Last update : Feb 20, 1998
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LOOP ANTENNA


在這裡我們所要討論的是長度不小於一個波長且形成封閉迴路的 Loop Antenna。

折疊偶極

折疊偶極天線是 30 年代末期由 Kraus / W8JK 所設計發展出來,在 40 年代相 當的流行。圖一 (A) ~ (D) 清楚的顯示了折疊偶極的工作原理。

From Dipole To Folded Dipole

圖一 (A) 是一個普通的偶極天線,箭頭方向代表某一瞬間偶極天線上的電流方 向。如果在偶極天線的一端再加上一段 1/2 λ的電線(就是再加上一段偶極 天線),它就變成了在 3/4 λ饋電的 Long Wire Antenna ,但請注意兩段偶極天 線上的電流方向是相反的,如圖一 (B) 所示。如果我們把加上去的偶極天線折過 來,那麼兩段偶極天線上的電流方向就會同向,如圖一 (C),最後將兩端相接就形 成了折疊偶極天線。

由於折疊偶極天線上的兩段偶極天線可視為並聯,所以分佈在這兩段偶極天線上的 電流僅為普通偶極天線上的一半。假設將功率為 P 的信號輸入單一支偶 極天線,而分佈在這支偶極天線上的電流為 I,且偶極天線的輸入阻抗為 RD,則

P = I2 * RD

若將相同的信號輸入折疊偶極天線,則分佈於兩段偶極天線上的電流為 I/2,折 疊偶極天線的輸入阻抗用 RFD 代表,則

P = ( I/2 )2 * RFD

由上面兩個算式推得

I2 * RD = ( I/2 )2 * RFD ===> RFD = 4 * RD

因為偶極天線在自由空間的輸入阻抗接近 73Ω,而折疊偶極天線的阻抗是偶 極天線的 4 倍,也就是 292Ω,相當接近 300Ω。

Folded Impedance

同理,如果在折疊偶極上再加入第三段偶極天線,那麼分佈在每段偶極天線的電流變成 了普通偶極天線的 1/3,所以輸入阻抗變成普通偶極天線的 9 倍,就是 657Ω,如圖 二 (B)。由四段偶極天線所構成的折疊偶極天線,其輸入阻抗就是 16*73= 1168Ω, 如圖二 (C)。要應用以上的推論,前提是每段偶極天線的線徑和彼此的間距必須相同。

折疊偶極天線的特性基本上和一般的偶極天線是相同的,而且它的增益和偶極天線一樣 都是 0 dB。因為它是封閉迴路,所以環境對其輸入阻抗的影響會比對一般的偶極天線 的影響來的小一些,加上我們要使用 4:1 的阻抗轉換才能將天線的輸入阻抗和無線電 機的輸出阻抗匹配,所以在阻抗轉換以後原先環境對天線所造成的阻抗變化還會變得更 小。這個特性的好處是:變換架設環境對天線阻抗的變化不大,因此可以在比較低的位 置調整天線的長度(方便調整),調整好以後直接把天線升高就可以使用;若是移動通 信使用折疊偶極天線,就不必每次都要調整天線的長度,相當的方便。

製作折疊偶極天線最簡便的方法是使用 300Ω的平行傳輸線來做天線的本體,因為這 是架設兩條平行線最簡單的方法。不過國內的 300Ω平行傳輸線的品質普遍不良,必 須避免銲接點受到力量的拉扯,如果想要固定架設長期使用,最好還是使用一般的電線 間隔 10 ~ 30 公分來架設比較牢靠(頻率低,間隔可以大一些;頻率高,間隔可以小 一些)。至於傳輸線可以使用 300Ω平行傳輸線拉至無線電機附近再用 4:1 Balun 轉 換後用 50Ω同軸電纜接到無線電機,這樣做的好處是降低成本(平行傳輸線很便宜) 以及衰減少(平行傳輸線的衰減量比同軸電纜低),不過要注意平行傳輸線要盡量遠離 牆壁。當然您也可以將 4:1 Balun 裝在折疊偶極的饋入端然後直接用同軸電纜接到無 線電機,這樣處理起來會比較方便。兩種方法如何選擇完全看您架設天線時的考量點為 何。

折疊偶極的調整方法和偶極天線相同,如果諧振點偏低把天線剪短一點就可以了,如果 諧振點偏高,您不需要將上下兩段剪開,只要在左、右兩個末端各加上一段適當長度的 電線就可以了。

