高增益14MHz二单元半固定式HB9CV天线制作.docx
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高增益14MHz二单元半固定式HB9CV天线制作
高增益14MHz二单元
半固定式HB9CV天线制作
李锦鸿/VR2GY,CPOBox73328KowloonHongKong
聪明的读者都可看到,包括本刊在内的世界各地的CQ杂志,其中的QSO龙虎榜,QSL卡及各渠道的消息,无需详细分析,都表明最多的QSO是在20米波的14MHz频段中进行的(依次是7MHz和21MHz)。
14MHz是各业余波段中,金中之金,是无庸置疑的,而台、港、澳的HAM亦算是幸运,只需通过较简单的考试就可使用14.000-14.350的整个20米波及使用较大功率,比较美、日、德这些业余无线电大国,要经过较严格的考试(每分钟20组CW)才能随意使用14MHz,就方便得多了(可惜仍有人只埋怨考试过严而不去努力学习)。
基于14MHz的DX优点,所以笔者在制作各波段的天线时,首先就要考虑14MHz天线,其它天线如果对其有阻碍,则通通都要让路。
要通联较多的DX电台,良好的天线处于很重要的地位,所以在架好DIPOLE天线使用后,就日思夜想地考虑怎样架设八木天线或框形天线(QUAD)。
由于笔者制作VHF/UHF商用波段八木天线已有多年,因此自然就将以前的经验改用在14MHz上。
但20米天线与2m/70cm天线的体积相差太大,在目前条件下,只能架设2~3单元的八木,因此就要从各种方案中,找出最小单元而又高增益的天线。
终于在排除方形天线这种最高增益天线(体积太大),而决定制作HB9CV这种变形的八木天线。
对于HB9CV天线,笔者首先在80年代初期北京的冯昶及陈惠琼老师的「无线电猎狐」一书中看到,当知道它有体积小、重量轻、高增益的优点后,觉得很适合香港的挤迫环境,便立刻改装应用在150-160MHz的商业波段上,效果很不错,除了高增益外,它的抗干扰能力比标准的八木天线更佳(因有高F/B比)。
1986年笔者到东京公干,在神田区的书局街找到了一本「秘岌」,就是JA1NVB饭岛进OM的「业余家之八木天线」,内文对HB9CV及各种八木天线的制作及测试方法,部有详细介绍,这对于笔者制作商用HB9CV天线帮助极大(此书近年亦有BV友台译成中爻,但可惜封面没有标示源于JA1NVB饭岛进)。
14MHz的BH9CV天线,笔者从94年开始制作,经过:
1.二单元半固定式;2.二单元可转动式;3.二单元便携式及;4.三单元可转动式等四个阶段共六组天线,而其它波段的HB9CV亦制作过多组,经验表明,在四单元以下的组台,它比标准的八木天线有较高的效能,而其实际的制作过程,亦不比八木天线复杂很多,所以很值得向大家介绍。
在参考饭岛进原文进行制作时,笔者发现:
1.很多五金配件难以找到,2.重量较大,因而3.要把天线安装在一坚固铁塔上,这样就需4.要集三人以上才可安装和测试,引致5.施工面积要求较大并非容易克服。
同时6.天线不易降下,原文所述结构不一定可抵御台风正面吹袭;7.原文没有举出三单元以上HB9CV天线的实例或计算方法。
说来亦奇怪,美国著名的天线宝典,ARRL的"ANTENAHANDBOOK"较少提到这种天线,而只有介绍LA2YH(懒汉)天线,但它与HB9CV天线并不完全相同。
由于参考数据不完全,因此唯有逐步进行实验,在摸索中前进。
相信很多OM在制作天线时,都遇到过一个困扰,就是要改变天线一个数据,所需的时间很长,例如要调整一根DIPOLE天线的长度,即使客观环境很好(阳光适中,温度理想、微风、无雨、收发机距离天线很近、XYL没有QRM等等)情况下,先把1.2-3根竹竿/铁竿放下;2.调整天线长度;3.举起竹竿/铁竿;4.回到SHACK去KEY机,上述过埋,少说亦需20-30分钟才可完成一次调整,即使整天也不一定能够完成心目中的试验。
如果天气变坏或时近黄昏,则更加手忙脚乱了。
