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自製天線假負載

No.44   1996 Sep.   p81~83,   by 林茂榮 Paul Lin, BV5OC, P.O. Box 23-575 Changhua



    早期無線電愛好者製作無線電發射機時,往往使用電燈泡或日光燈管來充當天線的假負載作測試,不但便宜,也可以直接從燈泡或燈管的亮度來評估射頻的輸出功率。

    一般說來,任何的燈泡都可以使用,但是以燈絲接近天線饋送點阻抗的燈泡最理想,例如 50 歐姆。不過這裡還是有個問題,因為我們知道一般的燈絲都有個很大的溫度係數存在,當燈泡亮起時,它的阻抗變動很大,而且也會隨著亮度不同而不停地變化,因此要利用這種方式來精密的測量功率,根本做不到。

    要測量射頻輸出功率,首先要掌握的參數是天線假負載的阻抗要知道,而且這阻抗最好保持固定的常數,這樣就可以利用歐姆定律,只要知道射頻電流,或是跨假負載上的電壓,就可以求得精確的輸出功率。


為什麼需要天線假負載

    目前可以說在業餘無線電應用領域內的射頻機器輸出,都是採用 50 歐姆,因此,一切的相關週邊設備,自然也都是是 50 歐姆,例如功率錶、駐波比錶、濾波器等,它們的輸入或輸出端阻抗,都會是 50 歐姆。而其實這就是關鍵點,只要抓住此點,你也就不難了解,為什麼要調整發射機、測量輸出功率、或測量濾波器線路等,都需要用到 50 歐姆的假負載。


如何設計天線假負載

    首先我們要知道理想假負載的條件是什麼?因為我們要從中得到精密的數據或是調整,因此,好的假負載必須要滿足下面的條件:

  • 在應用的頻率範圍內,假負載必須都能呈現 50 歐姆的純阻抗。

  • 有夠大的耐功率,可以承受設備加諸其上的功率。

    首先我們要探討的,就是假負載的頻率限制,任何電阻或是許多電阻組合成的個體,用在假負載上都會有寄生電感存在,這些都是因為電阻零件的成分或是電阻接腳所造成的。同樣的道理,電阻或是組成假負載的零組件,也都會有寄生電容存在,有些是元件的接腳間形成的,有些是其他寄生現象所產生的。當工作頻率不高時,因為這些電感與電容值很小,因此影響的程度,幾乎可以忽略不計;但是當工作頻率慢慢升高峙,影響的層面漸漸出現,頻率到了某個程度,寄生電容與電感甚至會升到佔了舉足輕重的地位,此時,假負載就不是純阻抗了,而且阻值也會偏離 50 歐姆很多。

    關於耐功率,假如設備所輸出的射頻完全被假負載吸收,沒有任何輻射,那麼這些功率會在假負載內轉化成熱溫,這些加在電阻上功率所產生的熱,如果沒能盡快散掉,則電阻就會被加溫,高溫除了會影響電阻的阻值特性外,持續的高溫甚至會損毀電阻。

    一般電阻的散熱是藉著電阻接腳傳遞,或是在空氣中,以輻射、對流方式自然散熱。要增大散熱效果,可以把電阻排散開來,不要讓它擠在一起,或者是加風扇冷卻。也可以在電阻上加散熱片,但這會增加容抗,進而影響到頻率響應。另一種方法就是把假負載泡在散熱油液中,但是這也會使頻率特性變差。

    很明顯地,當假負載的工作頻率升高,耐功率變大,在製作上有很多因素要考慮,如零件耐功率、零件阻抗變化等。為了去除麻煩,自製假負載時,就必須找出合理的妥協點。一般買來的假負載,都是使用特製的同軸電阻,並且採用特殊的連接方式,以去除寄生電感與電容的效應,這樣的假負載就可以應用在更高頻率上。


性能

    很多人都希望可以自製假負載,而最重要的是,製作所需的零件要容易取得,我們的目標先放在高頻領域內,也就是頻率在 30MHz 以下,當然最好是希望在 2 米波段也可以撐一下場面,也就是希望在 30MHz 以下,性能沒話可說,而在 150MHz 以下也能使用,這是設計目標,也是我們對性能的要求。

    把假負載泡在使用小型奶粉罐並充填散熱油 (加油站可買到,一般壓縮機使用的潤滑油) 的容器內,耐功率可以達到 100 瓦,並且持續 10 分鐘,做 20 分鐘的暫停後,又可以繼續使用;或者是在功率 25 瓦以下,可以連續使用。如果罐內不加散熱油的話,耐功率就會降下來,在 25 瓦負載下,只能連續使用 10 分鐘左右,但是不加油時的駐波比會比較好。參看上圖是此假負載的特性,在 30MHz 以下,駐波比都小於 1.1,而駐波比 2 時,頻率可以達到 200MHz。