以我個人的經驗,用 300Ω平行傳輸線所作成的折疊偶極天線在野外移動通信相當的 好用,因為

  • 重量輕,因為不需要帶同軸電纜。
  • 容易架設,因為饋線及天線本身很輕,所以不需要太強固的支撐物就可以把天 線架設得很美觀。如果使用同軸電纜,天線中央的支撐物就不能太馬虎。
  • 只要不是太離譜的架設環境,天線幾乎不必重新調整就可以使用。
  • 如果沒有 4:1 Balun 來匹配,可以參考 Portable Folded Dipole Antenna 堛漱隤k,只要一個可變電容就搞定了。


Quad Loop (Square Loop)

架設 Loop Antenna 的基本原則是盡可能使天線圍到最大的面積,換言之,圓形的 Loop 效益最高,不過在 HF 頻段要架設圓形的 Loop 並不是那麼容易,而方形的 Loop 架設容易,所以被普遍的應用在各種場合。如圖三所示,Quad Loop 有兩種 基本的架設方法,(A) 的輻射波形為水平偏波,(B) 為垂直偏波。

Square Loop Antenna

不管是哪一種架設方法,Quad Loop 均有以下特性

  • 整個 Loop 的長度比一個λ略長,大約為 306.525m / f(MHz)
  • 饋電點的阻抗約為 100Ω
  • 與偶極天線比較約有 1 dBD 的增益
  • 主波束的方向與 Loop 圍成的平面垂直,在 Loop 平面往外延伸的方向收發信 號效果最差,就好比拿著扇子搧風,搧起來有風的方向訊號最好,搧起來沒風 的方向訊號最差。
  • 在理想條件下可以在倍頻使用,實際上因為天線受到 周圍建築物的影響,可能需要略微調整才可以在倍頻使用。

Quad Loop 另一個比較迷人的特性是地面對它的影響比較少,它的輻射仰角比在相 同高度的偶極天線低,例如架設高度同為 1/2 λ,偶極天線的輻射仰角約為 30 °,而 Quad Loop 只有 26°,若架設高度同為 3/8 λ,偶極天線的輻射仰角約 為 40°,而 Quad Loop 只有 30°,若架設高度同為 1/4 λ,偶極天線的輻射 仰角散佈在 40 ~ 90°,也就是說朝著天空,而 Quad Loop 只有 40°。

由於 Quad Loop 的輸入阻抗約為 100Ω,要如何處理匹配的問題對新手而言倒是 比較令人頭痛的一點,其實也不會很困難,方法不外乎下列幾種:

  • 使用 2:1 的 Balun,不過這種 Balun 市面上沒得買。
  • 使用 Open Stub 來調整,商用的 Cubic Quad 都是用這種方式來調整。
  • 使用 Open Wire 來做傳輸線,然後用 1:1 的 BALUN 再用 ATU 來調諧。如果 你覺得 Open Wire 在架設時要注意的細節太多的話,也可以取等長的 50Ω 同軸電纜將頭尾兩端的隔離網相接,於是兩根心線就變成了 100Ω的平行傳 輸線,這種由同軸電纜形成的平行傳輸線可以靠著牆壁架設,也可以急轉彎或 捲曲,用起來就和同軸電纜一樣。(如圖四)
Use Coax Line to Form Two Wire Feeder


Delta Loop

三角形的 Loop 應該是結構最簡單的 Loop,因此通常被廣泛應用在較低的頻段。

如前面所言,Delta Loop 所圍成的面積由於比 Quad Loop 來的小,所以它的增益 大約只有 0.5 dBD,如果 Delta Loop 越扁,它的特性就越接近折疊偶極天線,不過在 這裡我們想要討論的是等邊三角形的 Delta Loop。

Delta Loop Antenna

實用上來說,Delta Loop 大概有下面 5 種架設方法,如圖五 (A) ~ (E)。 Delta Loop 的有效高度是以三角形的重心位置來計算,大約是離底邊 1/12 λ的位置 。下面對五種架設方式的討論都是假設 Delta Loop 的有效高度為 1/2 λ。圖五 (A) 和 (C) 的架設方式,它的輻射仰角高達 80°,完全不適於 DX 通信。圖五 (D) 的架設方式其輻射仰角約為 47°,也不適合遠距離通信。真正適合 DX 通信 的架設方式是 (B) 和 (E),(B) 的輻射仰角大約是 27°,(E) 大約是 20°。

Delta Loop 的輸入阻抗大約為 70Ω,所以可以直接用 50Ω的同軸電纜來連接 ,雖然有一些不匹配,但通常只要加上 ATU 就可以解決不匹配的問題。



BV3FG / Robert Suen