9呎立方铝架前面之木架是为了更方便安装和测试天线之用。
把天线放在铝架或木架上。
这样可以将各个程序分开来进行,测试亦较方便。
因此决定采用以下方法来提高测试天线的速度:
1.把便携式的TS-50放在天台上测试这就不需上下来回(见本刊29期)。
2.把HB9CV的两个单元分别单独放在一个9*9*9(呎)的立方体铝架中。
当初改装TS-50成为移动式电台时,目的当然是为了户外活动,但数年来,发觉其在测试天线中帮助极大,犹胜于时下的天线分析器,因为:
1.TS-50可以测试到天线可否承受120W功率(13.8V供电);2.TS-50在FMMODE的扫描速度快过市售的几种天线分析器,因而更快找到谐振点;3.分析器易受其它讯号干扰而TS-50则无此缺点。
当然大前提是TS-50是否可以全频发射(D5)。
至于把天线放在一个9呎立方铝架或木架上的原因,是考虑这样可以将各个程序分开来进行,测试亦较方便,因为大部分业余爱好者都有正职,连续性的制作天线时间不可能太长。
整个铝架可做图1的尺寸进行装制,其中的两条构梁采用木条是因为铝质会对天线有不利影响。
其实亦可用木条做成整个立方架,不过重量较重及防水性较差。
图1:
铝架尺寸。
至于铝角的大小,如果将这组天线当作为一个过渡的实验,使用时间不会太长,尤其是不会遇上台风季节,则可使用1寸2分的,但如果要增加安全系数,则可使用1寸半的铝角。
为了使整个铝架方便移动,最好在四角加上4吋直径的有锁制胶轮,以便改变天线的方向及增加灵活性。
9呎的立方体看起来很大,但实际重量很轻,约只有7公斤而已,一只手就可把它移动(胶轮锁制OFF)。
二单元HB9CV天线的具体尺寸如图2(鸟瞰图),在这里值得一提的是JA1NVB原文中有介绍过14MHz、21MHz、28MHz和50MHz的二单元HB9CV,笔者亦全部仿制过,但有几点试验结果与原文有出入就是:
1.各辐射器及发射器的长度都要加长1-2%左右;2.相位延迟线无需使用300Ω平行电缆;3.两单元天线的增益没有原文提到的7.5-8dBd这么高。
当大家参考中文译本仿制时亦请留意一下。
图2:
二单元HB9CV天线的具体尺寸图。
上述第一点比较容易理解,原因是JA1NVB使用直径较粗的铝管(因而较重),故其辐射器及反射器的长度会较短。
而第二点则因当初用使用300Ω平行电缆作相位延迟线时,在200W以下功率是正常的,但QRO时,常见的300Ω电缆很快就绝缘破裂或与BOOM间跳火,唯有改用20A的厚胶皮单芯电源线代用,发觉在14MHz、21MHz、28MHz及50MHz都不影响原来特性,只是在补偿电容略加调整而已。
至于第三点可从以下两方面质疑:
1.市售的两单元HB9CV天线普遍都表明增益在6dB左右;2.从各方面的数据显示,两单元的HB9CV天线增益是在三单元和四单元标准八木天线之间,而三单元八木天线的增益普遍只在4~5dB左右,而四单元的则介乎5~6之间,这里虽然有dBi和dBd之差别,但相信怎样也不可能达到JA1NVB所说的7.5-8dB,而笔者测试14、21、28、50MHz的工单元HB9CV天线后得到的平均值约5.8dB。
如果各BV友台有这方面的数据或经验,请多多提出来给大家参考。
图3是辐射器反射器的结构图,照片1是辐射器;而照片2是反射器。
两者都用相同尺寸的铝方通组成,共需1.6分铝方通5呎6吋需4枝;2.5分的长5呎6吋亦4枝;3.4分铝方通长4呎的4枝;4.3分通长4呎共4枝。
图3
照片1:
辐射器。
照片2:
反射器。
上述各个铝方通,最好采用1mm以上厚度的。
它们依次可把较小一级尺寸的套入较大一级尺寸的铝方通内。
而各个连接部分可参考图4,我们先在6分铝通上约隔1cm用2.5mm钻嘴打孔,然后用3mm螺丝攻绞出3mm螺丝纹,这样便可以把5分铝通(或次一级尺寸)上紧。
更详细的说明回参考本刊32期21MHz三单元八木天线内文。
图4:
依次把较小一级尺寸的套入较大一级尺寸的铝方通内连接起来。
有些朋友提出为什么不采用美日参考书经常提出的方法呢?
