半波天线.docx
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半波天线.docx
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半波天线
HAM界發燒友中使用的天線,種類繁多,各有特長,也各有短處。
但如果歸納起來,則以基本的水平架設的半波天線最具權威性;簡單、易裝、實用,效能又相當優越。
各種其他型式的天線,定向或不定向者,都以它作為性能比較的準繩基礎(亦是dBD的來由)。
瞭解半波天線,舉一反三,對其他型式的天線的性能,也可在掌握之中。
第一章
简介
「半波」天线的英文是"Dipole",依字面解释是「二极」的意思。
有人称为「偶极」天线,都是同一品种。
「半波」这个老叫法,是根据其长度为一个波长的一半,求其直接易懂;和「半波」二字较易上口,并无特别意思或玄机在内。
半波天线大多都是做水平式架设,也就是今次我们要谈的。
半波天线也有做垂直架设的,由于它的放射特性和水平式者不同,输送线(Feeder)要特殊处理,今次暂且不谈。
业余波段中,最引人入胜的短波(HIGHFREQUENCY)波段部份,自160公尺至10公尺,共八个波段。
其中以20公尺波段最为人所喜爱,为方便起见,今次就以20公尺为例说明,遇有特殊情形时,将再作注明。
一个20米波长的电波,它的长度由头至尾是2O公尺,如图l。
「半波」便是整个波长的一半,即10公尺。
电流和电压的分布
图2是电流或电压在半波天线上,瞬间分布的情形;天线的中间,电流最大,电压为零。
天线左右的两端,情形刚好相反,电压最高、电流为零。
这说明两点:
第一,天线发射的主力部份在中间,因该处的电流最大。
第二,根据欧姆定律,中间部份的总阻(IMPEDANCE)也最低,约在70欧姆左右。
在天线的两末端,总阻在数百欧姆左右,而该处电压则最高,电流最低。
明了此两点,便可了解各式各样输送电力至天线的接法及其基本理由。
天线发射角度
天线另一重要特性是电波射出的角度(ANGLEOFRADIATION,或WAVEANGLE)。
发射角度距离地面越小,射程越远,是为捕捉DX的主要条件。
水平架设的单支半波天线,也即是最基本的天线,它的发射角度与天线的构造无关,直接有关的是天线架设离地的高度。
因为,地面会将电波反射,不同的高度,反射的程度不一样,也就影响到电波射出的角度。
图3内A,B,C,D,E,F及G表示天线在不同高度(以波长为单位)时的发射角度。
图3A是天线高度在1/4波长时(20公尺波段即离地为5公尺高),大部份电波在原地向上冲,部份向两旁散出,经电离层反射回地面,如是者往复在原地踏步,不射向远处。
图3C是天线离地1/2波长的情形(20公尺波段,天线离地10公尺),发射角度便达30度左右。
根据很多HAM友的经验,这角度是远距离通讯最低的要求。
在实际应用时,还要顾到地质和环境因地而异的因素,有时虽然天线离地10公尺,但对电波而言,则未达1/2波长高,因而仍叫不到DX;这时如将天线加高仅1公尺,效果可能会立即不同。
图3B即表示此情况。
天线离地3/8波长(20公尺波段,即天线离地7上公尺高),电波仍在原地徘徊,不去远处。
图3D是天线在3/4波长高(20米波长即为15公尺高)的情形,电波分为三瓣,左右二边的波瓣降低至20°,这有助于DX通讯,可惜有大部份电波直上云霄,变成浪费。
如果将天线高度升至一个波长高,如图3E(20米波长即为20公尺高),电波就会分为四片,左右各二,最下面的波瓣,角度再降至15°,更有利于DX通讯,但是上方的波瓣角度达50°,有利于近距离通讯,但对DX而言则变成是一项损失。
图3F及图3G是天线1又1/2,及2个波长高的情况。
天线越高,最下层的波瓣角度越低,波瓣数量也增多。
