Last update : Nov 07, 2009
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自製同軸電纜傳輸線濾波器


前言

    多機、多頻段、高功率操作的時候,例如通訊比賽、遠征通訊,經常會有收發機彼此干擾的現象,除了盡量拉開天線的距離,另一個解決的方法就是為收發機加上帶通濾波器。而多次實際操作的經驗發現,加了帶通濾波器也不見得能夠濾除其他頻段來的干擾,主要原因是市售帶通濾波器的承受功率大多不超過 300W,所以只能接在收發機與功率放大器之間,因此功率放大器產生的諧波仍無法被濾除。

    2003~2005 年,旅居台灣的日本友台,每年都在新竹成立 BV0J 電台參加 CQWW 通訊比賽 M2 (Multi-Band, Two Transmitter) 組別,我也幾乎都有參加。電台是在一棟十幾層樓高的公寓,屋頂大約有 20公尺 x 20公尺,中間有大約 8 公尺高的電梯機房,因為不能在牆邊釘釘子架支撐桿,所以除了 28、21MHz 的天線可以不利用電梯機房,14、7、3.5MHz 天線的架設,都與電梯機房有關,換言之,這 3 個頻段的天線靠得很近,即使加上了帶通濾波器,還是會互相干擾。為了解決這個問題,讓我想到利用同軸電纜製作高功率濾波器,似乎是可行的解決方法。


原理介紹

    當傳輸線的一端為短路或開路,則另一端會呈現電容抗或電感抗,當恰為 0.25 或 0.5 波長的倍數時,則為無限大或 0,此關係以 0.5 波長為週期循環不已。其等效電路以及阻抗變化如下表:

L →
單位:波長
0 → 0.25 0.25 0.25 → 0.5 0.5

SHORT

小電感→大電感
小感抗→大感抗

並聯諧振
阻抗無限大

小電容→大電容
大容抗→小容抗

串聯諧振
阻抗=0

OPEN

小電容→大電容
大容抗→小容抗

串聯諧振
阻抗=0

小電感→大電感
小感抗→大感抗

並聯諧振
阻抗無限大

    所以當系統並聯上工作頻率的 0.25 波長 short 或 0.5 波長 open 的傳輸線時,等於並聯一個阻抗無限大的元件,也等於根本沒有並聯任何元件。但是 對於其他頻率而言,這段傳輸線有可能是

  1. 電感抗或電容抗,造成某種程度的不匹配,訊號部分衰減。
  2. 阻抗 = 0 (這是我們最希望的),完全不匹配,訊號完全衰減(帶陷)。
  3. 阻抗無限大(這是我們最不希望的),等於根本沒有並聯任何元件,訊號不受影響(帶通)。

    所幸傳統的 HF 業餘頻段呈現倍數的關係 (1.8, 3.5, 7, 14, 21, 28MHz),如果慎選並聯上去的傳輸線長度,就有可能達到完全抑制另一工作頻率訊號的效果。


決定傳輸線濾波器的長度

    由上面的介紹,可知只要列出各工作頻率的 0.25, 0.5, 0.75, 1... 波長各是等於哪些頻率的 0.25, 0.5, 0.75...波長,再配合 OPEN, SHORT 這兩種狀況,就可以算出同一段傳輸線濾波器在其他頻段是帶通或帶陷。

    下表列出合用的傳輸線濾波器長度,我們發現其實只要 3 種長度就可以涵蓋傳統業餘頻段。

    這個表看起來有點複雜,說明如下

  1. 第一列 代表的是波長的倍數,第一欄代表的是傳輸線為 OPEN 或 SHORT,表格中間為頻率
  2. 每一橫列代表一種濾波器,例如第 1S 橫列代表 28MHz 0.5 波長 等於 14MHz 0.25 波長,這段濾波器一端 SHORT。
  3. 黃色底代表帶通,代表可以在這個頻率上加上這段濾波器,黃褐色代表帶陷,表示這個頻率的訊號無法通過這段濾波器。

