采用多节鱼竿做支撑的10,12,15,17,20米五波段1/4波长垂直单极天线
作者：巴里.斯特里克兰（AB4QL） 翻译： 邵业传, BH4SRC
我喜欢走到户外，用我的便携式电台在10-20米之间的五个波段上做QRP通联。便携的K1电台选购很简单，天线则在经过多次实验，使用了好几个不同的版本。最终定型的版本是这款五波段1/4波长、带有16跟辐射地网、5根振子并联的垂直单极天线（见图一）。每波段都有一根谐振的振子意味着我在切换波段后，可以不用天调接口通联。单波段便携式垂直天线的制作就有点繁琐，五波段便携式垂直天线则更是复杂。首先我们来谈谈制作这根天线我要解决的问题以及这根天线的机械特点，随后我们再说说天线的电气特性。
图一
设计和建造挑战
设计这根天线的挑战主要有以下三类：天线单元的支撑、谐振振子之间的耦合、以及快速安装和拆解的结构。图二列出了随后会讨论的各种机械结构。
图二
支撑系统
为了支撑天线振子，我选用了Shakespeare牌子的Wonderpole鱼竿（型号为：TSP16）。Wonderpole鱼竿设计用于钓crappie和bream这类的鱼，材质为玻璃钢，共有5节。缩短长度为45英寸，完全拉伸后长度为16英尺。市场上有各种类型的鱼竿，有又短又硬的重型海钓竿，也有轻便且弹性好的飞蝇杆。垂钓crappie这类鱼的鱼竿比飞蝇竿略重，材质也要硬些。这也让它更适合用于作天线支撑。Wonderpole的杆子相对来说还是轻便的，因此也是便携式操作的理想选择，但是还是需要做些额外支撑才能让它保持垂直。
图三
如果设台地点的土地不是很硬的话，我会小心的插一根木棒或者金属棒在地里，并保持它们能垂直于地面。随后在棒子上套上一根3/4英寸的PVC管，最后再把鱼竿套在这根PVC管上。PVC管的长度约为10英寸，这样可以让鱼竿和PVC管之间有足够的摩擦力。如果棒子和PVC以及PVC和鱼竿间比较松的话，可以缠几圈胶带。
为了在遇到坚硬的地面或者大风天能够使用，我制作了一个三点式拉绳环（见图三A）。制作这个拉绳环材质不限，1/8英寸厚度的塑料片、废旧电路板都可以。3根10英尺的拉绳系在3个和钥匙扣相似的小型快挂扣上，再把快挂扣扣在拉绳环的锚点上。拉绳的底端系在装满石头的塑料袋上即可，而石头可以就地取材。
预防耦合和振子支撑
制作这根五波段谐振、1/4波长垂直单极天线的问题是如何在保持振子尽可能垂直的同时，减少振子间的耦合效应。我采用的方法是把20米单元这个最长的振子贴着鱼竿，在快要到鱼竿顶部时围着鱼竿绕5、6圈。其它四根振子在4根18英寸长的支撑臂的帮助下，以90°角分布在鱼竿四周。支撑臂接在一个PVC支撑臂环上，这个支撑环则穿过鱼竿顶部定位在离鱼竿底部44英寸的位置。
4根支撑臂用的是购自家居店的玻璃钢棒，玻璃钢棒直径为1/4英寸，这种棒子的主要用途是制作机动车道路的反光贴。玻璃钢棒的一端套上一根内径为1/4英寸内径的乙烯管，乙烯管上钻孔，让振子线（20#AWG标准绝缘线）可以顺滑的穿过。把振子线穿过乙烯管后，把玻璃钢棒接在PVC支撑臂环上。当整幅天线拆解后，把乙烯管就一直留在天线上即可。
当我在家居店寻找支撑臂的材料时，意外找到了制作PVC支撑臂环的理想材料，3/4 X 2英寸的PVC变径衬套。变径衬套的平坦部分下面钻出4个1/4英寸直径的小孔，再把支撑臂插入孔内即可（见图四）。需要注意的是，每个孔都要钻透两层。变径衬套的内肩要用圆锉刀挫平，这样才能穿过鱼竿，到达离鱼竿底端44英寸的高度。根据需要，可以把变径衬套的多余部分切除。需要注意的是，如果你用了像手锯一类的电动工具，一定要用夹具固定后再切除，千万不要用你的手指固定，这样很危险。
图四
四个短的支撑臂被固定在拉绳固定环上的拉绳定位，拉绳固定环通过摩擦力在鱼竿上定位（见图三B）。固定环的中间有个直径为17/64英寸的孔，防止它穿过鱼竿。每根拉绳的自由端，都配有一个拉绳钩（见图三C），和振子上一端的拉钩配套使用（见图三D）。振子挂勾靠振子线穿过它的两个孔后形成的摩擦力拉住振子线，此外，每根阵子线的顶部，都绑有一根橡皮筋以给振子线提供适当的弹性。薄塑料片是制作这个挂钩的好原料，我的挂钩是用一片旧的信用卡卡片做的。沿着主杆走向的20米波段的辐射振子，也用了相似的拉伸和挂钩（见图三E），其一端挂在鱼竿顶部的小铁圈上。
