TA的每日心情 | 開心
2013-11-14 09:39 |
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簽到天數: 5 天 [LV.2]偶爾看看I
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本帖最後由 BX3AC 於 2012-12-6 17:13 編輯
如果你的無線電機想要裝兩隻天線.你第一想到的東西是:
(圖一)
還是這個:
(圖二)
在無線電的術語中把兩組以上的天線裝在一起,一般我們稱堆疊(stack) 也有人說是天線陣列.但是後者的使用方式跟堆疊還是有點不太一樣.業餘無線電的安裝以堆疊的情況比較常見.
為什麼要堆疊?最主要有兩個原因:
第一獲得更大的天線增益,天線的增益會隨著天線的大小成曲線放大.在單一天線上無法達到最理想化的數據.所以最好的做法就是把相同的天線(也可類似規格)以水平增加或是垂直增加天線數量的方式來提高天線的效能.
第二改變天線的輻射仰角.這個有點抽像...這個在垂直天線的架設上看不出效能.但是在HF波段就非常明顯.尤其電波經過電離層跳躍之後.原本無堆疊的天線通訊盲區會因為使用堆疊天線盲區縮小或消失.
天線堆疊之後.一個無線電的訊號要平均分配到各天線.必須中間要加裝一個分享裝置.以前我看過有人用圖一的T型接頭.這個能用嗎?有人說用75歐姆的同軸電纜配合天線的頻率調整到電纜長度就可以了.圖二是輸入端跟每個輸出端都50歐姆匹配的分配器(antenna deviders).每個輸出端可以直接接上天線.不用擔心匹配的問題.但是不管你用圖一或是圖二都會遇到一個問題.那就是頻率!
因為把訊號平均瓜分必須考慮每個輸出端的阻抗仍是維持在標準的50歐姆.又不能在這個點將RF訊號散漏出來...所以就必須把頻率設計到分配器當中.說到這個我想大家應該都知道我要說什麼了....沒錯 沒有同時存在VHF跟UHF的分配器.如果要把自己的天線堆疊再一起.能做的方法就是在無線電機的RF輸出端就必須先以V/U duplexer(圖三)雙工器將所謂的144Mhz跟430Mhz訊號分開.各自處理各自的分配,然後在每個堆疊的天線的路徑端再將V/U duplexer反接. 把兩個波段再整合再一起到天線.但是因V/U Duplexer的插入損失實在太大.所以很多使用堆疊的人在無線電機後面將頻率分開之後.就個別堆疊不同頻段的天線.不再整合再一起.
VHF/UHF Duplexer雙工器 或是稱CROSSBAND COUPLERS跨頻帶耦合器
(圖三)
以下我盡量引用我自己的圖...但年代久遠.本身電腦已經沒留底.有些清楚圖片但是牽涉到使用者發布到網站(雖天線是我架設),為避免爭端只好放棄.以下圖片部分從中華民國業餘無線電促進會的歷史網站裡面我上傳自己活動設備圖片來引用.本人並未知會.如果促進會裡面管理人有異聲.本人將立即刪圖.
我們平常看到的基地天線是採用垂直堆疊 我家屋頂之前裝的
業餘無線電則是水平+垂直堆疊 此圖會陸續說明
以下為12/4增加部份
當我們今天決定要使用天線堆疊...該使用水平堆疊 還是垂直堆疊呢?因為波長關係著天線的外型.所以討論這個的時候有時候VHF/UHF跟HF會混在一起講.但是部份情況又必須分開講.我們堆疊的情況大概可以分成四種:
第一種是水平垂直堆疊:
圖中的兩組318C是垂直堆疊 但是因為我是把所有天線並在一起 某些時候跟218U是算水平堆疊
這個是通用於VHF/UHF HF的堆疊方式...他的架設目的是改變天線的輻射仰角,但並不會改變天線水平方向的半值角(白話的說法就是指向天線的尖銳度).在VHF/UHF的天線因為我們都架的高..基本上都超過天線波長數倍了.輻射仰角幾乎不用拿出來討論.但是在50Mhz或是少部分的VHF/UHF天線仍可看到這樣的架設.在50Mhz天線,這個天線不算小,若要垂直架設有一定的困難度(全向垂直天線除外),因為追求高增益,垂直天線也少有人使用.加上歷史共頁--->追求水平極性一致.所以將50Mhz天線上下堆疊成了慣例.144/430的指向天線水平堆疊是慣例嗎?既然輻射仰角不用考慮,半值角也沒變...那還有什麼改變?避周遭的垂直訊號效果改變了.採用水平架設的天線若將周遭電臺的垂直天線訊號視為干擾...那這個落差將有20dB之大(換算成功率是100倍).在早期我認為這有點不可思議而且荒唐...但是換個方式去想,水平跟垂直的訊號差會有20dB加上同一個極性(水平對水平 垂直對垂直).就會變成追求遠距離通訊(DX)的基本要件.因為大家"想要遠",所以都會這麼做.