原因是这样的:
1.他们有专门生产的圆铝通来供给装制天线,并经初步加工切割,而我们只能买到装饰用的铝通,其管壁较薄,故要用较厚的方通来制作;2.他们多用喉箍来连接大小不同直径的铝通的方法。
对于我们的市售铝通来说,亦可能出现问题,原因是这些铝通(圆或方都一样)经过内外阳极氧化,生成的氧化铝层较美口供制作天线用的厚得多,如果用喉箍的连接,其机械性能是理想的,但时间一长,就可能出现电气接触不良现象。
当采用攻螺丝纹的方法时,就可能先破坏较大直径铝通的氧化层,而上紧3mm螺丝时,则可攻破较小直径铝通的氧化层,而使接触保持良好(这是从以往制作商用天线得出的失败教训)。
同时,在实际安装天线时,上紧3mm螺丝有可能单手进行,而上紧喉箍时则需两手配合才能操作,这些细节,只有经过长期在不同环境下架设多次天线才能体会到的。
当我们购买铝通时,有一点要注意,就是辐射器和反射器中间部分都用两枝5呎的6分铝通连接成10呎长,如果我们在运输和装置场地许可时,则用一根10呎长的铝通会更好。
在按照图3把铝通接驳成204吋x2及216吋x2的辐射器及反射器后,还要装置两个伽玛匹配器(GAMMAMATCH),它的详图如图5,先用两枝1寸铝方通,在中心距离3.5吋左右开出四个6分方孔,大小匹配能让6分铝方通很柔顺地通过。
图5:
伽玛匹配器(GAMMAMATCH)。
再按图攻出3mm螺丝纹,这样,当套入两根6分铝遇时,上紧螺丝便可,使两者短路,松开螺丝时,便可移动1寸铝通来调整天线阻抗了。
为使距离保持稳定,所以要加入四块0.5cm厚的胶板来固定伽玛匹配器。
当完成辐射器和反射器后,就可进行实际调整。
如果支持架用木条制成,可直接把辐射器放在架上测试,如果是铝架的话,则要加上一块胶板来绝缘(照片1、2),9呎高的铝架不算太高,我们只要用5呎高的「人」字形木梯(不宜用铝梯),就可轻易将小于2公斤的辐射器装在支架上,这时反射器应放在5公尺以外,并应与辐射器成90度放置,以免干扰测试结果。
然后用RG8U电缆连接天线与收发机,如图6。
这时应使用10W以下的14MHz讯号测试,观察进行功率与反射功率(或SWR),在改变收发机的频率后,应该可以较易地找到辐射器的谐振频率,理想时应在14.150MHz附近,如果过低则减短天线长度,人高则伸长,不消两三回合,应可顺利调好。
但要注意上述步骤只是调整谐振点,阻抗则仍未调好,故SWR有可能会较大,但此时无需理会。
图6:
反射器应放在5公尺以外与辐射器成90度放置,然后用RG8U电缆连接天线与收发机,再使用10W以下的14MHz讯号测试,观察进行功率与反射功率(或SWR)。
接着把辐射器取下,放在5公尺以外的地方,然后用同样方法把反射器放在铝架上,调整其谐振频率应落在13.9MHz上(收发机无发射时可用14.00MHz),这时反射器便正常及应继续固定在支架上。
跟着,把辐射器放回原位固定,至此,一组二单元的标准八木天线已呈现眼前。
HB9CV这位OM(瑞士人RudolfA.Baumgartner)则别出心裁地从辐射器分出一部分高频电能输送到反射器上去,从而大大提高天线的效能。
至于辐射器与反射器间连接的方法,由于距离为1/8波长,为了避免多余及有害的辐射,应用电缆连接为宜,同时又要考虑到伽玛匹配的阻抗调节,所以实际使用多为300Ω的平衡电缆。
