LOGO

無線電監聽樂趣多:低頻環狀接收天線

No.44   1996 Sep.   p139~143,   by 林茂榮 BV5OC



    對於低頻而言,因為波長很長。一般形式的天線都有體積龐大,或佔用空間太大的問題,因此,環狀天線對於低頻接收用途特別有開發的潛力。這裡指的低頻是從超低頻到一般 AM 廣播的範圍。……林茂榮 BV5OC




環狀天線的指向性

Fig 01
圖 1:環狀天線有很明顯的指向性,輻射圖案就呈 8 字形。

    一般環狀天線因為有很明顯的指向性,輻射圖案就呈 "8 字形,參看圖 1,這可以特別凸顯出環狀天線的實用價值,8 字形的圖案可以從兩方面來看,一是有很尖銳的指向性,這就是 8 字形上下方向,因此可以旋轉方向以便迎著訊號來的方向而可以拾取到強訊號。另一方面有很深的無效方向,就是 8 字形左右方向,利用這個特點,可以幫忙避開強干擾訊號源。一般環狀天線很容易被誤解的是它的方向性,常和 AM 使用的磁蕊心天線混淆在一起;一般的環狀天線,最強的訊號來源 (最靈敏的方向) 是由環邊散開的方向,而不是與環面垂 直的方向,請仔細看一下圖 1 就可以明瞭,而一般的 AM 磁棒天線與環狀天線恰巧相反。


輕巧的定向天線

    一般的環狀天線最常被拿來用作獵狐的定向天線,獵狐是一種無線電活動,利用定向的接收技巧把預藏的發射源找出來,若是配合一些山坡地形,可以成為一項很好的休閒活動或運動,添加一些科學性與趣味性。

    但是環狀天線也非常適合用來做遠距離低頻訊號的獵取,最大的好處是,如果有頻率接近或甚至是相同頻率的訊號,假如這些訊號來自不同方向,那就可以利用環狀天線的指向性或是無效性,來避開干擾,而拾取到想要接收的訊號。


基本尺寸要求

    要讓環狀天線表現出色,一定要有一些基本的要求,我們就說是環狀天線的本質吧。首先,這環狀的直徑要遠比工作頻率的波長還小很多,通常製作環狀天線時一般有個原則,那就是環狀總長小於 0.22 個波長,當然這還是一個常被爭論著的焦點,有人認為這環狀繞線總長度只要介於 0.08 到 1 個波長之間都可以。另外一個要求就是,環狀直徑或者是邊長 (如果不是圓形) 要比環寬大 5 倍以上,在低頻範圍內應用的環狀天線,應該都不會違背這些環狀天線的重要原則才對。


特殊的環狀天線

    一般的環狀天線製作很簡單,把框架做好,繞線纏上十餘圈就可以了。這裡有一個比較特殊的環狀天線製作方法,參看圖 2A,這個環狀天線有兩組線圈,L1 是 14 圈為主線圈,L2 是 2 圈,為耦合線圈,將環狀天線拾取的訊號藉由感應,由 L2 耦合到接收機。這整個環狀天線就由 16 條的彩虹排線來製作,中間的兩條線 (灰色與白色) 做成 L2,其餘的 14 條線裝接成 L1,這框架可以隨意發揮,或創意或廢物利用都可以,很好的現成材料就是呼拉圈,參看圖 2B,詳細的接線參看圖 2C。

    內環,也就是 L2,接同軸電纜,這把訊號送到接收機。外環,也就是 L1,接到調諧電容,也就是圖 2A 的 C2。如果要把這環狀天線調諧範圍定在 AM 廣播,C1 使用 365pF 就可以了,當然有些人讓 L1 的圈數比較少,或者是要有更低的工作頻率,就必須使用更大的可變電容,通常是把雙連或是參連的調諧電容並聯使用,圖 3 是完成的環狀天線。

Fig 02
圖 2:整個環狀天線就由 16 條的彩虹排線來製作,天線框架可以隨自己發揮,或創意或廢物利用都可以。很好的現成材料就是呼拉圈。

Fig 03
圖 3:完成的環狀天線。
  Fig 04
圖 4:環狀天線放大器。



環狀天線放大器

    環狀天線一般拾取的訊號強度不是很強,如果接收機的靈敏度不是很好,就有必要添加一部環狀天線放大器;通常這放大器增益可以是固定的,也可以是可調的,但是增益以介於 10-25dB 之間為宜。參看圖 4 就是一個環狀天線放大器的例子,這部放大器適用於 AM 波段使用,增益大約在 15dB 左右,如果 R3 下面的 L1 捨棄不用,可以使增益加大,L1 用 1mH 電感的話,增益會下降一些,但是頻率響應可以延伸到更低,如果 L1 改用 200uH 電感,則低頻反應會不好。Q1 任何的場效電晶體都可以,比如最常見的 MPF-102 等。


