電纜的速度係數

No.24   1994 Dec.   p68~71,   by 文伯銓 / KM2X

    業餘無線電有很多實用而有趣的原理、定律和公式，明瞭理論之後，舉一反三，對於 很多有關無線電的事物和現象，可作一適當的分析和解釋。本文就來探討電纜線的「 速度係數」 (VELOCITY FACTOR) ……

電波速度因媒介物質而異

    凡是參加過業餘執照考試的同好，相信都會試著牢記下列公式，以應付可能的試題：

波長λ (單位公尺) = 電波速度 (每秒 300,000,000 公尺) ÷ 週率 f (單位 HERTZ)

    這個重要的波長與週率變換公式，是以電波在真空環境中行進的速度為基礎，即每秒 三億公尺，或每秒環繞地球七圈半。

    在實際使用時，要注意的一點是，電波在其他物質中，如電線等，其進行速度便會慢 下來，慢多少則依其導線的構造和使用的絕緣物質，而各有不同。

    這和光線很相似，光線在真空中的速度和電波相同，也是每秒三億公尺，但在水中便 慢多了；在玻璃中，因其密度比水高，速度又更慢。

    這個速度減慢的程度，稱之為「速度係數」 (VELOCITY FACTOR)，通常是以百分比或 小數點來表示。在設計天線系統，尤其是高頻率輸電纜時，如果不考慮速度係數而不 修正其差異，輕則失調，重則失效。

導線構造影響速度係數

    舉例來說，電波在以空氣作絕緣體的赤裸銅線中進行，其速度極近似在真空中的速度 。如以這種赤裸銅線作為天線，其實際的長度與計算出來的長度相差極微，但是，若 用包有絕緣物體的導線，便需要作修正了。

    有人做了一根長度為一個波長的方形天線 (1 λ QUAD ANTENNA)，實際的導線長度要 比計算出來的要短 3~5%，才能在所要求的週率上諧振 (RESONANCE)。這 "3~5%" 便 是這一種導線的速度係數。

    再看常用的 RG8 等同軸輸電纜 (COAXIAL CABLE)，它的速度係數從表一得知是 0.66 。這意思是說，假定一個電波計算出來的長度是 10 公尺，進入 RG8 電纜時，其長 度僅須 6.6 公尺便可，其理由即是因為速度係數。

A: 這是一個 7.5MHz 的電波在真空中進行的情形，其波長是 40 公尺。這電波從 a 點開始行至終點 b，即完成一個週波，所在的時間是一百萬分之 0.1333 秒 (1 ÷ 7.5MHz=0.1333μS)。

B:這是同一電波在 RG8 同軸電纜行走的情形。其完成一個週波 (即從 a' 至 b' 點 ) 的時間不變，仍然是 0.1333μS，由於這電波在 RG8 內行走，其速度要比在 真空中慢得多。雖然走得慢，但仍在規定的時間內 (0.1333μS) 完成一週波 (CYCLE)。所以這週波便短了。RG8 的速度係數是真空的 66%，這週波在 RG8 內的 長度便為 40 × 0.66=26.4 公尺。

圖一：速度係數

    再舉例解釋，假設有一個週率是 7.5MHz (即每秒振盪 7500,000 次) 的電波，則它 在真空中的長度剛好是 40 公尺 (300,000,000 ÷ 7,500,000= 40)。當這電波走進 RG8 時，它的長度則變為 26.4 公尺 (40 × 0.66=26.4)，雖然它的頻率仍然是 7.5MHz。縮短的理由是因為它在 RG8 內走得比在真空中來得慢的緣故 (見圖一)。

電氣長度較電波長度短

    上文提及速度係數依電線的構造而各有不同。同一週率的電波在不同的電線中，如果 以公尺來度量，其電波的長度也因線而異，令人無所適從。

    於是，學術界為了方便起見，創立了所謂「電氣長度」 (ELECTRICAL LENGTH)，而以 波長 (WAVE LENGTH，簡寫為λ) 作單位。

    舉例來說，假使有人說天線最低的有效高度是半個波長，這在 2O 公尺 (14MHz) 波 段而言，半個波長是 10 公尺；若以 80 公尺 (3.5MHz) 波段來說，則是 40 公尺高 ，簡單明瞭。

    速度係數很有實用價值，下列公式是用來計算電線、電纜的實際長度。所得答案是一 個波長的電線的長度。如用來計算 1/2 或 1/4 波長的電線時，要依 1/2 或 1/4 比 例來減短：

    λ = 299.79 ÷ f × V.F.
    λ = 一個波長電線的長度 (單位公尺)
    f = 使用週率 (單位 MHz)
    V.F.= 速度係數的英文縮寫
    (見表一)

    299.79 = 電波和光波在真空中的速度；最新測定的數字是每秒 299,792,500 公尺。

利用速度係數改變長虔

    筆者在架設天線時，經常應用到這個公式。有二個較突出的例子，誌之如下:

1. 有一次我架設了一個用於 14MHz 波段的四元件 (即四支) 垂直導向天線，天線本 身架設後，固定不動，然後用數根長度為 1/4 波長的 RG8 同軸電纜作為相位線 ，接於諸元件間，再用開關來變更各元件的電氣相位 (PHASE)，以達到轉變電波 方向的目的。

   這幾根相位線 (PHASING LINES) 的長度，據上述公式計算出來再被四除 (因所要的 長度是四分之一波長)，答案是每根 3.53 公尺長。

   1/4 λ =299.79 ÷ (4 × 14.0) × 0.66=3.53 公尺

2. 我在住家的屋頂上，豎立了一根用於 80 公尺 (3.5MHz) 波段的垂直天線。這天 線需要用四根 1/4 波長的人工地線網 (RADIALS)。書本上說用赤裸銅線，每根的 長度算出來是 21 公尺。

   寒舍的屋頂是 7 × 20 公尺，所以，這四根地網線在屋頂上，轉彎抹角如蛛網一般 ，既要顧到機械性的穩固和安全度，又要考慮電線靠得太近或互相交錯而生破壞性的 感應，相當惱人。後來靈機一動，試用閑置一旁的舊 RG8 同軸電纜來代替，每根的 長度只需 14.1 公尺，處理起來方便得多；經實際 ON AIR 試驗，效果同前一樣。後 來介紹給其他電台使用，訊號報告也同樣好。