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自製環狀天線調諧電容

No.44   1996 Sep.   p136~138,   by 編輯部



    如果你也感到手癢癢的,想要製作一只現在正流行的小型環狀天線,卻無法找到理想的調諧電容。通常這種電容不只要耐高壓、高功率,還要調整方便。下面就是要討論如何製作這樣一個調諧電容。


前言

    從最近在高頻通訊接觸的情況得知,在對方告知通訊設備的記錄資料當中,可以發現有越來越多的小型環狀天線出現,因此可以從中判斷,使用這類天線的人,有越來越多的趨勢,一方面當然是市場供應豐富起來了,可以從廣告中得知,已經有好幾家廠商供應這類小型環狀天線的商品;另一方面,這種大約只有一公尺直徑左右的小型環狀天線,可以滿足許多因為受到環境限制而無法架設天線的人,因為小型環狀天線的出現,這些人終於可以一償宿願。使用過人可以體會到,以一只直徑不到一公尺的環狀天線,擺在離地不到一公尺高的地 方,就可以和世界各地的電台通訊,真不賴。

    早在 1986 年,W5QIJ,特得 (Ted Hart) 在一篇名為「小型、高效率環狀天線」 (Small, High Efficiency Loop Antennas; QST Jun. 1986 P.33-6) 文章當中,很詳細地交代了如何設計、製作小型高效率的環狀天線,並且有簡易的公式,可以根據不同需要,自行計算出環狀的大小,這是一篇對小型環狀天線有興趣者必讀的文章。


調諧電容取得不易

    要自製小型環狀天線時,一般的障礙是如何取得調諧電容。一般的空氣絕緣電容因為損失量太大,不適合用在小型環狀天線上。而小型環狀天線的調諧電容,其定子屏 (Stator Plates) 與轉動屏 (Rotor Plates) 為了要保持與天線之間的接觸電阻最小,必須要與天線銲接甚至是熔接。特得想出了一個好辦法,更改調諧電容,使得定子屏分成兩邊,分別接到小型環狀天線上,而原來調諧電容的轉動屏則被當成是耦合體。

    只要輸入功率大約在 100 瓦左右,跨在這小型環狀天線上的調諧電容電壓,會超過 1000V,為了能耐如此高壓,調諧電容的定子屏與轉動屏距離一定要夠遠才行。在真實的應用中,考慮到濕氣及空氣汙染的環境裡,這調諧電容片子之間的距離最少也要保持 0.5 公分以上。


另一種調諧電容

    參看圖 1,這是以另一種構想來製作小型環狀天線用的調諧電容,' 從圖片中可以看得出來,不只結構簡單、結實,製作起來也很容易,從身邊很容易取得材料。因為成本低而實用的關係,也有許多商用的小型環狀天線,採用這種方式的調諧電容。還有因為採用簡單的機械驅動裝置,因此只需要一只慢速的馬達就可以帶動調諧電容。

Fig 01
圖 1:以另一種全新的構想來製作小型環狀天線用的調諧電容。為了盡量減少天線旁的導線雜物,就把這電源線穿入天線導管內,而由此天線的饋送點旁邊穿出,只要三條導線就可以讓馬達正反轉。

    機械結構方面,以兩節半英吋內徑的銅管,套入 3/4 英吋內徑的銅管,形成可以伸縮的結構,基本上,管徑大的銅管,就相當於傳統調諧電容的定子屏,而管徑小的銅管,就相當於轉動屏。

    在實際製作的電容樣品上,這電容的大管徑銅管,彼此保持約 3-3/4 英吋 (指管徑中央的距離),而小管徑銅管上穿上了厚度大約是 1/16 英吋的鐵弗龍,把整個銅管包住,當成耐高壓的絕緣體,而由於這鐵弗龍的介入,使得電容的介電常數上升,也會使單位長度的電容量上升。

    由每分鐘 180 轉的低速馬達帶動一根螺旋棒,而這棒子穿過小口徑的銅管,這管子後方裝有螺帽,由於這螺帽是和銅管銲接在一起的,使得馬達的正轉或反轉,可以使管子下上移動,而大管徑的銅管就被接往小型環狀天線,這種結構,不只讓調諧電容的損失量極低,也可以耐高壓。

    實際上,利用這結構可以製作任何電容量的調諧電容,其公式是:

    C = 0.22 x K x A / d x (n-1)
C:調諧電容量,單位是pF。
n:調諧電容的轉動屏數。
K:介電常數。
A:電容屏片的面積。
d:電容屏片距離。

    為了計算銅管的表面積,可以利用計算週長公式乘上長度就可以了,半英吋內徑的銅管,其外徑為 0.625 英吋,依照上面所提公式,這銅管的表面積 A 是:A=3.14159 x 0.625 x 1= 1.9635 平方英吋;亦即銅管每英吋長約有 1.9635 平方英吋的表面積。