    運用上表,就很容易依據工作頻段以及干擾狀況選擇合適的傳輸線濾波器。


實測電纜的速度係數

    以上所提的『波長』是指電波在傳輸線中的波長,關係如下

傳輸線的短縮係數(Vf) * 300公尺 / 頻率(MHz) = 電波在傳輸線中的波長(公尺)

    一般而言,50 歐姆同軸電纜的介電材質若為實心聚乙烯,Vf 約為 0.66,發泡聚乙烯 Vf 約為 0.8,實心鐵氟龍 Vf 約為 0.7,空氣 Vf 約為 0.9。實際上各廠牌電纜特性不盡相同,尤其是發泡材質的 Vf 最好還是要自己實測,可以用50 歐姆假負載並聯一段遠端 OPEN 的傳輸線,然後尋找使駐波比或反射功率最低的頻率,藉此算出 Vf。

  1. 取一段電纜,一段焊上 M 頭 (PL-259),量測長度 為 L 公尺。

  2. 假設這段傳輸線是 0.5 長,以其介電材質的標準 Vf 加減 5%,估出頻率範圍。L = 0.5 * (Vf) * 300公尺 / 頻率(MHz)

    例如:有一段 8.72 公尺同軸電纜,介電材質為發泡材質,故假設其 Vf 介於 0.85~0.75,則
    f1 = 0.5 * 0.85 * 300 / 8.72 = 14.6 MHz
    f2 = 0.5 * 0.75 * 300 / 8.72 = 12.9 MHz

  3. 如下圖,接上 MFJ-259 SWR 測試儀 (或其他相同功能儀表),在 12.9~14.6 MHz 調整頻率,尋找 SWR 最低的頻率。假設在 14.1 SWR 最低,則
    Vf = 8.72 * 14.1 / 0.5 /300 = 0.82

    如果沒有上述儀表,只有收發機以及駐波比錶,可以利用 10m 波段做測試,因為大部分收發機在這個波段的發射頻率範圍最寬廣,不太需要 Cut And Try。

  1. 假設收發機在 28.0 ~ 29.6 MHz 之間可以發射,中心頻率為 28.8 MHz。

  2. 假設 Vf 為 0.85,則需要剪下 0.5 * 0.85 * 300 / 28.8 = 4.43公尺 的同軸電纜作測試

  3. 如下圖,將駐波比錶指針切到『反射功率』位置,比較容易觀察。變動發射頻率尋找反射功率最低的頻率。因為先前已經多估 Vf,所以這個頻率通常比 28.8 還低,如果比 28.0 還低,剪掉 2~3 公分再測一次。

  4. 假設最後的結果為:電纜長度 4.36 公尺可以在 28.2MHz 有最低反射功率,那麼
    Vf = 4.36 * 28.2 / 0.5 / 300 = 0.82

    依照實際的經驗,50 歐姆實心聚乙烯的同軸電纜,Vf 幾乎都是 0.66,先以 0.68 預估應該是安全的,而發泡介電材質則差異很大,低損耗 CABLE 的 Vf 會比 0.8 高,以 0.85 預估應該很安全。長度過長可以很輕易的慢慢修剪,但是太短要接長,那就麻煩了。


製作及安全注意事項

    算好了 Vf,就可以裁剪適當長度的同軸電纜來做濾波器。 同一段傳輸線為了搭配使用頻段,一端可能為 OPEN 或 SHORT,為了方便,可以在同軸電纜的兩端都焊上 M 頭 (PL-259),另外準備 2 個 M 座 (SO-259),其中一個焊上一小段電線使其短路。要注意焊上 M 頭之前要先將同軸電纜剪短一些,其目的是使同軸電纜接上 T 形接頭以及尾端的 M 座的總長度與我們計算出來的長度相同。

    因為電纜的末端在高功率操作下會有很高的電壓,而我們又可能經常拆裝,所以包覆絕緣膠帶並不實用,最好將電纜末端套進乾燥的玻璃瓶,一來防止人員誤觸,也可避免對附近的金屬物品放電。