因为现在现有的少量的FM广播及黑白电视机均采用300Ω电缆连接,因此亦很容易找到,这时,应先在辐射器和反射器的中点与两个伽玛匹配端先钻2.5mm孔再攻出3mm螺丝纹,跟着在300Ω电缆焊上(不要用平常的机械性夹紧方式)四个接线耳,按照图7的方法把各线耳用3mm不锈纲螺丝上紧在反射器、辐射器和伽玛匹配器上。
图7:
把各线耳用3mm不锈钢螺丝上紧在反射器、辐射器和伽玛匹配器上。
如果我们追求天线的半功率方向图尽量完美均匀时,300Ω电缆的扭曲部分,应在全长的中点反转。
有些地区经常刮大风,如担心300Ω电缆强度不够,可用尼龙绳缚紧在反射器和辐射器中点,然后用胶布把300Ω电缆缠紧在尼龙绳上。
制作过程到此地步,又有另一主角出现,就是可变电容器的处理方法。
很多OM在试验制作八木天线时,经常都过不了这一关,原因是:
1.中大功率的VC难找;2.买到亦难调整;3.调整好后亦经常发生故障(SWR很易劣化)。
上述各点中,第2点由于本天线是放在9呎高的铝架上,以及笔者采用TS-50去调整,所以是轻而易举的,而各OM将天线架在铁塔,调整就较麻烦了。
第1点中,大功率VC由于市场狭窄,因此价钱较高又难买到,到美日去定货则交货期较长,笔者则由两个途径解决:
1.自行制作大功率VC;2.用半固定VC代替。
前者的功率可以做到很大,调整亦方便,但体积及风阻较大,制作过程亦复杂;后者则较易制作,但调整步骤较多。
考虑到大部分HAM的发射功率很少超过300W,因此向大家介绍一个既便宜又方便制作的方法。
现时AM收音机的小型塑料VC仍然是很易找到的,它的容量可达350P,短时间测试时30~50W的功率应能应付,我们可以按照图7的接法,把收发机、SWR表、小型VC及天线连接起来,用14.150左右的FM讯号约30~50W去KEY收发机。
由于笔者把TS-50放在天台上,并制作了一根MIC的延长线,坐在木梯上去调整,一手KEY机一手调整VC(戴手套j,不消一分钟就可把SWR调到1:
1.2以下,爬下木梯再观察一次,SWR亦未变劣,便可把小型VC拆下,在多用途万用表的电容档便可测出其电容量,这种万用表现时价钱很便宜,只及大功率VC几分之一,是很值得添置的工具。
经几组不同的14MHzHB9CV天线测试,其容量都在80-150PF之间。
跟着,用一块12cm的方形双面印刷底板,厚度约为1.6mm,在两面的中点都焊线,接到电容计去量度,其容量应在150PF左右,再在双面铜板的一面(无需两面)按照图8的大概尺寸,把铜膜用小刀分割成几个小区,彼此绝缘,跟着再量度电容量,应在70-80PF左右,然后用焊锡或导线依次把各小区铜膜与大铜膜连接,则电容量便会逐渐增加至150pF左右,其步进大约10-15PF,根据这种情况,我们便可大概地得出心目中所需的电容量了。
图8。
把这个自作派半固定电容再放回天线进行实测,如有石油气式或12V电烙铁,更可再增减一级电容量以致达到最佳SWR。
这个电容器的功率受双面底板的质素影响,但即使用最普通常见的纤维底板,亦可通过300W左右的功率,应可满足一般需要,同时重量及风阻亦小,可直接焊在伽玛匹配上而无需再加支持,更由于结构简单亦不必再加保护罩,除非有鸟粪直接落在两片铜膜中的纤维板上,否则无需顾虑风雨冰雹。