第二種是水平平行堆疊:
參考上圖
這種天線其實144/430比較多使用,但幾乎還會加上垂直堆疊.水平架設因為考慮到天線波長與架設鐵塔.主桿的距離(晚點會討論).機械強度...等等.實在很難找到堆疊兩組天線的水平架設.水平架設的天線輻射仰角不會改變,但會改變水平面的半值角.意思是更尖銳了!!!
第三種是垂直水平堆疊:create2X209A
這個在50Mhz以下幾乎看不到這樣的架設(垂直天線除外).但常用的144/430常常看到.這樣架設的天線輻射仰角不會改變,但是水平面的半值角會越尖銳.
第四種是垂直垂直堆疊:
參考YDAF1382
這個天線設計本來就屬全方向性的天線.加上垂直堆疊之後.半值角不會改變,輻射仰角會變更低--->VHF天線在垂直架設對近距離有較佳的通訊效果.增加增益的堆疊更強化了該天線的性能.
上面的說明同樣的套在多組天線的架設...雖然在安裝上會有些許不同.但主要功能仍不會脫離上面敘述太遠.
既然採用天線堆疊方式來提升天線效能...那天線跟天線之間要距離多遠呢?很多人大概都會說天線離障礙物超過1/2波長就可以了.雖然這個說法被很多人認同,我自己本身也認同.但是有時候天線的設計必須要以1/4波長或是全波長的距離來安裝.但是最好的距離並不是1/2波長.而是越遠越好(距離越大,堆疊的效果增益越大(但整體增益不會多超過3dB.後面會說明),但相對的主波增益增加,副波增益也會跟著增加,意味著雜訊跟著放大)又因為架設的條件,電纜的衰減等等.基本上大多數的使用者會把5/8波長到一個波長當做最佳效能的架設.
上面有個特別的情況又不能以波長的距離當做考量.就是當天線的主桿長度超過一個波長(144/430以上的天線最常遇到)或是水平架設的天線彼此的距離.前者就不能以波長當做天線堆疊距離的計算參數.而必須以主桿的長度1/2以上當做距離參考.舉例來說:有兩支長度6公尺的144八木天線想要垂直架設水平堆疊,那兩個天線的距離就要超過3公尺.而後者水平天線水平架設的情況,兩天線間的距離計算就不是以主桿間的距離來算.而是以兩天線的單體末端距離來計算.基本上要超過5/8波長.
我這邊有個很明顯的例子可以佐證,日本的create antenna 144Mhz用的2x209A 中間的桿子距離是1.04m 而其實早期有出一支2x209w 間距剛好是2m左右一個波長的距離,而後者在官網的數據硬生生比2x209A多了一個dB.當然也因為這會天線貴了一點..但其實每個天線主體都是一樣的...這個可以讓各位想要堆疊144Mhz的人一個參考數據
上面其實主要談論的是八木天線(Yagi antenna)的堆疊架設.那垂直天線怎麼架設?在此.因為VHF以上頻率的天線跟HF(30Mhz)以下在電波傳遞上明顯不同.前者是靠直線通訊,後者是靠電離層反射.直線通訊穩定就不說了,後者經過電離層反射之後,電波的傳遞方式已經亂七八糟.結果就是造成一種所謂偏波相位改變的情況.所以有時候架設單一天線會因為相位衰減而收不到訊號(注意~這不是垂直天線才會有這樣的情況,水平架設,垂直堆疊的HF天線也會發生...我之前沒有講是因為正常會玩這樣架設的人,基本上會多加架設垂直天線堆疊來補償這個問題).為了有效對抗這種因為相位問題產生收不到訊號的情況.堆疊垂直天線就變得必須了.基本的垂直天線堆疊都是採用天線跟天線間距離1/4波長來架設.這樣可以因為相位衰減,相互補償.很多使用者堆疊了4組垂直天線成為一個正方型狀的天線群.為了就是讓相位衰減問題消失.HF垂直天線的架設在此不再討論.
那VHF(144Mhz)以上的垂直天線的垂直架設呢?前提是當一隻天線可使用多種頻率時.要以波長較大的頻率為主,所以我們現在一般使用的144/430天線就必須以144的波長來計算.稍早我有提過,這類的天線沒有天線輻射仰角的問題.也因為天線的360度的輻射特性.架設必須垂直(這天線就是這樣設計,所以也沒有相位的問題)...所以這類的天線堆疊不管平行堆疊或是水平堆疊效果都類似.純粹增加增益而已.距離就照上面說的即可.
以下為12/6增加部份
天線堆疊之後,增益也跟著增加,但也不是1+1等於2那種效果...網路上已經很多天線設計的軟體.只要把頻率輸入.打上你想要幾個單元.一會兒整個數據都出來!單純一個輻射器產生的增益是0dB 或是絕對增益2.15dBi (這個是以一個1/2波長的天線為基準).每次增加一個單元,增益跟著增加.以天線桿子一個波長的長度,設計下的天線大概是7個單元左右.所產生的增益大概是12dB~13dB之間.這在144/430看起來也還好,還有發展的空間,但是在HF卻是龐然大物.因為電波的特性,單一天線的單元越增加增益增加的幅度也越小
http://www.cd-corp.com/eng/ama/50-144_eng.pdf
各位可以參考連結當2x209升級成2x211所增加的增益去比較2x211升級成2x213,各位可以發現 一樣是每個天線升級多了兩個單元.但是增益增加的幅度已經縮小.如果想要在2x213這隻龐大144天線再多3dB怎麼辦.可能2x226都無法達到.更何況 26單元那種長度...而堆疊就是唯一的考量.
