自製 10dbi 小型高增益天線, 不到 nt200 [Site Map] - 第 24 頁

mylcq

2005-09-01, 11:49 AM

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《水平與垂直天線如何選擇》
天線的種類和選擇
天線的選擇和設計是捉 DX 的諸多要件中，最重要也最煞費心機的主要事項。

自有無線電以來，出現過各式各樣的天線，不下數百種，如馬可尼式、齊伯林式、水平式、垂直式、三角式、四方式等等。有人用旋轉定向天線，而呼不到 DX；也有人用屋檐下的雨槽，甚至用舊床的彈簧墊，也能將電波發射出去。

依目前業余界流行的天線來看，天線主要可分爲‘水平式’與‘垂直式’二大類。

本文針對其要點，首先依據各電波放射的特性，再依據電波在太空及地面反射的情況，將此二類用于短波波段 (即 10 ~ 160 公尺波段 )的天線，予以說明。如此分析，才能對症下藥，以配合各個電台所需要的條件。

超短波 (VHF/UHF) 波段，主要是件直線傳播，性質不同，本文暫不討論。

電波的發射角度
首先來看看電波的發射角度。我們知道無線電波能發射到遠處，主要是靠 "F" 電離層的反射。因此，電波發射的角度很重要 (平視遠處地平線的角度爲 0°，仰頭垂直向上望的角度爲 90°)。根據多年來科學家的研究和實驗發現，若以一束 HF 的電波，以 90°的角度向上發射，"F" 層會將此束電波垂直反射回來至原先的發射地點，結果是原位不動。

圖一：電波發射角度與 "F" 電離層第一次反射距離的關系。角度愈小，距離愈遠。沿地面射出的角度爲 0°。
若將發射角度降至 50°經過 "F" 層第一次反射的電波，可達 300 ~ 650 公堣宏 (此距離是第一次反射的距離，以下均相同 )。再降至 30°，則可達 600 ~ 1200 公堻B； 20°時可達 1000 ~ 1500 公堙F10°時可達 1,700 ~ 2500 公堙C

再將發射角度降至 3°則第一次反射的距離可達 2,700 ~ 3500 公 (見圖一 )。

因爲地球在赤道的圓周是 40,075.51 公堙A所以從地球的某一點至最遠的一點，即有半個地球之遙 (如從台中至南美洲的阿根廷 )，約爲二萬公堙C發射角度如爲 10°時，電波要跳躍約十次；30°時約二十次；50°時，約四十次才能抵達目的地。
水平天線發射的電波是‘水平波’，垂直天線發射的是‘垂直波’。

在 VHF/UHF 領域中，接收天線的極性也要和發射者相同，即水平發射天線要用水平接收天線；垂直者相同；否則會收聽困難。但是在 HF 領域中 (10 ~ 160 公尺波段 )，則不用擔心極性。電波經電離層、山川等多次反射後，其極性已亂成一團。所以在接收方面，不論用水平天線、垂直天線，或僅拖一條尾巴，甚至不用天線，也可以收到電訊。
水平天線的發射角度
現在談談標准水平半波天線 (偶極天線 )的發射角度。

圖二 A 及 B 是天線架設離地高度 1/8 波長 (14MHz 爲 2.5 公尺高 )，及 1/4 波長 (14MHz 爲 5 公尺高 )的情況。

由圖可看出電波發射的角度範圍是 30° ~ 90°。絕大部份的電能向天頂射去，形成浪費。只有一小部份電能在 30°處溜出，希望能射向遠處。

圖二 C 是天線架設離地 1/2 波長高的情形 (14MHz 爲 10 公尺高 )。角度自 15° ~ 45°主力在 30°，"F" 電離層第一次反射的路程達 300 ~ 1,800 公堙A電波散布面積相當廣闊。
降低水平天線發射角度的方法
欲使水平架設的單線半波天線、或是定向的八木天線的發射角度降低，最有效方法是在原先的一根天線上方 (距離 1/4 波長 )，疊置另一根同樣天線 (STACKING)，並輸以相同相位 (IN PHASE) 的電能。這般的裝置可將有用的波瓣發射角度降至 8° ~ 28°。

如想要將角度再降低，可在此二根天線上方，離最高的一根 1/4 波長處，再加裝一根，亦輸以相同相位電能。三根重疊者，角度可降至 5° ~ 15°；再加一根，共四根時，角度可降至 3° ~ 12°。

此種設計在 VHF/HF 天線中甚爲普遍；在 HF 領域中雖不多見，但亦有不少有能力的火腿，在院子或牧場中，豎起 40 公尺高的鐵塔，每隔 10 公尺挂上一根八木天線。