在业余无线电界来说,天线应尽量架高,至于因高角度波瓣所造成的电能损失,反为没有人去理会。
在实际架设时所选用的高度,尚要顾及坚固、安全、狂风暴雨等因素。
电能的输送
余下的一个问题,是如何将发射机的电能,有效地输送到天线上去。
一如将电能输送至电灯泡,灯才会亮;110伏的灯泡要配用110伏特的电,220伏的灯泡配220伏的电,否则不是灯泡不会亮,便是烧毁。
输送高周波的电能至天线,所要配合的是总阻(lMPEDANCE),总阻是直流电阻加上交流电阻的总合。
上一章第2图处已说过,半波天线的中间部份,其总阻值是70欧姆,假如在此点接上一根双导体的电线,它的总阻也是70欧姆,这样,天线的输电点总阻(FEEDPOINTIMPEDANCE),和输电缆的总阻(FEEDERIMPEDANCE)便完全配合。
经此电缆输给天线的电能,天线会全部照单全收,没有电能打回头,此时输电缆上的驻波比(SWR)是1.0。
假如这时天线中间的总阻,由于变更发射频率,或附近建筑物等的影响而变动(为方便说明起见,假定变为80欧姆),天线和输电缆的总阻,便不完全配合。
此时有部份电能,会从天线上反弹回来,驻波比指数便不是1.O了。
再假设天线的总阻不变,仍是70欧姆,若接用52欧姆的输电缆,同样不匹配的情形也会产生。
在实际使用上,半波天线采用52欧姆的输电缆,负面效果并不显著。
在任何情况下,只要驻波比不超过1.3(最大也不好超过2以上),都不成大问题,也不能时时都可以要求十全十美,非要SWR1.0而大兴土木不可。
有很多影响驻波比的因素无法测知,也很难更正,为求SWRl.0,往往白辛苦一场。
驻波比数对应反射电能的数据可见下表。
驻波比数SWR
向前电力(瓦特)
反射电力(瓦特)
1.0
100
0
1.1
99.8
0.2
1.2
99.0
1.0
1.3
98.3
1.7
1.4
97.4
2.6
1.5
96
4
2.0
90
10
2.5
84
16
3.0
80
20
3.5
76
24
4.0
73
27
5.0
69
31
表
(一):
驻波比在2.0以下,可安全使用;2.5则勉强;3.0以上,则可能会烧机.计算电压定在驻波比的公式如下:
天线输电点的总阻和输电缆的总阻配合好之后,即上一章所说,两者都是70欧姆左右,就不需要加装「天线调节器」(ANTENNATUNER),更不需要在天线上加装「配合线路」(MATCHINGNETWORK)。
但不要忘记加装「低周通滤波器」(LOWPASSFILTER)和使用「驻波表」(注:
如果工作频带在VHF及UHF的话,则可考虑在测试完后把驻波比表由系统中移除以减低功率损失),以明了天线工作情况,抑制电波干扰邻居电视等。
半波天线虽然也可以用300-600欧姆的双线平行或梯形输电缆,但要用「配合线路」或「天线调节器」,或其长度要配合波长。
再者,它不似同轴电缆(C0AXIALCABLE)的紧密,电波会从输送线上漏出,造成干扰,非不得已,不用为上策。
天线工作范围举例
拉一条天线,首先要决定工作频率。
以20米波段为例,整个波段的范围,是从CW的一端14.00OMHz到SSB的另一端14.35OMHz为止,一共是35OkHz阔。
依数字来看,天线长度也即是谐振点,应设在中央部份,即14.175MHz处,希望前后都可照顾到,可是在实际上,350kHz的范围相当阔,若要头尾两端的SWR,都在可用而无害的范围内,恐怕不易办到,所以要做各人的需要,放弃一段CW或SSB的频率范围。
如果鱼与熊掌两者都要,并且对捉DX有特殊喜爱,则可将天线谐振点设在14.l00MHz附近,这样便可包含DX电台最喜爱的14.025,也包含大部份SSB的周率,所损失的仅是SSB最高端的一部份频率而已。
如一定要用该部份的周率,则可加用天线调节器来补救。