可恨不變的物理理論.堆疊天線就跟增加單元一樣,也不是1+1等於2,兩種設計我們就是會選擇較有效率的一邊.同樣天線的設計堆疊兩組.所增加的增益也不會超過3dB.而每次增加一組堆疊也是至多1dB上下往上加...之後就要把HF跟VHF/UHF分開講了.HF天線的堆疊因為波長問題.4~5組就是效益的平衡點.因為為了多個不到1dB的增益(4組以上之後).鐵塔就要多加一個波長的高度.對業餘無線電也夠恐怖了.VHF/UHF簡單點...但是大約到了堆疊16~20組之後.多個0.2~0.3dB,可能因為天線的重量必須把主桿換成鐵塔的強度.旋轉馬達可能要訂製了.堆疊之後的整個天線就必須把它看成一個天線.不用個別解釋..整體中的每個單體天線平均分散主機的RF輸出.感覺每個單體好像輸出變弱了...但是整體輸入功率還是原來的機器輸出值.
最後我要說不同頻率的堆疊.或是說成不同天線的堆疊也可以.在HF頻段,最好的天線堆疊就是使用單一波段堆疊.因為你不用去考量其它頻率的波長特性.單純化...沒有成就哪個頻段效能 犧牲那個頻段效能的問題(我的就是例子,但這是受制於安裝場所最不得已的選擇之一).但是既然有鐵塔可以架天線...哪可能不會天線通通都裝上去?我來說這個部分可能各位比較受用.
各位可以參考上面我之前基地台圖片上的文字說明.不同頻率當然不能堆疊.但是不同天線會有一樣的頻率或不一樣的頻率怎麼辦.就要裝可控制的分配器.或稱遠端遙控的堆疊控制器
(VHF/UHF沒這樣的問題,所以沒有這樣的東西)
控制面板在工作臺上.可以把三組天線依照單A單B單C或是AC AB BC ABC這些方式切換.
除了上述的情況再來就是最讓人有疑問的不同天線怎麼疊在一起(各為單體不堆疊),我怎知道上面的天線會不會干擾下面的天線?各位只要記得一個口訣"波長大的天線會影響波長小的天線.被影響的天線跟造成影響的天線間的距離不要是被影響天線的波長1/4或1/4單倍數...這是物理反應.不會變!所謂的影響是什麼?就是會變成一個反射面加大受影響天線的仰角.垂直架設的話就是指向角度的最頂點偏移....說白一點就是指向天線最好的指向效果不是在正前方.會偏多少不知道 因彼此天線的不同間距不同而異)
所以各位再看我天線的架設 為什麼TA-3040D(7Mhz/10Mhz) 要架設在318C(14Mhz/21Mhz/28Mhz)上面...這兩支天線放在一起,一定3040D會去影響318C.這裡再放一次圖..比較方便看
我如果把318C放在3040D上面會發生什麼情況.因為中間距離不足.上面這隻318C的輻射仰角勢必提高...那我DX就弱掉了.要不被影響就要離開3040D最少11米以上,以318C最大波長頻率14Mhz的1/2來計算.Master超過11米...不可這樣架設吧!所以兩個天線互調之後.3040D升高可以降低輻射仰角(因為7Mhz仰角要低.離鐵塔底要40m以上,這支鐵塔才20m.天線架在屋頂時,天線的效能計算是由塔底開始算,不能加上建築物的高度,因為高度不足 3040D這隻天線其實輻射仰角是偏高的)318C被影響的部分只有因為兩天線距離近 SWR升高一些些而已.
這在144/430的情況也一樣
上圖最頂的430Mhz天線距離遠遠離開底下的144Mhz天線.兩者互不干擾.
特殊情況的架設法:
圖中兩組天線 左邊為430Mhz使用 右邊為144使用 但是安裝點在反射單元後方.
因430Mhz天線與後面144Mhz的反射單元距離些微超過1/2波長.巧妙的安排SWR值沒變.144Mhz不受430Mhz天線影響.
各位同好如有想要知道自己該怎麼玩怎麼架設.歡迎在這個標題下討論.或是傳訊息私下問.我有時間一定全力幫忙.可以問我哪裡買,但是拜託別問我價錢...文章中有說明錯誤.也歡迎指正.謝謝!
我要特別說明我之前用的那支 YDAF1382天線.他的增益其實不高,大概5.5dB,但是他有恐怖的使用頻寬138Mhz~174Mhz,整個天線電纜藏在金屬管子內.如果有在玩監聽的話.這隻可以考慮
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發表於 2012-12-3 15:20:25
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發表於 2012-12-3 15:57:34