每根振子的底部都焊有一个香蕉头，对应着5个香蕉头插座则被焊在一条振子馈电环上。这个环则固定于鱼竿底部（见图五）。香蕉头插座就是小店里常卖的3/4英寸长、3/16英寸外径的铜管。这种铜管只要来一把锋利的美工刀来回切几下就能切断，馈电环则是用0.016X0.5英寸的铜片制成，这个铜片和铜管是在同一个卖家买的。一个香蕉头插座的长度要翻倍，以方便与和SO-239接头的中心线焊接。
图五
SO-239接头的外壳通过一根短的电线和一个香蕉头插头连接，这个香蕉头插头则和由3/4英寸直径的铜环接在一起，这个铜环上面焊接了10个由铜管制成的香蕉头插座，SO-239接头外壳上连接的香蕉头正是插在这些香蕉头插座中的一个上。这些由铜管制成的香蕉头插座则焊在由铜环既有孔扩大为3/16英寸直径后的孔中（见图五）。尽管只有10个插座，接地环可以通过使用香蕉头上的副插孔串接，最终接上16根地网线。
快装
本天线的组装不需要任何工具，因为所有的电气连接用的是香蕉插头，而所有的机械连接用的是挂钩和摩擦力。全套天线套装见图六。
图六
组装天线的话，首先要完全拉出鱼竿的伸缩部分，这几节鱼竿靠摩擦力来固定，拉到位后再轻轻地旋转几下让每节接触的更紧密。随后把地网接环、支撑臂环、拉绳（看需要）、以及拉绳环先后套在鱼竿上。再把4根支撑臂插入支撑臂环里。然后就可以安装天线振子了。
把20米这根最长的振子线上的香蕉插头插入地网线接环的香蕉插座里，沿着鱼竿拉直振子线，要到顶部时绕着鱼竿等距绕5、6圈。然后把振子线顶端的挂钩和鱼竿顶部的拉绳勾勾在一起。
接下来继续安装外围的4根振子，把它们各自插在地网接环的香蕉插座上，经过支撑臂端部的乙烯管拉直后在鱼竿顶部和拉绳环上的各自拉钩勾好。每条振子线上的拉钩和对应的拉绳环上的拉钩分别用不同的颜色配对，这样就可以快速配对安装。需要注意的是拉绳环的上部也要做好标记，这样就可以保证每次安装顺序一致。此时在把鱼竿树立前，再来把地网准备下。
16根地网线按下述顺序部署，首先找到合适的设台地点，并把地锚棒插入地面。随后把3/4英寸直径的PVC管套入地锚棒，再把地网环穿过PVC管。地网单独绕圈理好后用魔术贴收好。连接时先解开魔术贴，把绕好的地网线甩出去并把香蕉插头插入地网环的插座里。随后把每根地网线拉紧并在同一水平面内平均分布各地网线。
最后竖起鱼竿，插入PVC管中。把SO-239接头的芯线接入振子馈电环上，再把SO-239的外壳接上地网环。剩下的事情就是把我的K1电台连到SO-239后开始CQ了（见图七）。
图七
电气相关
本节主要讨论如何调谐天线，地网线平铺于地面时软件模拟问题，天线性能以及关于安全使用的问题。
调谐
设计这款天线着重要考虑到尽量减小五根振子之间的相互耦合影响，尽管可以尽量减小振子间的耦合，耦合却是无法消除的。因此，我才会采用下列调谐方法。首先，找到一块平坦的地方，还要避免上空有高压线，把天线组装好，并把16根地网线水平均匀布置好。随后接上天分调谐10米振子。
修剪振子时注意不要一刀剪到位，把能够谐振时所要剪掉的振子长度，剪去一半长度即可。随后以同样的方法修剪12米振子。按照这个方法循环下去把各个振子修剪到每个波段达到自己满意的最小SWR值即可。需要注意的是修剪振子比再额外接长振子要容易，因此不要急慢慢按顺序修剪。我用我的RigExpert AA-54天分仪测得的20米到10米各波段的SWR值见图八。
图八
建模模拟
用EZNEC软件建模模拟时，平铺于地面的地网带来了点问题。QST杂志特约编辑乔.哈拉斯，呼号W1ZR，曾经用专业版的EZNEC软件解释这个问题。他的解释见边栏文章《带地网单极天线的诡异建模模拟》
天线性能
不少同好们都诟病垂直天线由全向性特性带来的高噪声，城市中架设的垂直天线的确如此。这是由于城市里到处充斥着等离子电视、灯光调光器、电磁泄漏的变压器以及其它不为人知的噪声源。然而，一旦你远离城市，这个问题将不复存在。垂直天线的全向性反而让我可以随意通联来自任何方向的电台，还不用当心在野外找不到树木架设水平天线。
这根天线的性能的确很优异，我在阿拉巴马州东北的瞭望山上的门托尼城市公园里户外操作时，曾经用CW 模式以5W及小于5W的QRP方式，在五个波段了分别通联了欧洲、亚洲、南美和中美洲、阿拉斯加、夏威夷以及美国本土。遗憾的是这根天线还没有和澳大利亚的爱好者通联上，我相信不久就将实现。
安全问题
