尋找窗台邊的天線- HB9CV - 2M(波段)

bv3fg

我利用時間將你的 HB9CV 尺寸輸入 MMANA-Basic 模擬軟體，並把電容的 Q Factor 一併輸入，結果如下，如果打算再把 HB9CV 拿出來練功，可以參考參考。

0. 模擬的第一行是垂直偶極天線，做為參考。
1. HB9CV 饋電在反射棒或輻射棒增益差不多都是 7 dBi，但是饋電在輻射棒的前後比(F/B) 明顯好很多  10.35 vs 6.4。
2. 直接將電容短路 SWR=5.9，反射約 50% (loss 3dB)，所以增益約是 7-3=4 dBi
3. 上網查了Class2 3 陶瓷電容的 Dissipation Factor 與頻率的關係，推估 Q Factor @ 145MHz 約在 4~2 左右，很糟糕，會造成訊號大量衰減，推估 Loss 2~4dB。所以使用高 Q 值 (低 DF)的電容是 HB9CV 的關鍵。(廠製的 HB9CV 使用管材做 gamma match，再用一根較細的管材或棒材套進gamma match 中，形成空氣電容)
4. 因為目前陶瓷電容吃掉了不少訊號，所以現在量到的 SWR 是假的，量心安的。解決電容吃訊號的問題以後，這支天線還有沒有其他的問題才會顯現出來。5. 你後續又做了分配器，我合理懷疑多加了一支天線的增益可能在分配器裡都被吃掉了。所以先搞定一支天線，複製第二支，再處理分配器。(其實用75 ohm 的同軸電纜就可解決，我的homepage有寫)
6. 在 Low Q 的前提下，故意將電容加大可提高增益，但 SWR 會上升。

(模擬條件：各長度照抄前面的網路資訊，未作優化。反射棒、輻射棒管徑 12mm，主桿管徑 20mm，gamma match 及連接線徑 2mm，連接線離主桿 5mm，天線高度為 Free Space。)

PS1：此模擬軟體在計算增益時不會考慮 SWR 造成的 Loss (因為這是匹配要做的工作)，需自行扣除，SWR=2 約扣 0.4dB，SWR=3 扣 1.2dB，SWR=4 扣 1.8dB，SWR=5.8 扣 3dB)

PS2：如果天線高度設為 90m，在 145 MHz 增益約比 Free Space 增加 5.8dB，不過這不重要，因為你的其他天線也在同一高度，所以抓同一個模擬方式來比就可以了。)




陶瓷電容電性簡介
陶瓷介電質依成分不同，介電係數可從100到10000以上，因為高介電係數，可用較小的體積做出較大的電容量，加上成本較低，所以被大量應用。但是一般有以下缺點
1. 電容量隨溫度變化量大，一般溫度上升，電容量下降。
2. 電容量隨使用時間逐漸變小，一般每10倍小時(decade hour)變化 2.5~5%，(例如變化率5%，第一個10小時下降標稱值的 5%，100小時再下降5%，到1000小時再下降5%，10000小時再下降5%，換言之，不斷電連續工作一年一個多月，已經下降20%，所幸還要不斷電連續再工作10年才會再下降5%)
3. 電容量隨電壓下降：如果是DC，大約在10V左右開始下降，如果是AC則會先上升再下降，幅度視頻率而定。
4. 陶瓷有壓電效應，可能有顫噪效應的問題 ( microphonics，因為元件振動產生電子訊號)
4. 電容量隨頻率升高而下降。
5. Dissipation Factor 隨頻率上升，到某個臨界頻率以後會快速增加。

陶瓷電容分為三個等級(EIA RS-198規範)
Class 1 (Ultra Stable)：特性最穩定，上述變化率都非常小，用於需求高穩定度的振盪、瀘波電路。最好的等級編號為 C0G (NP0)，因為介電係數較低(通常小於200)，電容量一般小於數百pF，一般圓片形的包裝的最上緣如果有黑色塗裝，應該就是 C0G 陶瓷電容
Class 2 (Stable)：具有相當高的介電係數，但是上列缺點都有，適用於 bypass, coupling, decoupling，常見的等級是 X7R (溫度-55~125°C，精度 +/-15%)。
Class 3 (General Purpose)：具有相當高的介電係數，但是上列缺點都有，適用於 bypass, coupling, decoupling，常見的等級 Y5V (溫度-30 ~ +85 °C, 精度 +22 ~ -82%)、Z5U (溫度+10 ~ +85 °C, 精度  +22 ~ -56%)。

