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430MHz廉价同轴电缆高增益天线

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430MHz廉价同轴电缆高增益天线
2002-02-19 13:09chinaham 大埔特首
此为大埔特首初次根据85\'年日本CQ杂志的介绍而尝试自制之廉价VHF 或UHF 同轴电缆多段式1/2波高增益天线.


其特点乃是用普通之5D-2V同轴线按Fig.1 之尺寸裁剪出数段二分一波长的线段及首尾两段各四分一波长之线段即可。 全支天线并无其他昂贵元件, 全部估计不会超过三数十港元. 唯一比较美中不足之处就是此天线的驻波比调较比较麻烦, 因为每次都要每一条线段作出相同之改变才能达致理想效果。


另一特点则是线段数目的多少可由制作者自由决定。 段数越多, 则增益数字越大, 反之则越少。 特首今次则以八段 430MHz 二分一波为目标。

制作方法非常简单: 只需如 Fig.1 图中尺寸剪出各段同轴电线并把每段头尾的外皮用利刀切去少许并露出中芯金属铜枝3-4mm以供焊接之用, 然後把第一段四分一波的中芯焊接至第二段开首的外皮铜网, 而第二段尾的外皮铜网则焊接至第三段的开首的中芯, 如此类推至最尾的一段四分一波为止。


实际的焊接可参看 Fig.2。至最未一段的尾部时则把它的芯线和网线焊在一起, 再在其上焊上一支四分一波长的铜枝, 如 Fig.3 般。


另外最低下的一段则要如 Fig.1下半部份所展示般造一个小环焊在如图的位置上, 尺寸亦在该图中可找得到。该小环的实物图一如 Fig.4 般大小一样便可, 此环并无太准确的要求, 故大可安心去造。


整支各段同轴电缆都焊接完毕并检查好没有短路後即可把整条同轴线如完成图所示一样藏在一截 PVC 胶通内把它架设起来便成为一支很美观实用的天线了。

Fig.5 可见特首的完成大作放在地上的雄姿。

Fig.6就是这枝天线的幅射图样。


特首天线参数:
从上至下:(共17段)
1、12.6cm
2、20.6cm
3、20.6cm
4、20.6cm
5~7、20.5cm
8~9、 接合部 10.5+14.5cm
10、20.7cm
11~12 20.3cm
13、 20.5cm
14、 20.3
15、 20.5cm
16、 30cm
(15~16接合部长度 23cm)
美丽湛江我的家 呼号:BG7JMI 中国移动:137 909 63766 QQ:455506113

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只看该作者 1楼 发表于: 2004-06-08

適合144MHz使用的5/8波長及多段共線式天線

from 黃偉

現時,2公尺(144-146MHz)和70cm(430-440MHz)波長的流動式和中繼式的發射機己普遍採用垂直極向的發射天線,這種天線兼且能在低角度下得到全向性的輻射;其應用範圍由手提式收發機的伸縮天線,及至到多段半波長振子共線的系統,都能比單半波長偶極子獲得較大增益。通常最流行的天線有所謂"5/8波長"垂直天線可作為固定發射的天線,這包括了安置在金屬"地網"(radials)系統上的天線,這個"地網"的目的是形成一 "人造地"或"地平面",這種天線還廣泛應用作流動式,在這場合,可將天線安裝在汽車的頂蓋上或車旁某部份,當作為地平面。

四分一波長垂直天線

一枝四分一波長的垂直天線振子安裝在地球的地面上,在其接近地的末端,有一比較低阻抗的饋電點,這種天線在所有的水平方向都能產生有相等的輻射量,假設有良好傳導電的地與校低的垂直輻射角,正如(圖一)所示。無論怎樣,這種天線是不適宜於VHF波段。因為,縱使是有良好傳導的真實地,但輻射訊號被圍繞的建築物、大廈和牆壁等等所吸收。在任何情況下,真正的地與及良好的導體是差有一段極遠的距離,所以,輻射功率的損耗是會發生的。唯一的方法是在天線的下面製造一個高傳導性的人造地。以減少因離地太高而造成的損失。當整個天線系統架設起的時候,天線依然在垂直角下輻射,因此環境建築物造成的衰減大大地克服了,甚至地平線上升和有效的工作距離也增加了。