Transmission Line Filter 的實測

    下面的測試,7MHz 是以 RG-58 製作 0.25 波長 short 以及 0.5 波長 open 的傳輸線濾波器,諧振於 7.05MHz;14MHz 是以 5D-SFB 製作 0.5 波長 open 的傳輸線濾波器,諧振於 14.1 MHz。

    為了避免不同功率錶之間可能的誤差,使用同一個功率錶,先量測發射機輸出功率,再變換接線,量測通過濾波器以後的功率,濾波器是以 T 型轉接頭與系統並聯。

    使用的功率錶是指針錶,原本擔心讀出的功率會有很大的觀測誤差,但最後的結果還是令人滿意。

    量測的頻率從 1.75, 1.867, 2MHz 然後每隔 0.5MHz 量測一點,有幾個量測點並不在 0.5MHz 的整數倍上,那是系統剛接好的時候,先隨便轉了幾個頻率的量測值。

    下圖是 14MHz 0.5 波長 open 的量測值

  1. 在帶通頻率上,最小的 Loss 約為 0.1~0.2dB。
  2. 帶通範圍 (-3dB~0~-3dB) 相當寬廣,顯然這不算是很好的帶通濾波器。
  3. 帶陷範圍很窄而且很深,可以達到濾除另一個業餘頻段的目的。


    下圖是分別測試 7MHz 0.25 波長 short 以及 0.5 波長 open 傳輸線濾波器的量測值,從圖中可以觀察到,隨著頻率升高,帶陷的效果似乎變差,這是因為我的量測頻率並不是剛好在帶陷頻率上。





    下圖是將 7MHz 0.25 波長 short 以及 0.5 波長 open 傳輸線濾波器同時並聯的量測值,可以觀察到原本各自的帶陷頻率都有維持住且衰減量也沒有減少,帶通寬度也變小。




實際使用經驗

    以上的測試數據看起來算是令人滿意,很可惜的是 2005 年是 BV0J 在新竹的最後一年,當年 CQWW 比賽的兩個晚上我都有事無法參與,沒有機會在高功率操作下體驗它的效果,只能摘錄 JD1BKQ / KIMURA 寫給我的 E-MAIL,代表他使用傳輸線濾波器的感覺。

    (註:當時 3.5, 7, 14MHz 會互相干擾,而提供給 BV0J 的,7MHz,14MHz 都是 0.25 波長 short 以及 0.5 波長 open 傳輸線濾波器同時並聯,3.5MHz 則沒有用傳輸線濾波器)

Good evening Robert-san,

Sorry for the delay in my reply to you.

I was remembering effect of your cable filter during BV0J 2TX operation at CQWW-SSB and CW contests.

To the best of my recorrection, initially, we used ordinal BPF(s), however, we still had heavy interfere between two transcievers and simultaneous 2TX operation was impossible.

After we replaced the ordinal BPF(s) with your cable filter(s), the interfere was drastically reduced on recieving DX signals then 2TX operation became possible.

I realized that the cable filter was much much better than ordinal BPF and we should have it for the Multi-TX operations in contests.

I need it for my station too !

Best 73. de JD1BKQ/1

    其實我不能確定傳輸線濾波器是否真的優於一般廠製的濾波器,但因為它可以加在功率放大器與天線之間,在實用上,它的確達到預期的效果。

    此外,在後來的閒聊中,也有人提到 7MHz 傳輸線濾波器 (使用 RG-58 製作) 在用了一陣子之後,摸起來溫溫的,14MHz 的傳輸線濾波器 (使用 5D-SFB 製作) 則無此現象,這表示即使是在 HF,同軸電纜的傳輸衰減仍是值得注意的。平常時我喜歡 QRP 操作完全不會注意到,高功率操作下就很容易發現衰減的功率轉變為熱能的事實。所以不管是用作傳輸線還是拿來做傳輸線濾波器,選用低衰減的同軸電纜仍是鐵律。



BV3FG / Robert Suen