問題來了，我們在電子材料行買到的陶瓷電容，到底是 Class 2 還是 Class 3？答案是：不知道。陶瓷電容通常只有標示電容量，頂多還有耐電壓值，大概就沒有其他資訊了。至於是哪個分級，買的人不知道，店員不知道，很可能連店老闆也不知道。

小結：電路圖上面的元件只是一個符號，通常假想它是一個理想的元件，有些負責任的製圖者則會標示哪些關鍵零件需具有怎樣的特性才行。實務上，電子零件都有它不完美的性質，多多涉獵才能減少誤踩地雷的機率。

什麼是 Dissipation Factor
當電壓施加於電容時，電場會微幅改變介電質的晶格，並使電子儘量往正電極靠(極化)，因此又吸引更多正電荷到正電極，這是介電質可以提高電容量的主因。但電極的電壓往反方向變化的時候，極化的介電質仍會吸引極板上的電荷，這會造成充放電的延遲(遲滯效應)，當電極電壓反轉以後，介電質的電子要跑到另一邊，晶格往另一方向調整，這就是介電質晶格的振動，它會以機械形變的方式(壓電效應)或熱能的形式消耗能量，簡言之，對交流訊號而言，施加於電容的能量，會有一部份消耗於介電質內。介電係數愈高，頻率愈高，消耗的比例愈高。此外，介電質需要不斷轉換極性，它會來不及達到最大極性的狀態，所以頻率愈高，電容值會下降。

一個電容器可以看作是 (漏電電阻並聯理想電容) 串聯 (等效串聯電阻 ESR) 串聯 (極板、引線產生的等效電感 ESL)，對陶瓷電容而言，漏電電阻在 Giga Ohm以上，等於不存在，因為體積小，等效電感也很小，通常可忽略。所以陶瓷電容可簡化為 (理想電容) 串聯 (等效電阻 ESR)。而上面提到介電質消耗能量的部份，就假想它是一個電阻消耗能量，就是 ESR。



品質因子 Q Factor = X/R ==> 電容的 Q Factor = X/ESR
而所謂 Dissipation Factor (DF) = ESR/Xc (代表等效電阻與電抗的比值)，DF愈高代表愈消耗功率，但不代表它消耗了這個比例的功率。

==> Q Factor 與 DF 互為倒數，一般陶瓷電容會把 DF 列為規格，而特性良好電容則傾向於使用 Q 值表示 (因為規格書寫上 Quality Factor = xxxx 看起來就很高尚)

呼！終於寫到這裡了！

電容廠廠商提供的Class2, 3 DF 規格是在 1KHz 所測出來的，頻率太低，對我們沒太大意義。下圖是從網路上找到的 DF vs 頻率的圖
1. 因為你買的陶瓷電容應該不是 C0G 等級，比較可能是 X7R , Y5V 或 Z5U，所以看下面的圖。
2. DF 請看右手邊的尺標
3. 原圖的頻率只有到 10MHz，所以我剪貼了一段貼在右邊延伸到 100MHz，因為它應該是一段曲線，所以我畫了一段紅線與藍線延伸過去，純粹只是猜測。
4.此圖只是 Typical value，意思是運氣不好的話， DF 還會更高。
5. 對於電容量隨頻率下降的量，我就沒有貼圖延展，但估計在 145MHz 約比標稱值少 25%。



所以：
C0G 的 DF 在後面上升非常快，很難估，推測到 145MHz 約為 0.4% ~ 1%，即Q值為 250 ~ 100
X7R 的 DF 推測到 145MHz 約為 25% ~ 30% (Q=4~3)，如果運氣不好，也有可能到 50% (Q=2)。這就是我推估你所使用的陶瓷電容在 145MHz 的 Q 值在 4~2 的原因，那麼還會不會更低，難說。

後註：這一次爬文，我大概搞懂了以前經常看到，但互相衝突的描述『陶瓷電容適合用於高頻』、『塑膠薄膜電容的介電質特性良好，在音頻的表現優於陶瓷電容』，原來這些話都只有講一半。
Class 2, 3 陶瓷電容的諸多特性隨頻率升高是越變越差，但通常只用於 bypass及耦合、去耦合。bypass的用途是提供 ac 一個接地的途徑，相較於放大器旁邊的偏壓電阻(通常是高阻值)，ESR 還算是小的，不太影響旁路的功能。至於耦合、去耦合，代表後續還有放大器，ESR 造成訊號的損失馬上可以補回來。最重要的是它體積小，等效電感抗通常遠小於它的有效電容抗，不會造成電路上出現不預期的電感，所以適用於高頻。