    前面提過,因為鐵弗龍的介電常數高會增加單位長度的電容量,鐵弗龍的介電常數是 2.1,而這裡的 d 是 1/16 英吋,也就是 0.0625 英吋,把這些參數帶入公式,A=1.9635,d= 0.0625, n=2,K=2.1,結果:C= (0.224 x 2.1 x 1.9635) / 0.625,我們得到的答案是 14.778pF,這是指單一的電容,從結構上,我們可以看出來,這是由兩只相同的的電容串連起來的,因此實際的電容是每英吋 7.389pF。

    另外,兩根銅管之間當然也會有寄生電容存在,經由實際測量,這 10 英吋長的銅管,寄生電容大約是 5pF 左右。而這寄生電容是並聯的,所以會加到整體的電容量,因此實際的電容量,1 英吋時是 12pF,隨後會類比方式的增加,例如 2 英吋時,大約是 20pF 左右。


電容量的變異

    完成了第一只調諧電容之後,實際測量發現此設計的期望值還低一些,這個現象參看圖 2,實際的每英吋長的電容量是 5.25pF,而不是設計時的理論值 7.389pF,可能是因為使用的鐵弗龍材質的關係,影響了電容的介電常數。

Fig 02
圖 2:因為使用的鐵弗龍材質的關係,影響了電容的介電常數,使得實際的每英吋長的電容量是 5.25pF,而不是設計時的理論值 7.389pF。



調諧電容的耐壓

    如果很在意這調諧電容的耐壓,尤其是想到這兩介質之間只保持了 1/16 英吋,更是叫人擔心,不過這是多餘的,因為根據資料,鐵弗龍的絕緣能力是每百分之一英吋是 1 到 2KV,因此這調諧電容用在 100 瓦發射是絕對沒有問題的。


調諧電容的機械調諧結構

    調諧電容是由一根青銅材質的螺旋棒,經由一低速馬達來帶動的。馬達與螺旋棒之間由一塑膠管連接,這塑膠管不僅可以充當絕緣,也可以做機械的緩衝作用。

    螺旋棒的另一端,利用一個螺絲帽與半英吋的銅管銲接著,這樣子就可以由螺旋棒來帶動半英吋銅管的上下移動。實際使用的馬達規格是 12V 的轉速,每分鐘 180 轉 (RPM),但是這馬達的轉距在 4V 之下就夠大了。

    其實也沒必要使用很複雜的控制設備來控制馬達的轉動,只要使用一只 LM317 可變穩壓 IC 來控制馬達的轉速,電壓從 4-12V。在 12V 之下,每移動 1 英吋要費時 11 秒,當電壓降到 4V 時,每移動 1 英吋,要 40 秒。高速度移動可以應付改變工作波段的情況,使得時間不會拖得太長,而慢速才比較方便在波段內工作時的微調。


製作方針

    製作這調諧電容時,一定要先想到大小管徑的銅管要彼此能夠平滑地伸縮,任何的牽絆都會影響調諧電容的調整,因此,螺旋棒一定要筆直,而且套在上頭的螺帽,也要小心的校正,這是本製作最花時間的部份,不過花的時間越多,效果就會出來。

    如果找不到鐵弗龍材料,可以改用多元乙烯,這是一種具有個吸濕性的白色塑膠絕緣物,常用作介質。但是因為介電系數不一樣,採用多元乙烯時,單位長度的電容量會稍高些,但是以鐵弗龍及多元乙烯比較,顯然前者容易施工。至於耐壓方面,兩者是在伯仲之間。

    也許最簡單的絕緣方式,是以塑膠紙包紮小銅管,先在小銅管上貼一層雙面膠,這用來固定塑膠紙,然後這塑膠紙可以開始纏繞整根銅管,注意不要產生綾紋或是皺紋,完成之後,同樣是以雙面膠固定,兩隻銅管都完成之後,要看看穿入大銅管是不是合身,同時更要做絕緣的測試。

    關於馬達的電源線,為了盡量減少天線旁的導線雜物,就把這電源線穿入天線導管內,而由此天線的饋送點旁邊穿出,參看圖 1,只要三條導線,就可以讓馬達正反轉。

    這電容與天線體一定確實接牢,可以利用小型噴燈來銲接,先使用拓管器,讓銅管可以相互含接,先以噴燈加熱接點,以適量的 50% 焊錫塗抹就可以,千萬不要使用鹽酸錫。


測試結果

    以這種調諧電容為基礎的小型環狀天線,製作幾組過長 10 英尺,材料為四分之三英吋銅管的天線,離地架高在 1.2 公尺以下,輸入功率從 5~100 瓦,分別在 10、15、17、及 20 公尺波段都成功地做過通訊接觸。

    試驗期間沒有發現調諧電容會發射或是被擊穿的事件,調諧電容的結構也很不錯,使用起來相當順利。一般的通訊接觸很多,其中遠距離通訊還包括有歐洲、澳洲、美洲及南非的電台。簡言之,這調諧電容與小型環狀天線結合在一起,表現非常好。 END

    主要參考資料:
1. Small, High Efficiency Loop Antennas, by T.Hart
2. The Trombone Trimmer-Build Your Own Variable Capacitors, by J. Rusgrove
3. The ARRL Handbook, 1988 editions



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