有些設計是四根天線同時、同方向轉動，而鐵塔固定不動。有些則將天線固定在鐵塔上，變換方向時，整座鐵塔連天線一起轉動。龐然巨物，聲勢浩大，羨煞僅用單根簡單天線，如筆者般的火腿們。
垂直天線的發射角度
話說回來，窮人也有窮福。另一降低發射角度，簡單經濟而有效的方法是，采用垂直天線，因爲垂直天線具有低發射角度的天性。

圖四是四種不同長度的垂直天線發射角度。圖四 A 是 1/4 波長天線發射角度，自 10° ~ 55°。圖四 B 是 3/8 波長，角度是 8° ~ 40°。圖四 C 是 1/2 波長，角度更降至 3° ~ 27°，雖在主瓣的上方出現一小波瓣，但無傷元氣。
降低垂直天線發射角度的方法

圖 A 是在 1/4 波長天線上方多加一節 1/2 波長，可將電波射角降至 3° ~ 20°，並可獲得 3.2dB 的增益。

圖 B 是二根 1/2 波長天線，射角再降至 3° ~ 15°，有 4.3dB 增益。弧形虛線是電流分布狀況，箭頭表示電流方向。上下二根天線的電流，經相位變換後，成同一方向，相互加強，乃有增益。
圖五：重疊式垂直天線示意圖
前文說過，既然將水平架設的天線重疊起來，可以降低它的發射角度，同理，將垂直天線重疊，也可降低它的發射角度，但由于構造不同，重疊的方式也就不一樣。

垂直天線重疊的方式，是在原來的天線近天的一端，如接一條半個波長的導體 (線或管 )，並在二者之間，加裝一只‘相位變換尾巴’ (PHASE REVERSING STUB)，以求此二節的天線所發出的電波相位相同。

在相位相同時，兩者的電能相加；相位相反時，互相抵消。這樣結構的天線，稱之爲‘同線重疊式’天線 (COLLINEAR 或 COLLINEAR STACKING)，見圖五 A。可將發射角度降低至 3° ~ 20°並有 3.2dB 的增益 (GAIN)。

這條天線總長度雖然是 1- 1/4 波長之長，但不能稱爲‘ 1- 1/4 波長天線’，因爲其構造與作用和簡單一條線截至 1-1/4 波長不同，爲避免誤解，不妨噜嗦些，稱之爲 "1/4 波長的垂直天線重疊上一段半波部份’。

在學理上講，要獲得 3.2dB 的增益，重疊式天線要有三個半波的天線相連才行。現在只有 1-1/4 波長的長度，而能有同樣的增益，是因爲垂直天線利用地面的反射，所以可將長度減半。

更進一步說明，假如將天線豎立在一面鏡子上，看起來天線的長度便增加一倍。在電波上來講，地球便相當于一面鏡子。

同線重疊式的天線，可重疊再重疊。如在上述 1-1/4 波長的天線上方，再加接一根同相位的半波天線，其發射角度可再降至 3° ~ 15°，增益可有 4.3dB，請見圖五 B。

話說回來，雖然重疊式的垂直天線很容易獲得低發射角度，但在實際架設上，要豎立一根數十公尺高的金屬管子和線，以用于 HF 被段，可不如想像中容易。再者，重疊天線每一段和相位變換的尾巴，都要諧振，調整起來，要花數倍功夫和耐心。如要用于多波段，更要特別設計。

綜合起來，水平和垂直天線，各有千秋。比較起來，可列出以下的優缺點：

垂直天線容易獲得較低的發射角度

一根安裝在地面上 1/4 波長的垂直天線，其主波的發射角度已是 30° (波瓣自 10 ° ~ 55° )，見圖四 A。水平的單根半波天線要架設到離地面半個波長高 (14MHz 爲 10 公尺 )，才能達到相同的角度，見圖二 C。

垂直天線制造容易，安裝簡單

即使要豎立 20 公尺高的垂直天線，也不需要拉索 (GUY WIRE) 固定，而自立式的 (SELF-SUPPORTING) 金屬管，也不是難事。

垂直天線占地面積不廣

雖然要用多條地線 (RADIALS)，像樹根一樣向四方散開，但這些地線不需要拉直，可以沿地形、屋頂、牆壁，彎曲上下，也不一定要向四方平均散開，即使所有的地線都傾向一個方向，也不太影響效率。