有很多同樣的理由去採用1/2波長天線,在其中心點,它具有較低阻抗的饋電點,伋假設有良好傳導的地及當天線是與地面垂直時,輻射亦在低角度下產生。輻射訊號有很高的衰減是一個大問題,這是因為環繞的建築物和被地吸收而造成的損失依然存在。無論怎樣,這天線是離地面有數個波長之距,它有如一枝"自由空間"的天線,地面損耗可以減到很低。鄰近大廈造成的衰減也可減少,還有,更高的天線會有更大的工作範圍。

上述兩種有用的基本天線在所有方向下能供應低角度的輻射,簡單的四分一波長地平面天線可以改造,以增加輻射,一般可使用的"共線(colinear)"的天線可使用"自由空間"偶極子天線來提高單元的增益。

5/8波長地平面

所以叫作"5/8波長"是因為其物理長度(即用尺來量度)大約是八分五個波長,其實在電氣長度而言,它是3/4波長,因當電流和電壓分佈在天線上時它是佔有四分三個波長,如(圖二)所示,第一部份為電氣的1/4波長,因為這部份是負載線圈所組成。天線是需要一地平面,以得到有效的工作和饋電點阻抗的 50-Ohm。製造過程不會很困難,天線和"地網"兩部份可由薄的銅或鋁通所造成。舊的雨傘的骨架也可以造成地平面,這一點留待最後再述說。負載線圈用 16 swg 漆皮線繞在 19mm(0.75吋)直徑的PTFE(聚四氟乙烯)線圈架上,共繞四圈,天線的頂部份是可以伸縮的,以調整至適當的諧振點,天線的外形和尺寸如(圖三)所示。

無論50-Ohm的輸送線有多長,也無需要將饋送線作損耗補償。因為,輻射振子與"地網"已可適當地把天線調至諧振點,天線的駐波比將不會超過1比1.1或1.2。若果輸入天線的功率為10 Watts,在天線的電壓點,即(圖三)的"X"點位置,就足以令到一枝6 Watts的螢光燈(240V)或普通的燈泡完全發亮。

(圖四)為負載線圈和地網的製作方法。地網的長度不應少於約510mm(20吋),實際的長度則以各個別情況而以駐波比錶求出為準。地網的徑向器數目基本上是四枝, 但用六枝則較為良好,基底的圓盤可用銅製成,其厚度要可以支持四或六枝徑向器銲接於其上為可。最理想的情況是不應把徑向器屈曲來達成低的駐波比。若果不能調校徑向器的長度來獲得諧振點,這表示可能有其他毛病,例如饋電線阻抗有錯誤或在發射機的輸出端不匹配等等。諧振點的調校也可由天線的頂端的一節上下移動來完成,但要留意附近的其他導體也可造成很大的影響。要避免雨水進入同軸線的開口端而影響整枝天線的效率,最好用 self-bond tape 將線口及線圈封密。再塗上一層漆油,以防止氣候的侵蝕。

這種天線也適合用於汽車上,利用車身作為地平面。天線最好是裝在車頂正中央位置,負載線圈應與車身金屬有良好的絕緣。

共線式天線 (Colinear Aerial)

這種天線也是屬於全向性,其有效增益程度亦高於偶極子天線,製作方面也並不太困難。現時,在商品上已製造了很多這種共線式的天線,其工作頻率在144MHz及430MHz都有,早期的產品大都標示著一個往往都令人感到懷疑的增益數字,在規格上時常都引用有"10dB甚至更多的增益",其實這是沒有意思的,除非能同時提供一個參考電平作比較才能與之有關係,因為 dB (decibel)是一個比較單位而不是一個絕對值。另一個在表面上看起來像是高增益的數字,但這些數字卻是由與1/4波長天線作比較而得出的,在效率方面而言,1/4波長天線 則較半波偶極子低很多,這一點不可不注意。而業界作增益測量的標準型式的 0 dB參考天線都是以半波偶極子在自由空間中為基準。