至于很多数据介绍用VC调好SWR再用塑料盒保护VC的方法是很不可靠的,原因是:
1.塑料盒经长期曝晒及风雨侵袭,半年内就会破裂入水而使VC绝缘度降低及容量变化,进而降低Q值及发热,天线整体效率就大为降低,但SWR未必变得很劣,使您忽略问题真相而使100W机器变成QRP了(高频功率变成热能);2.即便不掺水,VC的镀银片亦会氧化变黑,动片组与接点的阻力慢慢增加,同样会消耗高频功率变成热能,反过来VC发热亦会加速氧化而使问题恶化。
因此,即使我们真有成品VC可用,调整好天线后,亦应把接线直接焊在VC的动片上,而不应连接原来的动片出线口。
由于上述的整个调整过程是逐步进行的,即辐射器和反射器分别早已调好才最后总的组合调整,因此成功率是很高的,如无意外,SWR应可调到优于1:
1.2。
但任何天线的优良判别,SWR只是次要因素,最重要的是其辐射效率及半功率夹角、F/B比等,可惜要测量这些参数,要较长的篇幅及动用较多仪器,在这里就不再描述了。
这组两单元的HB9CV天线,增益约为5.5dBd,而半功率夹角变为60度,前后比约为20dB。
香港的确是个福地,当把本天线对向上海方向时,日韩及美国最多HAM的西岸5、6、7区、加拿大西部、加勒比海、南美洲都有最大的增益,而半功率来角亦包含武汉、北京、台北、关岛、美国东岸、北欧等地。
而当把天线架推向新疆省方向时,则独联体、欧洲等又有较强讯号了。
然则澳洲、菲律宾、马来西亚及高雄等不就很弱了吗?
事实上又不然,因为本天线的前后比需虽然是约20dB,但比起垂直天线其噪声是小了很多的,所以天线指向上海时,马来西亚、斯里兰卡、菲律宾一带讯号,通联起来的成功率亦比垂直天线稍优,而当指向欧洲时,澳洲的讯号亦极易收到,不过印度、非洲等地的电台,讯号就较弱,这时就要特别把天线架移向西部了。
把天线放在一个9呎架上的方法,看起来很可笑,但各位可以细想,上述过程的施工较易,方可分阶段进行,结构简单而坚固,防台风能力强,最大的缺点是移动方向不便而已,高度亦稍嫌不够,但却可为以后的天线制作创造良好的基础。
照片3
当制作好半固定的14MHzHB9CV天线后,按着就是安装10米高的7MHz垂直天线(照片3),因为9呎铝架可整体移动位置,所以不影响10米高天线的制作,到此地步,连同先前已做好之21MHz三单元八木天线,在业余波段中的三个主要部分,40米、20米和H米波,都有全长无TRAPCOIL的天线,因此捉DX电台就有相当的收获了。
对于将这组天线改成可360度旋转,曾经想过几种方法,但都决定不了,原因是:
1.市售的铁塔太重恐楼宇承受不了;2.邻居对笔者的天线早有微言,再加铁塔,必定抗议;3.除非是可升降式的铁塔,否则维修或改进天线的工作就很困难,但这种铁塔体积和重量更大。
但是经过几次特别的QSO后,促使笔者下定决心在天线中加入旋转器(ROTATOR)。
某次在14MHz摆开CQ阵势后,有一VK3澳洲电台响应RST约539,由于天线指向北方,转动需时,唯有改用垂直GP天线,RST变成559(证明HB9CV天线有较佳方向性)。
在交换QTH后,VK3电台送出一连串.-...(AS请等待),跟着电平表一直上升,由569直至589为止,证明VK3电台在转动天线,跟着再介绍他的天线亦是商品的二单元HB9CV天线,然后再互盖橡皮图章而散。