塑膠薄膜電容的介電質特性良好，這是事實，但是介電係數小 (2~6)，體積大，所以等效電感抗大，如果不精算，在高頻很容易踩雷 (出現非預期的電感)。在音頻的範圍，陶瓷電容因為壓電效應容易出現顫噪效應( microphonics，因為元件振動產生電子訊號)，例如喇叭發出的聲音使電路板上的陶瓷電容微振，振動經壓電效應產生雜訊再被放大器放大而造成失真，因此在音頻路徑一般會建議使用塑膠薄膜電容，但是那個差異能不能被耳朵聽得出來，我其實沒比較過。

參考資料
https://en.wikipedia.org/wiki/Ceramic_capacitor
http://www.calramic.com/CalRamic-application-notes.html
https://www.metcaps.com/mci%20web%20docs/DISSIPATION%20FACTOR%20OF%20CERAMIC%20CAPACITORS.pdf
https://www.all-electronics.de/wp-content/uploads/migrated/document/167171/f155356e017.pdf
https://www.cde.com/resources/catalogs/ceramperf.pdf

hinojimmy

張小毛 發表於 2021-10-30 15:44
>>> HB9CV 2M天線複製, 並且自製天線分配器, 昨日才架好, 架設測試比較中
>>> 收訊還是比QUAD ANTENNA  4單 ...

本想做隻輕便好用, 但這隻好像如前提到, 好像獵狐用的yagi!
收訊沒很好, 發射就不測試了.

先擺倉庫裡, 封存!

quad antenna 好用.....^^

張小毛

>>> HB9CV 2M天線複製, 並且自製天線分配器, 昨日才架好, 架設測試比較中
>>> 收訊還是比QUAD ANTENNA  4單元, 差很多,  持續比較觀察!
假設您這兩隻作法一致,那麼您這樣的架設方式, 剛好相位差180度, 特性應該很差.

張小毛

>>> 目前接收情況比較, QUAD ANTENNA(四單元) 優於 HB9CV.
天線增益, 基本上跟天線面積的 Log 成正比,
QUAD ANTENNA(四單元) 的面積 明顯大於 2 元件的 HB9CV, 當然收訊較好

liaowei

看到前輩-酒鬼, 發表的一天線--HB9CV,
可以收訊157公里外, 南投友台的呼叫, 清晰HIFI, 效果真好! 很震撼的收訊能力.

我這支是日本人的改造設計：http://www.ne.jp/asahi/ja1cpa/ja1cpa/index45.html

直接用適當阻抗的同軸來匹配，沒有電容的問題。

hinojimmy

bv3fg 發表於 2021-10-29 02:56
在現有的架構上, 換掉陶瓷電容(哪種電容), 可以不要損失3-6dB!!
空氣電容，即兩片金屬板，中間是空氣。陶瓷 ...

我建議可以先將電容短路，看看接收改善多少，先不要管 SWR。
ok! 電容短路, 比較看看

有興趣做天線的人，一定要先做基本天線，瞭解、熟悉它的收發表現如何，建立比對標準，然後就能評估商用天線及其他自製天線的效果
哈哈, 是呀 , 我現在變成比對基礎是車天線7700, 基本天線先建立比對基礎, 了解您的意見!

但如果你又把整組天調鎖在陽台欄杆，那就是某種短路(對HF而言)。
整段天線系統均建立絕緣上

電線不是裸線, 玻纖釣桿絕緣, AH-4壁掛木條絕緣, 這樣算是整套絕緣嗎?


地網撒一ˊ片

感覺上你好像剛從職場上退休 (白天發長文，有時間調天線)，恭禧！
哈哈, 被發現了, 半退休, 56年次,做包商, 沒事研究天線, 甚至動念搬家, 因為大樓高點不適合玩天線!!

bv3fg

在現有的架構上, 換掉陶瓷電容(哪種電容), 可以不要損失3-6dB!!
空氣電容，即兩片金屬板，中間是空氣。陶瓷電容就是兩片金屬板，中間是陶瓷(可能是鈦酸鋇，每家廠商有自己的神秘配方)。
電容公式 C(pF) = 0.224*K*A*d
K：介電係數，空氣介係數為 1
A：面積，單位平方英吋
d：極板間距，單位英吋
我建議可以先將電容短路，看看接收改善多少，先不要管 SWR。

垂直偶極天線是全方向性的天線嗎? ==> 是
它架設不需要四周無擋的空曠區域嗎?? ==> 儘量
適合窗邊的架設嗎?  ==> SG-7700 也不適合架在窗邊，環境不允許，也只能這樣。
我的重點是：有興趣做天線的人，一定要先做基本天線，瞭解、熟悉它的收發表現如何，建立比對標準，然後就能評估商用天線及其他自製天線的效果。