最近市上發展出多種半波垂直天線 (VERTICAL DIPOLE)，無需用樹根式的地線網，不論在效率及架設方面，都更爲優良和方便。

垂直天線沒有方向性

垂直天線另一優點是沒有方向性，一聲 CQ，可八面四方 360°發射出去；同理，躲在天涯地角的 DX 在呼叫時，也不會因爲自己的天線，朝向反方向而失之交臂。

因此，很多電台在安裝強大的定向天線之外，亦多加裝一條垂直天線，作爲‘監聽’之用，以防稀有的DX漏網。

垂直天線也可構成定向天線

圖六：變換電波相位來變更發射方向的垂直天線示意圖。
垂直天線也可以采用二根，放置在相隔 1/4 波長之處，以構成定向天線，見圖六，再用開關，將電波向前或向後切換方向，這種天線稱爲‘變相位的垂直天線’ (PHASED VERTICALS)。

其電波發出的面積，可達 120。之廣，並且有 3dB 的增益，加上低發射角度的優勢，捉起 DX 來，可直追三元件的八木天線。

假如使用三根垂直天線，各相距 1/4 波長距離，用選擇開關來控制其發射方向，每一方向 120°，三個方向便是 360°，也就是廣及全球各地。這種用電來轉換方向的方式，優點是迅速，舉手之勞去轉開關而已，沒有機械磨損，可靠性高。

用過旋轉器的同好，一定曾經體會到將天線轉一圈時，雖然只有一分鍾之久，可是在捉 DX 時，卻猶比一年還長，就怕這守候多年的 DX 機會不再。筆者曾用過四根的PHASED VERTICALS，相當滿意。

垂直天線對電視影響不大

垂直天線發射的是垂直波，對電視的影響不大大，因爲電視是水平波。有說垂直天線會影響廣播收音，這並不是由于垂直波的關系，而是垂直天線發出的電波角度低，且強而有力所致。

垂直天線較易受雜音影響

垂直天線在收聽方面，似對下雨、下雪、及鄰近電器所造成的噪雜音，易受到影響。

垂直天線一定要有良好的地線系統

水平及垂直半波天線，不需要良好的地線系統來幫助電波的發射;1/4 波長的垂直天線則一定要有良好的地線系統。

水平天線可加裝輔助元件使電波集中于某一方向，成爲高增益的定向天線

水平天線可加裝輔助元件如反射元件 (REFLECTOR)，和引導元件 (DIRECTOR)，使電波集中于某一方向，以求增益。此即所謂八木 (YAGI) 天線，以紀念發明人八木教授。又因形似魚骨，亦稱之爲魚骨天線。

八木天線體積重量大，易受天氣影響

一般八木天線由于體積和重量都很大，多限制在 14MHz 以上的波段。且易受天氣影響，元件怕大風和結冰而折斷；旋轉器因受潮結冰而不能轉動。架置八木天線用的鐵塔和地基 (屋頂 )要夠堅固，以備萬一因台風及地震等而倒下時，不致引起慘重的災情，及賠償等問題。

垂直天線很容易達到低角度

水平天線的發射角度與生俱來便偏高，難以捉 DX。即使將天線高度架到離地一個波長處 (14MHz 的高度是 20 公尺 )，其發射角度才降至 10° ~ 20°。垂直天線則很容易達到此角度。

如果要水平天線獲得更低的發射角度，唯一方法是將天線‘同相位重疊’。這般的裝置要使用較高和堅固的支柱。

個人的經驗
現在筆者將個人使用的經驗寫出來，給火腿諸君參考。我曾經用過不少種類的天線，有水平、垂直、八木、倒 V、及方形的等等。有自制、改裝、也有買現成的。現單由水平和垂直天線來談：

多年來，我的電台裝裝拆拆，QRT( 停用 )的時候，比 QRV( 准備好 )多。每次開台時，總是匆匆忙忙，急于 ON AIR。

每次 QSO 的第一根天線，總是一根水平半波單波段，取其制造容易，校正也容易，隨便找屋角或樹幹一挂便成，歪歪斜斜也不打緊，可靠性高，電波一定可以發射出去，只是效率高低的差別而已。

當過了一陣 QSO 瘾之後，心媮`覺得這根天線不夠理想，捉起 DX 來，總落人後，連做夢都想要一根更優越的天線；一根三波段三元件十五米高的八木和鐵塔，或更巨形的天線，是理想的目標。

鑒于自己的能力，和四周的環境，及‘人和’的因素，實在沒有此福份，退而求其次，只有采用‘地平面式’的垂直天線 (GROUND PLANE VERTICAL，或稱 G.P.)。它的優點是發射角度低，只要四條地網 (RADIALS)，輸電容易，架設簡單，不必大興土木，而且細細的一條，直上雲霄，也不刺眼。

我的興趣是在多波段工作，心理上總覺得自制的天線沒法做科學的校正，效果必定會差些，叫不到 DX 時，總是歸罪于天線不好，所以幹脆買現成的。廠制品各有各的設計，同一廠商也經常在改進。