此外与很多日本电台通联时,在交换QTH后,都发觉他们的讯号强度会很明显地慢慢上升,这就证明对方不是QRO,而是转动天线的结果。
这种讯号强度的逐渐上升感觉与VHF/FMQSO的味道是很不同的,虽然两者都可使天线转方向,但VHF/FM通常都处于静噪抑制状态,而HF则通常都把SQUELCH全部释放,因此对讯号强度就特别敏感。
但是既要天线转动,又要重量轻,更要考虑邻居因素,还要使天线容易升降等,就要从天线本身重量及铁塔结构上考虑。
花了几个周末在金属材料供应的地方转了多次后,终于发觉在3分铝管之下,还有2分铝管、3mm铝枝和2mm铝枝可以买到,后两者原来是用来烧铝焊用的,重量很轻,于是就立即买回来,将辐射器和反射器改造,取6分的铝方通,改用5分的代替,余此类推,更由于多两三个尺寸铝管和铝枝,在只取消6分的情况下,5、4、3、2分等各铝管的长度,便可相应减短6吋至1呎,因此辐射器和反射器的重量便可降至1公斤以下。
按着用6分铝方通,依照片4及5的形状把辐射器和反射器支持起来,一量之下,总重量连同3呎垂直部分的铝方通只有4.8公斤而已(是否最轻的14MHzHB9CV天线?
),至于具体尺寸,相信聪明的读者在照片4、5中已可找到,无需再浪费篇幅了。
照片4:
伽玛匹配下之黑点是双面PCB电容。
照片5
在铁塔方面,由于天线这么轻,所以先用手上剩余的木枋,做了一个4呎的立方架,如照片B下半部,来试验一下稳定性,发觉情况亦算理想,再购一个最廉价的ROTATOR来驱动,亦能转动自如,但是木枋重量亦大,防水性亦差,因此就改用铝角做一个稍大的4呎半立方架来取代木架,这个铝架就是本刊32期21MHz八木天线那个,「包括把天线升降的三个不同尺寸的铁喉管」,如果大家没有那期CQ杂志,就赶快补买一本吧。
HiHi
采用上述装置后,可单凭一人力量把整根天线由5呎高升到约14呎高,要维修或改进天线就十分方便了。
当天线可360度转动后,更大为增加QSO的乐趣,捕捉DX的能力亦大为增加。
在转动ROTATOR时,本天线可明显地把北京、台北、高雄三地的讯号区分出来,而台北与上海、东京与汉城等,由于夹角较小,分别则不大。
香港市区内的噪音电平是十分高的,既然二单元的HB9CV可以做得这么轻,自然就再做一枝装拆容易的带到郊外去过过瘾,在许多HAM的帮忙下,终于带了一根便携式的HB9CV到700公尺的山上去架设(照片6),当日亦是为了配台中日俄韩的VHF/UHF测试,活动的详情参看本刊34期,但可惜日本传送的工作频率14.375MHz根本就离开了14.000-14.350MHz的业余波段,结果当然石沈大海了。
照片5
二单元14MHzHB9CV天线。
幸而山上QRN较少在14MHz的DX通联亦颇有成绩,天线的方向性亦很明显。
当中还有一段插曲,就是在晚上11时左右,天线指向欧洲,在众多579,589的讯号当中,突然听到一个HB9C?
,强度在559左右,精神当时为之一振,以为是HB9CVOM出现,便弃其它强讯号不顾立刻回答,听清楚原来是HB9CD而已,唯有依例盖其橡皮图章。
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