改善接收訊號

    一般掌上型的短波收音機,都是使用一支固定在收音機上的伸縮桿狀天線,甚至是外接天線的接頭都從缺,因此要是想拉條室外天線以改善接收不良的情況,就得破壞接收機找接線點,同時,過強的訊號往往也會使接收機的前端線路過載。

    另外,不論是掌上型或以市電供電的短波接收機,都會有因電離層影響而引起的問題。由於短波訊號是藉著電離層折射而傳遍遠方的,電離層折射散開時,訊號可能會經由不同路徑抵達同一地點,電離層變動太快時,電波抵達的角度也會不一樣,這些變化的現象發生可能持續幾分鐘。環狀天線則可以應付這方面的問題。由於環狀天線有很好的指向性,因此對於從不同方向或是不同角度來的訊號很不靈敏,或者可說是有排斥能力,同時,環狀天線更可以有很強的死角方向。如果把環狀天線設計成扇狀,更可以排斥高角度抵達的訊號。

Fig 05
圖 5:另一種環狀天線。

    一種智取的方法,就是如圖 5 所示的樣子,這是另一種環狀天線,圖 6 是製作好的天線,這是一種由寬度 8 公分材料構成每邊長 60 公分的環狀,至於材料,任何金屬都可以,銅、鋁、或青銅等,不過要是考慮到銲接,應該避免使用鋁質材料。整個環狀天線當中需要留一個寬約 5 公分的空隙以安置可變電容 C1,參看圖 6,這可變電容很大,介於 750-1200pF,可以利用 AM 接收機用的選台電容並聯起來,而在天線環的四個角落要鑽個小孔,以便把這天線固定在框架上,或者是採用其他的支架固定方式。另外要準備一條短接線,一端 接環狀天線,另一端則接鱷魚夾,以便夾接在收音機的伸縮桿狀天線上。操作時,這個環狀天線應該能夠自由旋轉,以便選擇最有利的接收位置。這個環狀天線有兩個旋鈕,一個是可變電容來調整共振頻率,一個是可變電阻用來調整相位。

    使用這環狀天線,先把收音機的伸縮桿狀天線拉出來,讓它靠近環狀天線,但是不能與環狀天線接觸,然後旋轉環狀天線,讓要接收的訊號最強,或者是讓干擾訊號最弱,以取得最有利的位置。這環狀天線可以站立著,也可以躺著,參看圖 7,至於是站著或是躺著,沒有一定的規則可循,可以視電離層傳播狀況、擺放的位置、以及環狀天線旋轉的情況。

Fig 06
圖 6:製作好的環狀天線。

圖 7: === >
環狀天線可以站立著,也可以躺著,至於是站著或是躺著,沒有一定的規則可循,可以視電離層傳播狀況、擺放的位置、以及環狀天線旋轉的信況。

Fig 07



環狀天線的屏蔽作法

Fig 08
圖 8:環狀天線因為有很明顯的指向性,通常輻射圖案就呈現出 8 字形這特別凸顯出環狀天線的實用價值。

    環狀天線是追求遠距離訊號者永遠的最愛,其原因有許多,是明頗的包括有:環狀天線輕巧方便,再也不需要準備架設標準低頻天線所需要的數百平方公尺以上的空間,而縮成只要一個乾淨的桌面就可以了。另外一個真好的優點,就是環狀天線有明顯的指向性。一般環狀天線因為有很明顯的指向性,輻射圖案就呈現出 8 字形,參看圖 8,為什麼要特別凸顯出環狀天線的實用價值,要將這 8 字形的圖案可以從兩方面來看,一是有很尖銳的指向性,8 字形的上下方向有很好的接收效果,因此可以旋轉方向,把靈敏度最好的 8 字形上下對 著訊號來的方向,以拾取最強的訊號。而從另一方面看,環狀天線有很深的無效方向,那就是 8 字形左右方向,利用無效方向這個特點,可以幫忙避開強干擾訊號源。

    一般環狀天線很容易被誤解的指向性,是常不知不覺中和 AM 使用的磁蕊天線混淆在一起,一般的環狀天線工作原理是與電場有關,因此最強的訊號來源 (最靈敏的方向) 是由還沒散開的方向,而不是與環面垂直的方向,請仔細看一下圖 8 就可以明瞭,而一般的 AM 磁棒天線的工作原理是靠磁場,因此與環狀天線恰巧相差 90 度。最後,環狀天線適用的範圍廣,可以從最低的極低頻到高頻的頂端,環狀天線的製作法也不複雜。


