及架設方式,共振頻率大約是 3.95MHz。如果找不到共振點,或是阻抗離 50 歐姆很遠,可以調整線圈的位置。這位置的調整,影響端點電壓很大,如果要降低共振頻率,就要增加 25 英吋的距離,這相當於增加雙偶極的長度。一旦調整妥當,日後就不須再調整了。

    繞 13 圈是一般的情況,也可以更改圈數,但是當圈數增加時,25 英吋的距離便要相對地縮短,例如 11 圈時,得到的長度是 68 英吋,當圈數增為 13 圈時,長度也縮為 25 英吋。此點的阻抗很高,因此可以成為與接地之間很有效的隔離。

Fig 02
圖 2:RFD-1,80 米波段同軸電纜共振式雙偶極天線。



供兩波段用的同軸電纜共振式雙偶極天線

波段(公尺) 頻率 (MHz) 圈數
160 1.90 19
80 3.95 13
40 7.25 9
30 10.12 8
20 14.29 7
17 18.14 6
15 21.38 6
12 24.96 5
10 28.65 5
表 2:把同軸電纜共振式變偶極天線應用到高頻各波段的資料。

    上面介紹的同軸電纜共振式雙偶極天線,只能工作在一個波段,稱之為 RFD-1,但是只要稍加修改,也不用切斷同軸電纜,就能成為供 40 米波段使用的同軸電纜共振式雙偶極天線,但這還不理想,只要結構稍改變一下,就可以成為同時可供 80 及 40 米波段使用的同軸電纜共振式雙偶極天線,稱為 RFD-2,也就是不用改變原來供 80 米波段使用的同軸電纜長度,就能供 40 米波段使用。所做的修改包括原本繞線的地方圈數增加幾圈,另外在遠端多做一同樣的同軸電纜線圈。

    參看圖 3 就是 RFD-2;整條同軸電纜的長度從原來 RFD-1 的 38 公尺增長自 43.6 公尺。這是因為要增加同軸電纜繞圈數及同時要滿足 80 米的 1/4 波長鞭長及 3/4 波長鞭長,因而能對兩波段都有高阻抗。

    前面提過,共振線圈可以使 80 米波段同軸電纜共振式雙偶極天線產生有效的折回,應用到不同波段時,就須要重新算線圈數,因為共振頻率不一樣了。圈數要多少,應用在高頻各個波段的資料如表 2 所列。波長低於 40 公尺者,輻射部份的鞭長要超過 1/2 波長。實際上,雙偶極天線的雙翅長可以是 1/4 波的奇數倍,例如 20 米波段雙偶極天線總長可以是 2/3 波長,也就是每翅 3/4 波長。

Fig 03
圖 3:RFD-2,40 米波段同軸電纜共振式雙偶極天線。



製作

    從表 2 中的資料,要製作 40 米波段同軸電纜共振式雙偶極天線,必須要把圈數從 13 減為 9 圈,同時線圈的位置也要移到離中央點 9.8 公尺左右。這大約是 7.26MHz 雙偶極天線的一半長度。這是提供同軸電纜共振式雙偶極天線必備的高阻抗點。

    除此之外,我們必須在天線遠端提供另一高阻抗點,但是為了不破壞 80 米波段的同軸電纜尺寸,並不是直接算好長度把多餘的剪掉,而是把多出來的長度以同軸電纜線圈方式處理,這裡我們繞了 9 圈。圖 3B 是供 40 米波段的同軸電纜共振式雙偶極天線,內有詳細的尺寸,雖然繞線圈的直徑是要 15 公分,但是以裝清潔劑的塑膠瓶繞製,效果很好。

    同樣的,同軸電纜共振式雙偶極天線應盡量架高,以減少地面損失,保持低的輻射角,有利於遠距離通訊。如果環境不許可,也不一定要把同軸電纜共振式雙偶極天線拉直架設,如果能找一高點架起,雖有一點轉彎或向下傾斜,那可能遠比架在低處的拉直方式還好。

    可以利用雜訊電橋或駐波比錶來量測共振頻率,如果尺寸正確,共振頻率應離 7.26MHz 不遠才是。同軸電纜線圈的尺寸及線圈位置都可以改變共振頻率,不過影響最大的要算是改變兩線圈的彼此距離。


結論

    以雜訊電橋測量 RFD-1 其阻抗是 49 歐姆,實測駐波比值果然是 1:1,利用射頻電流探棒測量饋送點的結果,電流比為 5.5:1,換算成為功率比是 30:1,用分貝來表示則為 15dB,這表示線圈能很有效率的阻絕共模電流通過,讓它不能折反到收發機去。

    如圖 3B 的 40 米波段同軸電纜共振式雙偶極天線,RFD-2,其共振頻率是供話務用的,實際的駐波比值也是 1:1,若要做電碼通訊可以稍微調整共振頻率,不調整也可以,其實際阻抗也是 50 歐姆。這樣看來,同軸電纜共振式雙偶極天線的反射功率幾乎是零,所以駐波比總是 1:1。但是這裡有一問題值得思考,這裡採用的原理是切斷共模電流的回流,與測量駐波比的測量原理很類似。這也是為什麼先用雜訊電橋測量阻抗後,再以駐波比表來印證的原因。 END



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