自製 10dbi 小型高增益天線, 不到 nt200



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山賊
2005-08-31, 08:03 PM
山賊君:"相位變換尾巴"這個詞源自

您說的是 "PHASE REVERSING STUB", 也就是像下圖的這個是嗎?

 |
 +------+-------
        |
 +------+-------
 |   可調位置短路線

這個要從傳輸線說起, 開路傳輸線與閉路傳輸線都會反射原本在傳輸線上的信號, 故對信號原來說, 反射信號與原本信號間, 因為開路或閉路傳輸線的線長, 而呈現電感性, 電容性, 全開路, 短路的特性組抗來..

您也可以把它當成單一電流迴路, 因為是迴路, 信號流經其上要花費時間, 故在另一頭流出時, 會比直接連線要多延遲一段, 等於相位就不同了, 如以下延遲 120 度圖例:


   |
   ↑      90
120+--←----←----←-+
          30      ↑60
  0+--→----→----→-+
   ↑
   |  六分之一波長平衡傳輸線

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mylcq
2005-08-31, 08:42 PM
山賊君:是的像,您能不能上"http://www.qsl.net/bv3f/及http://home.kimo.com.tw/bv3fg.tw/ant/multi.htm??"幫我看一看《水平與垂直天線如何選擇》文章?

山賊
2005-08-31, 09:06 PM
這兩個我都連不到咧......><"

soofo
2005-09-01, 10:50 AM
來一份,謝謝!
soofo@163.com :D

all600
2005-09-01, 11:18 AM
與樓下重覆,刪除!

mylcq
2005-09-01, 11:49 AM
山賊君:我將這篇文章發給您請參兌.
《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。

山賊
2005-09-01, 02:34 PM
嗯! 從文章描述, 可以確認這裡所指的 "相位尾巴", 就是 PHASE REVERSING STUB..

以電離層反射電波來達成通訊, 這在短波遠距離通訊是必備的手段, 因此主要波束輻射角度, 在到達電離層後被反射, 能否到達通訊對象所在區域是非常要緊的事; 因為有效反射的電離層高度, 是隨著時間而變化, 有週期性的高度變化的主要因素是太陽的照射與否; 白天有太陽照射, 較低層空氣可因太陽伽瑪射線與帶電粒子而解離, 形成電離層, 等於電離層高度降低; 晚上低層電離層因無太陽輻射而消失, 剩下高層電離層, 等於電離層升高; 另外每十一週年為一期的太陽黑子也是幾可被預期的, 除此之外, 非預期性的太陽閃焰也可影響電離層..

一般來說, 波被反射的次數越多, 衰減越快, 故仰角角度較高的波, 在到達通訊對象時, 被反射的次數會較低角度的波來得多, 故短波遠距通訊多半會設法獲得低仰角度的天線輻射..

也因為電波是被反射到達彼方, 故中間被跳躍過的地區反而收不到, 所以適當的天線幅射仰角與天線波束角是相當要緊的; 而天線波束角越窄(天線增益越高), 因而導致被照射區域範圍較狹小, 輻射仰角的精密性要求就越高, 也因為電離層高度隨時在變化, 變成若天線波束角太窄, 反而容易因電離層高度變化, 反射不到欲通訊的地區; 所以短波電離層通訊, 不是天線增益越高越好..

以往短波遠距通訊, 為因應電離層高度變化, 多採用變更所使用頻率的手法; 利用同一天線在不同頻率時, 有不同的波束角與仰角, 來應付不同高度電離層所需的輻射仰角; 現今因為電腦科技的發達與天線相關知識的增進, 相位合成法已開始被採用..

如前面所介紹, 利用兩組天線輸入不同相位的信號源, 可以調控天線輻射角度, 故若通信雙方都裝設數組檢測天線, 便可即時通知對方變更天線輻射仰角, 這一切可以自動化達成, 原理如下:

     電離層
  禳禳禳禳禳禳禳禳禳禳禳禳禳禳
    ↗↘    ↗↘
   ↗  ↘  ↗  ↘
  ↗    ↘↗    ↘
 A1A2A3       B1B2B3

電波從 A 端主天線 A2 輻射而出, 經反射到達 B 端, B 端佈建 B1 B2 B3 三組天線, 若電離層高度偏高, 波束將往 B3 移動, B3 所接收到的強度開始增加, B1 開始減少, 此時 B 端可通知 A 端, 升高輻射仰角, 如此反射波就可被調回到 B2 天線; 反之若電離層降低, 反射波束往 B1 移動, B1 信號強度增加, B3 開始減少, 此時 B 端就通知 A 端降低輻射仰角, 如此反射波束就會回到 B2, 當然 A 端也可依此方式通知 B 端變更波束仰角; 這些動作可被自動化, 在頻譜運用效率上, 也因不需更換頻率, 而大大地提高..

因此就我的看法, 倒也不必拘泥於用水平極化或垂直極化, 取用適當的波束仰角與波束角, 讓電波能通達對方才是最要緊的..

mylcq
2005-09-01, 03:59 PM
取用適當的波束仰角與波束角, 讓電波能通達對方才是最要緊的..具體做法怎樣?還是按您所講的哪樣嗎???

山賊
2005-09-01, 09:54 PM
是呀! 就按照之前推出來的式子, 例如取天線相距 1/4 入, 改變其中一組天線激勵的相位, 譬如輸送到右側的天線, 延遲相位從 90 到 0 度, 自然就能控制波束方向從朝向水平到天頂來掃描, 通常會有數個角度是都可以通達對方的, 當然仰角越高, 代表反射次數越多..

至於波束角, 您可以這樣想像, 以前面所舉的兩組天線為例, 倘若是三組天線, 四組天線, 甚或是六組天線來合成該波束, 是不是可以得到受控的波束角寬度? 且一樣可以控制仰角, 這種技術, 就是相位陣列雷達的應用技術..

mylcq
2005-09-02, 05:40 PM
山賊君:您好!在BABY antenna 天線上加上1/4入或者加1/6入傳輸線的相位變換尾巴,能不能保證低頻電感量,加載電感後對相位是不是還有調整作用。請舉一個5MHZ baby loop antenna 加相位變換尾巴的實例好嗎!