環狀天線的指向性

    但是環狀天線也有不少問題在,而且這些問題不解決的話,都會嚴重影響環狀天線的性能。例如環狀天線中纏繞的導線彼此之間都混有寄生電容在,以及接地之間與環狀天線所在處附近的大片金屬物 (例如鋁門窗框或者是水泥牆內的鋼筋) 的影響,而使環狀天線的指向性有嚴重的失真,參看圖 8B,這就是上面所說的環狀天線指向性失真的效應;嚴重的話會使原本 8 字形的指向性成為心臟狀,如圖 8C 所示;更嚴重的話,甚至使環狀天線的指向性消失殆盡,而成為無指向性,參看圖 8D。


環狀天線受雜訊凌孽

    環狀天線的另一問題是雜訊干擾,這在低頻範圍更是嚴重,眾所週知,環狀天線在低頻才能真正表現出它的可貴,然而此時卻受雜訊問題圍剿,這些雜訊大多是來自家用電器產品,例如電源 (力) 線本身、可調亮度檯燈、日光燈具、電視機、錄放影機、及電腦等,無不是雜訊源,加上這種電源線結網式的結構,使得雜訊飄忽不定,來去無蹤,而且頻率越低,受到這類雜訊或其諧波影響也就更嚴重。


屏蔽解決問題

Fig 09
圖 9:要解決指向性失真以及遭受雜訊凌孽的問題,那就要對環狀天線做個屏蔽結構。

    要解決指向性失真以及遭受雜訊凌孽的問題,那就要對環狀天線做個屏蔽結構,參看圖 9,這是一種典型的環狀天線屏蔽做法。

    如果不假思索,你一定會認為這是的玩笑吧!要把接收的的環狀天線做屏蔽,那豈不是收不到訊號了。當然起初的答案也許是說,對呀,這不就會把訊號摒除在環狀天線之外了嗎?稍微客觀一點的話,也許回答的話會更模糊一些:也許這會把訊號摒棄在外;但是更認真一點探討的話,就會有完全不同的答案了,這怎麼會!因為無線電波是屬於有穿透性的電磁波,這包括有前進方向一致但相互垂直的電場及磁場。環狀天線的接收原理是靠感應,也就是接收電波中的磁場成份,這與一般偶極天線等是不同的,這類天線是靠電場成份工作的, 一般的雜訊源是以電場方式出現的,因此就利用屏蔽作用來隔離電場,使雜訊不能進入屏蔽帳之內,而裡頭以磁場方式工作的環狀天線卻不受影響,這樣一來,環狀天線就可以不受雜訊干擾了。環狀天線的屏蔽作法如圖 9 所示,整只環狀天線被屏蔽帳包圍起來,只剩下一道約 5 公分的開口,這個開口是要讓磁場通過的,讓裡頭的環狀天線可以感應到無線電訊號。


屏蔽的作法

    最近因為接觸了低頻監聽活動,而注意到了環狀天線,也曾經自製過不少的環狀天線,當然也免不了要想辦法解決如何做好屏蔽的問題,動過許多腦筋處理屏蔽方法之後,有一種算是半成品的方法,那就是利用電腦用的 25 芯彩虹排線,這種彩虹排線通常是用在個人電腦的列表機接線上,不過要注意,並不是所有彩虹排線都有屏蔽外層的,購買時應該別注意,而加工時,如何克服處理屏蔽網,又是一項連環發生的問題,還好這只要找到好工具就可以解決了。

    另外一種製作環狀天線的好辦法是利用同軸電纜為材料,但是這只適合供 15MHz 以上使用,只要在需要開口的地方,把同軸電纜的外網切開除去即可。

    以銅為材料:不知道你是不是熟悉金屬材料,你可以試著去買銅織網或者是銅片,把整個環狀天線包紮起來,然後在環狀天線中間開個長 5 公分左右的裂口。一些金屬材料行或是五金材料都可以買到適合的材料。銅質材料是比較容易買到的材料,但是價格昂貴,除此之外,要是這材料的加工沒有好的工具就不易完成。

Fig 10
圖 10:環狀天線做個屏蔽結構,以及環狀天線做屏蔽結構的施工。

    銅板:如果你有一點點藝術家的味道,那麼可以試看看以銅板為材料做屏蔽,當然這得付出不少代價,除了金錢,還要購買一批加工用具。不論是怎麼樣的材料,總是要做金屬縫合的工作,才能把環狀天線包紮妥當,以銅質材料而言,可以利用噴燈熔接,或者是以焊錫來銲接,參看圖 10A、10B。當然方法很多,如果採用鋁質板或者是俗稱的鉛版,那麼可能就需要老工匠的技藝了。


環狀天線的性能極限

    環狀天線有不可多得的好特性,如果環狀天線有了屏蔽處理,那環狀天線的表現就會因為可輕鬆抵禦雜訊而成為可圈可點的好天線。但是環狀天線的性能不只這樣,一只設計製作優良的環狀天線,可以掛在牆上,而它的性能卻可以比美 30 公尺塔高上的天線,你願意挑戰看看嗎? END



雜誌目錄 依順序 雜誌目錄 依主題分類