架設時請與支撐桿絕緣
這我正有疑惑, 天線到底要和支架絕緣隔離嗎?  ==>這個大哉問，射頻與直流電的差異很大。大原則是饋電元件通常與支撐桿絕緣，支撐桿是否與偏波面垂直(與電場不感應，亦無電流)、支撐點是否有射頻電流等。設計天線的人會將架設方式放進去一起模擬測試，使用者則按說明書操作。DIY 的人就是先照抄(避免橫生支節)，再修改研究探討。
1. 架設木瓜天線, 車天線, 沒有絕緣過 ==>這個跟有無地網、假想地平面以及cable 隔離網的外側有無電流有關，其實很複雜。
2. 曾買一支大陸製UHF-Yagi, 12單元, 不貴, 增益高, 安裝時問過需要絕緣嗎, 答案是不用!!
==>導波元件與反射元件是靠電場感應產生電流，而主桿與偏波面垂直，無電流。如附圖，主桿無電流。(此天線模型，振子與主桿絕緣，其他元件皆與主桿相連，元件長度尚未最佳化)



3. 安裝HF波段天線時, 使用隨機長天線+icom AH-4天調, OM - BX3AC告知, 天線要絕緣, 故支撐架用玻纖捕魚桿.
對一半
以下的討論先不考量人員感電觸電的問題。
假定它附的是裸電線，你把它與金屬支撐桿接觸，金屬支撐桿又與陽台欄杆鎖在一起，那麼你的天線系統就是一段電線加陽台欄杆，也是可以用，但那不是我們預期的天線系統。但如果你又把整組天調鎖在陽台欄杆，那就是某種短路(對HF而言)。
假定它附的是有絕緣皮的電線，你把它貼在金屬支撐桿，金屬支撐桿又與陽台欄杆鎖在一起，訊號會感應到金屬支撐桿+陽台欄杆，也是可以用，但那不是我們預期的天線系統。

4. Quad Antenna製作時, 材料幾乎全用非金屬, 故支撐桿也是pvc.
主桿可以是金屬，但十字架線桿需為非金屬，因為十字架線桿有與偏波面平行。

5. HB9CV 製作時, 就沒收集到有關需要注意絕緣的資料, 但在做VHF/144MHz 天線分配器時, 內外材料全部是鋁方&圓管, 就覺得應該要絕緣吧??!!只是不確定!
天線分配器, 構造原理就是通過一些電阻電容電感的阻抗變換匹配電路合理分配信號, 我用鋁管支撐架, 直接接觸天線分配器,沒絕緣勢必改變分配器的匹配,但我還是沒絕緣架上去了!!  只是測量駐波比沒高而已, 其他也沒注意了!
==>這個我沒研究

感覺上你好像剛從職場上退休 (白天發長文，有時間調天線)，恭禧！

hinojimmy

bv3fg 發表於 2021-10-28 15:50
https://m0iax.com/2021/05/31/portable-2m-fm-and-ssb-operation-with-my-ic705/
1. m0iax 的照片，並不是 ...

陶瓷電容在 VHF以上的表現非常、非常差，我大膽假設這組 gamma match 有3~6dB的損耗

在現有的架構上, 換掉陶瓷電容(哪種電容), 可以不要損失3-6dB!!

我建議你做一支垂直偶極天線
垂直偶極天線是全方向性的天線嗎?
它架設不需要四周無擋的空曠區域嗎??
適合窗邊的架設嗎?

如果你以前已製作過 J-pole......
我沒做過, 未來會做這經典天線.

架設時請與支撐桿絕緣
這我正有疑惑, 天線到底要和支架絕緣隔離嗎?
1. 架設木瓜天線, 車天線, 沒有絕緣過.
2. 曾買一支大陸製UHF-Yagi, 12單元, 不貴, 增益高, 安裝時問過需要絕緣嗎, 答案是不用!!

3. 安裝HF波段天線時, 使用隨機長天線+icom AH-4天調, OM - BX3AC告知, 天線要絕緣, 故支撐架用玻纖捕魚桿.
4. Quad Antenna製作時, 材料幾乎全用非金屬, 故支撐桿也是pvc.
5. HB9CV 製作時, 就沒收集到有關需要注意絕緣的資料, 但在做VHF/144MHz 天線分配器時, 內外材料全部是鋁方&圓管, 就覺得應該要絕緣吧??!!只是不確定!
天線分配器, 構造原理就是通過一些電阻電容電感的阻抗變換匹配電路合理分配信號, 我用鋁管支撐架, 直接接觸天線分配器,沒絕緣勢必改變分配器的匹配,但我還是沒絕緣架上去了!!  只是測量駐波比沒高而已, 其他也沒注意了!