本文所指一条天线的可用范围,是指在某一频率范围内,例如14.000至14.300MHz,SWR不超过2.5以上,否则发射效率非但低,并且从天线反弹回来的电波,会打坏发射机的后级放大。
天线的长度和调整
天线的长度可依下列公式来决定:
在剪线时,剪得稍长一些,以利调整,因为将线剪短比加长容易得多。
天线尾端的处理可如左图4,甚为好用。
天线支柱的顶端宜加装滑轮,方便拉上拉下。
天线在地面制造好后,拉上支柱顶,测看其谐振点,是否在所设计的频率上;这时可将发射电力降至lOW左右(即酌量QRP),接上天线,并测从14.000至14.350MHz每隔5OkHz的SWR,
将SWR读数写在纸上,如下表的例子所示,不要单靠记忆。
留下SWR的记录,日后有问题时可以用来作参考。
频率MHz
第一次SWR
第二次SWR
第三次SWR
14.000
1.4
1.8
2.1
14.050
1.6
1.5
1.7
14.100
2.0
1.7
1.5
14.150
2.2
2.1
1.7
14.200
2.5
2.4
2.2
14.250
2.8
2.6
2.3
14.300
3.0
3.0
2.5
14.350
3.7
3.4
3.0
第一次读数表示天线过长,因其最低的SWR在]4.000边缘,剪短些少后,第二次读数得知谐振站在14.050处,14.300处SWR太高,表示天线仍然过长了些,再剪去些少,复量SWR,读数如最后一栏所示,天线的谐振点在14.100处。
14.000处的SWR是2.1,可用;14.300处是2.5,勉强可用;14.350处太高了,要加天线调节器,或不用该段周率。
多波段的半波水平天线
单波段用的水平半波天线,也可改装为多波段半波天线,如图5。
其方法是截剪适合所需各个波段长短的铜线,用绝缘物,如塑料片之类,挂吊在最长的一根天线下。
这数根长短不同的天线可共接上同一根输电缆。
图5的例子,最上的一根用于7MHz,中间的用于l4MHz,最下的用于28MHz,2lMHz波段可和7MHz的一根共享,因为7MHzx3=2lMHz,无须另制。
多波段的水平天线,也可用「截波器」(WAVETRAP)来达成,但不易简单制成,所以在此不谈。
倒-V式天线
架设水平天线,要用二根支柱,且要用拉索以防支柱倒下,架设不太容易,也占地甚广。
有人改用一根支柱,只将中央部份吊高,两边向下垂,如「倒-V字」形,经业余界使用多年,证明其效果相当好。
架设要点如图6,其中央部份的高度,应高于1/2波长,以求其发射角度低于30度;发射的电波则属垂直性极化(VERTICALWAVE),有利于DX通讯。
天线两侧的高度逐渐降低,该两侧发射的电波,有利于近距离通讯。
这确是一根远近皆宜,架设容易的天线,特此介绍。
「倒-V式」天线,因其两端倾向地面,钢线实际的长度,依公式的长度减短3-5%,其中央输电点的总阻,也以同理降至50欧姆左右,更配合编号RG-8的50欧姆的同轴电缆。
「倒-V式」天线,也可加挂不同波段的铜线,作多波段用。
架设「倒-V式」天线的中央支柱,要用非金属物体,最起码,最顶端二、三公尺处不用金属体,用结实的PVC通或尼龙棒都非常理想。
二天线架设的地点
架设任何天线应远离电力、电话线,即使在倒下的距离,彼此不能相碰,为最低要求。
业余天线要尽量架在空旷、四野无障碍物处,如迫不得已,天线与建筑物之间的距离,不要少于七公尺。
爬铁塔对业余无线电同好来说,都是生手,这需要有训练的专业人员来做。
如非不得已,一定要系上安全带,即使是粗麻绳,也比不用好。
生命太可贵了,万万不可逞强或疏忽。
73!
编者按:
上图由于可能只是用自由手绘关系,各小图及波形间未必全合比例
邪恶动态图o2k0O2QDcoDL
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