5W或者低于5W户外操作时，首先不要把天线部署在靠近山崖边上。还有当在10米波段操作时，如果在自家后院操作，发射天线的PEP功率大于50W时，按照FCC的要求需要对射频环境评估。关于天线评估可以参考ARRL网站和艾德.海尔，呼号W1RFI，《射频泄露》一书。
我期待着和其它制作这种天线的爱好者交流探讨。
带地网单极天线的诡异建模模拟
作者在文中提到，他在建模模拟天线辐射模型时遇到困难。EZNEC软件的使用者经常会遇到这类问题，实际上本不应该遇到这类问题，我们接下来就会讨论。第一个问题是常用的EZNEC软件是基于NEC-2计算引擎，这个计算引擎不能模拟埋地地网和平铺于地面的地网时的辐射模型。基于NEC-4计算引擎的专业版（EZNEC PRO/4 V.5.0）则非常昂贵（价格为650美元），此外还要购买NEC-4引擎的特别使用授权（学术或非商业使用的每个授权价格为300美元）。这一版本支持深埋地网模拟（不支持平铺或者0高度地网），还有些其它特性，包括可以把天线模拟到最大20000段，而EZNEC V.5.0版本只恩呢该模拟到500段，售价89美元；EZNEC + V.5.0也只能模拟到1500段，售价139美元。
解决之道
有个简单方法可以解决，但是和实际结果一样却不会太令人满意。方法就是只模拟单极天线自身，把天线底部高度设置为0，这样可以得到一系列模型。如果选择“地”的为PERFECT，则可以得到图A中的蓝色的仰角模型。如果选择“地”为REAL/HIGH ACCURACY GROUND TYPE,则可以得到图中的红色模型。如果选择“地”为REAL/MININEC GROUND TYPE,则可以得到图中的黑色模型。如图所示，选择不同的“地”的类型，就可以得到不同的结果，但是哪一个能代表真实情况呢？
不同的结果代表着什么
我认为PERFECT 模型表示的是天线部署于海水上的情况，一个重要的例子是 Vertical竞赛团队在太平洋岛屿上的参赛成绩，这样的环境不是所有爱好者都喜欢的。我们可以把作者的16根地网配置作为对这种情况的修正，用EZNEC PRO软件模拟，把地网线设置成约为为地下1英寸。这样设置后得到的仰角模型见图B。
我们注意到EZNEC PRO模拟得到的埋地地网线模型，和MININEC 平铺模拟结果非常相似。这对于和本制作类似、具有比较多地网线的天线非常有用，可是这并不能代表和实际使用的“地”，这也是影响天线效率的主要因素。
手边的解决方法
对这个话题感兴趣的爱好者，可以读下由鲁迪.赛弗恩斯，呼号N6LF,所做的精彩实验。鲁迪实验的一个结论就是铺于地表的地网和埋于地下的地网效果大概一致。我模拟了埋地模型，随后改变地网线的高度，让它们高于地面约0.05英尺再次模拟。正如鲁迪预测一样，用NEC-4计算引擎两次模拟的结果几乎相似。不管使用NEC-2计算引擎，还是NEC-4计算引擎；选择不同的“地”的类型，这两种地网安装方法得到的结果都一样。在我看来，这是NEC-2引擎模拟出的最好的近似值了，因为它考虑了真实地网辐射配置。
我经常用的简单方法源自于鲁迪的另一个实验结果。鲁迪提到4根谐振长度的地网，以一定仰角布置后，可以得到和60根埋地地网像类似的结果。建模时，我用4根有一定仰角的1/4波长的地网，地网的远端离地高度为1-2英尺。此时得到的模拟结果，和用了复杂地网系统模拟得到增益基本一致。高度再高，主波瓣仰角会降低1°，这在我看来这不是什么主要决定因素。
设计得到的心得
在做这些建模模拟试验时，有些结论值得一提，它们可能会影响户外使用性能。首先，地网线平铺于地面时，对长度不是很敏感。而当以一定仰角铺设地网时，则需要地网要具备谐振长度。不同的设台地点的地不同，地网线的松紧程度不同。不同波段的两根地网180°摆放，并同时修剪，天线性能会更好。我通常会留出4根17英尺的地网线，随后修剪剩下的地网线，当天线松散的摆放于岩石地面的时候经常这样修剪。野外设台时，如果调谐不满意的话，参照这个办法试试。
我要说的另一点是10米单极天线和20米地网线之间的相互影响，因为这是这种天线里的两个谐振相关波段。10米振子被驱动时，地下的20米地网线是10米波段的1/2波长，它们改善了10米波形。既增加了10米波段的增益，又减小了辐射仰角（见图C）。唯一的问题是此时天线的阻抗约为220Ω，SWR值约为5:1多用一根同轴馈线或者使用天调，会改善驻波。操作10米波段时，移开20米地网，即可恢复正常的SWR值。---乔.R.哈拉斯，W1ZR，QST 特约编辑。
本文已发表于2014年《电子制作》杂志。