往後架設會與支架隔離絕緣, 感謝建議!

bv3fg

https://m0iax.com/2021/05/31/por ... tion-with-my-ic705/
1. m0iax 的照片，並不是在中點饋電，仔細看照片，立桿是架在主桿中間，cable是從左邊那個元件沿主桿走到立桿，再沿著立桿往下。
2. 我去查了Goole地圖，他的通訊地點在英格蘭最西南角，發射地高度430m，接收地200m+，距離165km，視距約150KM，推測是直接波互打。

你在 kknews 所看到的文章，是照抄這一篇的
https://www.qsl.net/dk7zb/HB9CV/Details-HB9CV.htm

陶瓷電容在 VHF以上的表現非常、非常差，我大膽假設這組 gamma match 有3~6dB的損耗，我建議你做一支垂直偶極天線，效果應該跟你目前的單支 HB9CV 差不多。偶極天線是最基本的天線，在諧振頻率的的阻抗為 72 + 0j (@free space)，直接饋電，不需匹配(就沒有匹配loss)，SWR 約 1.4~1.5，(不需偏執於 SWR=1)，架設時請與支撐桿絕緣，以後做天線都可以與它比較。 (ps如果你以前已製作過 J-pole，就不用再做偶極天線了，因為都是半波天線)

hinojimmy

bv3fg 發表於 2021-10-27 21:43
前提：
你所找的這篇文章 http://g8tti.blogspot.com/p/how-to-make-hb9cv.html
原作是考量 HB9CV 是小巧的 ...

RDF (Radio Direction Finding，無線電測向)
我知道獵狐這活動, 可惜我沒機會接觸, 會看到這篇設計圖,
主要是這天線的構造, 比較和一般看到的HB9CV天線設計不太一樣,
這設計饋電點在發射器後方, 很多HB9CV設計饋電點在前排的啟動器上或中間,


圖片來源:  饋電點在前排


圖片來源:


而我個人比較想傾向饋電點在後方, 故結構上參考了此設計圖, 數據上卻用了別地方的參考資料.
所以OM您眼睛真明亮, 直接點看出短路棒不是 120mm 與 130mm, 厲害!
實際上短路棒是 180mm 與 190mm.


而饋電點電使用陶瓷電容20P, 不是可變電容.


目前還沒發射過, 只接收訊號測試, 不知道發熱或其他狀況是否發生, 會保持觀察中!
目前接收情況比較, QUAD ANTENNA(四單元) 優於 HB9CV.



感謝回覆1. 圖表的說明.
感謝回覆2.  收訊的疑惑
1. 雜散的反射波傳遞.
VHF波段原以為只有靠目視直線傳播, 及反射波(建築物或可能的反射物)傳遞電波通聯,
不知道VHF連雲霧和高山都有可能成為傳播的媒介或阻礙!!
甚至連山上的工寮鐵皮屋, 都能幫上傳遞電波的功能. 這些以前都沒想過.......

2. 大氣導波管
冷空氣-熱空氣-冷空氣這樣的夾層, 學習了, 還有這樣的通聯媒介.

3.電離層通訊
我知道HF波段靠天空中電離層的反射, 來進行遠方通訊,
不知道VHF也偶而會利用電離層反射, 這也感謝分享, 知識吸收了!


故正常通訊下, 以我目前一般條件下, 最遠30-50KM應屬正常範圍, 那一天運氣不錯,
假如通到台中, 南投, 要趕快記錄下, 當天各種天時地利人和條件, 以供日後參考.  

在通訊上, 私心裡都希望能改善條件通越遠越好, 其實初接觸HF波段時, 也開始了解天時地利,
讓傳播上通聯距離有很多的影響, 原本以為VHF波段通聯, 就是點高方位好, 天線好, 瓦數夠, 就能通很遠,
(當年香腸初心, 買28樓, 點高, 木瓜500架頂樓, 讚讚讚!!!1個月, 被管理員剪電纜, 從此游泳台20年, 沒再了解無線電)
後來發現天線很重要, 才有點衝勁, 努力想找到適合窗邊的指向天線, 窗邊也只比較適合指向天線吧!!?
現在更知道, 不管哪個波段, 各種傳播媒介還是會多少偶而獲直接影響傳播距離與品質.

感謝OM分享寶貴經驗!
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HB9CV 2M天線複製, 並且自製天線分配器, 昨日才架好, 架設測試比較中
收訊還是比QUAD ANTENNA  4單元, 差很多,  持續比較觀察!