我經試用數種之後，滿意的一根，也是目前使用多年的‘白胡桃’ (BUTTERNUT) 的 HF6V 型六波段的垂直天線。六波段包括 10、15、20、30、 40、80 公尺。

它的地線系統 (RADIAL SYSTEM)，設計得別有心裁。依理，每波段用 4 根，六波段便是 24 根，一堆亂麻，非常難處理。而白胡桃竟能將之簡化爲四根，80 公尺和 30 公尺各有各的 4 根。如果對 80 及 30 公尺波段沒有興趣，則只用四根便可。這項聰明的設計，我奇怪他們不去申請專利權。

我的屋頂離地四公尺高，天線垂直部份的底部，也就離地約五公尺。這個高度據學術界的實驗，並爲業余界再證實，是要使 GP 式天線，充分將電能發射出去的最低高度，此高度與電波發射角度無關。

HF6V 的設計特點是不用‘截波器’ (WAVE TRAP) 來分波段，因爲截波器會消耗寶貴的發射電能。其天線的主幹夠長，除 30、40、80 公尺波段外，10、15、20 公尺波段的長度，最短不低于 1/4 波長，所以能將電能充分發射出去。

我覺得這條天線最強的波段是 15 公尺及 20 公尺，多次和十余個電台同時搶著回答某一電台的 CQ 呼叫，對方都很快回答我，所以我知道這只 HF6V 的效率相當好。猜測這十余電台之中，一定有人用八木天線、半波天線、垂直天線等。

有時遇到遠地稀有 DX 電台，戰況更加熾烈，長程大炮型的大電台如猛虎出山，照理說，怎麽也輪不到我這小小步槍手，但事實上並不如此，我的口徑尺寸雖小，托垂直天線低發射角度之福，射程不比長程大炮差。

有次偶然聽到 VS6JR 在 20 米用 CW 叫 CQ，由于他叫 CQ 的時間稍長些，引起很多台在備戰，美國東部很少聽到香港，大家都在爭取這一新的國家。

開始的數分鍾內，我沒叫到他，這時叫他的電台越來越多。我知道大勢已去，但仍不放棄，繼續監聽，再過數分鍾，呼叫的電台更多更擠，連他也分不清誰叫誰。突然間，這 VS6 電台音息全無，我立刻意識到，他在找沒有 QRM( 幹擾 )的空隙，所以我立刻跟著也在找。找到一空隙之後，以守株待兔之勢，等他出來。

果然不出所料，他一叫便給我捉到，雖然我的訊號只有 RST559，但可確知且安心的是，我的訊號既能經這根天線射到香港，當然也能射到地球任何一角落。

這根 HF6V 爲我立下不少汗馬功勞，雖然在今天科技日新月異的時代中，已顯得落伍，但仍老當益壯，舍不得棄舊換新。

至于垂直天線和單根的半波天線，與八木、方形等定向而有增益的天線相比又如何？這得說實話，事實上，無增益的單根天線，是無法和有增益的天線相比的。但話又說回來，單根天線並不是毫無用處，通訊天候良好時，並不示弱，用 CW 比用 SSB 占優勢；只有在搶叫時會吃虧，訊號給大電台的聲音蓋沒。

但也不盡然，有很多 DX 電台同情弱小的電台，如低電力 (QRP) 及使用垂直天線者，予以優待，因爲他本人也是過來人，深知其中辛酸。

我們在回答時，可加注自己的情況，如 "KM2X QRP" 或 "KM2X WITH VERTICAL ANTENNA"，來引起對方的注意。當然在呼叫時要用些技巧，例如抓住其他電台剛好在換氣而停聲不叫時的一刹那，將自已的呼號，清晰簡明地送出。最忌的是將呼號的每一個音拉長，好似唱歌似的唱出，這會極度增加對方收聽你呼號的困難。

這次經驗說明一項事實，即常聽人說垂直天線根本不能用，這話不一定對。我個人認爲：一、垂直天線架設時要注意各項小節，尤其是地網部份，否則電能損失很大，除 1/2 波長者外。二、用 CW 毫無問題。三、由于訊號不強，QRM 及雜音易將訊號蓋沒，SSB 尤甚。四、個人通訊的技巧也很有關系。

結論
我個人對水平及垂直天線的結論是：單根的垂直天線，不論 1/4 成且 /2 波長，無法和有增益的八木、方形等天線相比，但與水平的半波天線相仲伯。二元件變相位的垂直天線 (PHASED VERTICAL) 則不太輸于二元件八木天線。

現在市售的垂直天線，已發展到多波段半波式，不需用占地的地線網，比 1/4 波長的種類多，增益、發射角度也更低 (18° )，性能相當好，價錢也就不便宜。