一枝簡單共線的天線陣列是包含兩枝半波長的偶極子,再用平衡環使它們得到"同相位"的輻射,所以其總輻射功率為單偶極子的1.5倍。即是功率增益大約為 2dB,如(圖五),增多振子的應用數目,可得到更高的增益,又加上傳統的密排式振子系統時,如三段振子系統會有大約3.2dB的增益,四段則會有大約4.3dB的增益,超過四段或以上的在144MHz頻帶內就因為體積太大而很少會用得著了。除此之外振子的間隔距離越闊,增益也越高,例如:間隔為0.4波長時,兩段振子就已得到超過3dB的增益了,可是這個安排卻會令獲得一個適當的饋送匹配和50-Ohm或75-Ohm同軸電纜的相位調整變得很困難。(註:本文中所標示的增益數字是以半波偶極子天線在自由空間作為0dB參考基準)密排式振子系統在結構上和饋送上都有較好的匹配及論點。

(圖六)所示為一枝二單元共線式天線的垂直輻射角圖,但它正如所有的VHF垂直天線一樣,是越裝得
高越佳。

製作過程

整枝天線應與桅杆或支架有良好的絕緣,因為振子的末端有很高的RF電勢,這就是說振子間也應該要有良好的絕緣。振子和匹配截線可由較粗的銅線製造,但需要一額外的絕緣支撐物。物料方面以銅管或鋁管較為適合。絕緣材料則可考慮用PVC水管,取其很堅硬,能夠支撐重的管形振子,若振子和截線是用銅水喉管造成,那就要用連接管把它們連接在一起。

饋送與匹配

輻射振子是屬於"同相位"的,振子是由四分一波長的截線相連接,整個系統的饋送要在其中一截線的恰當點來進行。雖然同軸電纜有不平衡的饋電效應,但加上如(圖七)所示的平衡環(balun loop)後,阻抗會增加至大約四比一,即約可得到 200-Ohm 的阻抗,因而產生了平衡作用。要使振子產生適當的諧振點,截線當然要有精確的製作。良好的匹配和低的駐波比,就要依靠在截線上找尋適當的饋電點,以連接饋電同軸線及平衡環。

(圖八)為二,三及四段振子共線式天線的外形。

實用的共線式天線

(圖九)為筆者自製的共線式天線,振子和截線都是由銅水管所造成,並且用肘管或曲管將它們連接起來,其接口最好用比較熱的銲槍銲接牢固。整支天線可安裝在金屬桅杆的頂上,正如(圖九)所示。用一個T型連接器與在下面的一條截線鑲嵌。而在連接器的下端則插入一截PVC水管,此類連接器可在五金店購得。(圖九)為天線的實體尺寸,至於平衡環的詳情可參閱(圖七)。調整饋電接點 "X"的位置至最大輻射(可配合使用場強錶,功率錶)及最低的駐波比。除此之外,有訊號產生器的HAM友還可將一穩定訊號輸入天線,再把"X"點的位置調校至訊號錶讀數最大為止。

(圖十)為一4段振子共線式天線,也是用銅管,排水管造成,而截線則用較硬的銅線屈成。饋電線需要一些支撐,以防將截線拖下,較上和較下的截線則捲成大約150mm(6吋)直徑的圓圈,以減少風阻。每段振子是1m(39.5吋)長,而其校準過程也是要達到最大的輻射和最低的駐波比。

傘骨架的地平面

如前面所述說過,一把舊的雨傘,剪掉傘上的圓布,剩下來的骨架就可以製成一個優良的2公尺地平面,雨傘的肋骨必須銲接一起,因為肋骨間的導電較差,用如(圖三)及(圖四)所述的5/8波長的輻射體和負載線圈,加上傘形的地平面,就組成一枝有用及輕便的天線,若輻射體是造成分離式時,還可以將地平面覆摺起。若是作為攜帶之用,所需的是一枝輕巧的伸縮桅杆。(圖十一)是筆者自行安排的天線,在空曠的地方加上一支四米高的桅杆,便成為一支很有效率及便於攜帶的天線來了。

鳴謝 : 黃偉 君提供如此詳盡圖片及資料

美丽湛江我的家 呼号:BG7JMI 中国移动:137 909 63766 QQ:455506113

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