Fig 01
假負載在 30MHz 以下的性能。

Fig 02
在 200MHz 時,駐波比是 1.9784,很接近 2,若以此為定義,則假負載頻寬是 200MHz。



製作

    整部假負載是由 12 只 2 瓦的電阻拼合而成,有 7 只 560 歐姆,5 只 680 歇姆,這些電阻並聯在一超時,可以得到 50 歐姆的等效電阻。這些電阻以兩塊雙面線路板銲接,並且以同軸電纜拉出,接到一只 BNC 頭上。

Fig 01
由 7 只 560 歐姆,5 只 680 歐姆的 2 瓦電阻拼合而成的 50 歐姆等效電阻假負載。

Fig 02
以奶粉罐製作完成的假負載外觀。

    減少寄生電容可以提高工作頻率,為了減少寄生電容,線路板與罐蓋之間,要使用銅板或是銅條銲接,除了可以減少寄生電容外,也可以兼做固定用途。

    製作時,要記得銲接銅板及奶粉罐蓋很簡單,倒是要除焊時很不容易,因為板面很大,因此需要大功率的烙鐵,這也會很容易傷到線路板上的電阻,因此下面有個製作順序供參考:

  1. 先加工奶粉罐蓋,取中心點鑽孔,裝上 BNC 頭。

  2. 奶粉罐蓋上標好固定用的銅板或是銅柱位置,如果你的接頭是使用 N 型或是 M 型的方形固定座,就必須考慮避開固定接頭的螺絲孔。

  3. 固定好接頭,除了上緊螺絲外,也要加焊錫。

  4. 固定好在奶粉罐蓋上的銅板或是銅柱,銲接之前,最好先旋轉看看,找到最好的位置,記得兩片之間要相距 2 公分左右,因為中間還有一條同軸電纜。

  5. 把固定電阻用的兩片雙面板打洞,外圍是穿電阻用的,一般是 1mm,而中心也要打洞,不過上板要穿過整條同軸電纜,而下板只要穿過同軸電纜的中心線就可以了,因此,洞的大小要自行斟酌。

  6. 把每個電阻接腳污垢刮乾淨,再銲接到雙面板上,先焊靠電阻的那一面,為了銲接,電阻要離線路板約 0.4 公分,焊完之後,再焊另一面。因為電阻值不一樣,因此消耗功率也有些微差別,為了散熱均勻,電阻應交叉排放,例如 560 歐姆旁是 680 歐姆電阻,這樣生熱會更均勻,有利於散熱。

  7. 接著銲接電阻的另一頭,先抓兩對稱點焊妥,好讓這兩線路板能維持平行,這一次要先從電阻的尾端先焊,再銲接內側。

  8. 銲接電阻時有個要領,就是烙鐵要接觸電阻接線,讓融化的銲錫沿著接腳往線路板下垂,這樣才不會讓銲錫在線路板上染成一大片,也容易造成電阻的虛焊。焊妥之後,把多餘的電阻接腳剪除。

  9. 安裝奶粉罐蓋與線路板之間的固定銅板,先在有大中心孔的線路板上做記號。

  10. 把固定銅板焊在線路板上,這樣奶粉罐蓋與假負載電阻就連在一體了。

  11. 在奶粉罐充填散熱油之前,要先測量駐波比,除非你使用極精密的駐波比錶,否則在 30MHz 以下,都不應看到指針偏擺,可能連微小的移動都不會,這才算正常。因為駐波比都小於 1.1。

  12. 加散熱油到奶粉罐內,用一般的潤滑油就可以了,加到離罐口約 25 公分,這樣把假負載插入時,散熱油稍微升起,離罐蓋約 1.5 公分,這些空間可以因應冷熱變化所引起的罐內壓力變化。

    工業用的散熱專用油,並沒有賣散裝的,一般引擎機油的耐溫點稍低些,約 150 攝氏度。我所用的奶粉罐,裝填機油時,輸入功率 100 瓦之下,在室溫是 20 攝氏度的情況下,每分鐘升溫約 6.5 攝氏度,連續 10 分鐘之後,溫度可以到達 85 攝氏度。

        如果奶粉罐不加裝散熱油,可以在罐底加裝風扇,頂端打孔,或者是把罐內罐外都噴上黑色漆,也可以加強散熱效果。 END




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