尋找窗台邊的天線- HB9CV - 2M(波段)

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!!

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。

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

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.

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.....^^

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

bv3fg 發表於 2021-11-5 03:12
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 ...

將原本的2車 HB9CV,

拆了,  分解, 改成單車2單元小小YAGI.


將舊的GAMMA MATCH(銅線) & 陶瓷電容移除,  裝上新的GAMMA MATCH(如BV3FG所描述的空氣電容吧)
從m接頭焊一根2.5mm銅線約10cm長, 外套上4mm塑膠軟管, 插入5mm外徑, 長度12cm鋁管內,
m接頭饋電點位置, 改到接近前面發射單元 , 後面反射器單元無Gamma Match設置.

量測SWR, 雖沒很漂亮, 先進行測試收發




昨晚3支天線交互測試比較,
我高雄左營, 另一台南南區A友台& 台南安平B友台(距離約35-37km), 發射功率不變

3支天線接收測試較: (kenwood V-708, 接收滿檔七格)
     車天線-7900(台製)(位於頂樓水塔上最高點-30層樓 / HB9CV(28F窗邊) / Quad Yagi Antenne-6單元(28樓窗邊)
A. (聲音都完全清_5+)接收格數比較 , 3-4格 /  5-6格 / 6格穩定
B. (聲音清晰_5-)        接收格數比較 , 1格 /  2格 / 3格

3支天線發射測試較, H-40w / M-15w / L-5w
車天線-7900(台製)(位於頂樓水塔上最高點-30層樓 / HB9CV(28F窗邊) / Quad Yagi Antenne-6單元(28樓窗邊)
A.接收, 3之都一樣,  滿檔/滿檔/3-5格
B友台沒做比較測試, 但其收訊表示都無差別

以上2位友台, 可能距離上還不是很遠, 難以測試到較大的差別

Quad Yagi Antenne-6單元


Quad antenna-4單元




但經過HB9CV改成2單元Yagi, 將bv3fg提到的點, 像是.....
1. 移除陶瓷電容,
2. gamma match改成空氣電容(不知道闡述對嗎?),
3. 還有饋電點移到前面發射器單元. 移除舊的gamma match, 跟之前比較起來,
未改裝前HB9CV收訊比我車天線7900 & Quad antenna-4單元 還要差很多,
現在HB9CV定點收訊格數只差quad antenna-6單元-格數半格,說不定比之前quad antenna-4單元收訊還好! 真好!
改成現在這樣, 應該不叫做HB9CV天線吧, 變成YAGI了!

再來我能複製一隻, 再來雙車測試一下....^^!


以上感謝bv3fg OM指導!
---------------------------
再次調整gamma match, 降低點SWR




PS. 以上測試環境, 均因環境不允許, 克難條件下測試, 所得結果只是在同樣環境下的比較測試!相信quad antenna 不管是4單元或6單元, 在更好環境設置下, 應該有更好的比現.
今安裝在窗邊, 實不得已!

bv3fg

1. 恭喜

2. 目前是二單元 Yagi 無誤

3. 目前電容是某種塑膠電容，介電質是塑膠軟管。缺點有二：1. 日曬時與夜晚溫度差異大，電容值會跑，但目前無法估算差異，你可以觀察一下 SWR 差異及阻抗 R+jX變化狀況。 2. N 年以後塑膠易變質，特性產生變化。這樣的電容架構要調整很費工(拆解、剪短、裝回、測試，不小心剪太多要重做)，實驗階段令人抓狂，一旦搞定，就容易大量製造，且介電質是空氣，沒有變質的問題。目前 OK，需不需要再修改就看你的決定。但不管如何，最後的版本需將 gamma 棒兩端膠封防止進水。

4. 天線堆疊的分配器可參考
https://www.qsl.net/bv3fg/ant/ant_stk.htm
要注意 Cable 的長度是指它的電子長度，例如 RG-213 縮短率約為 0.67，75ohm 饋線則需實測 (除非查得到廠商的規格書)

量測縮短率的方法可參考
https://www.qsl.net/bv3fg/tech/TLF.htm

Cable不需要用公頭加轉接頭，接頭愈多，你原先算好的長度就不對了(除非算好前置量並仔細管控)， 可以對焊，注意銲工及絕緣，包好以後在接點的cable外面放2, 3根竹筷子用束線帶紮起來，或其他方法 whatever，反正就是避免接點被折彎或拉扯。

hinojimmy

bv3fg 發表於 2021-11-7 16:09
1. 恭喜

2. 目前是二單元 Yagi 無誤

我用的塑膠軟管, 應該是矽膠軟管, 模型飛機用, 耐熱, 不知道是否耐候!!
屆時改用工業橡膠管或鐵氟龍管試試.

天線分配器, 原本製作的方鋁管分配器先不用, 採用您建議.
目前手上有5c2v 75歐姆, 縮短率67%電纜線,
2M波長2083, 1/4波長521, 521*67%= 349

349長*3倍=1047長, 5c2v將用長度1047*2條, 加上3通連接, 製成天線分配器.(儘量不用接頭, 減少損失)

349要乘以單倍數使用嗎? 偶數倍比較不好嗎?(網路上查詢資料)
備料準備製作!!

bv3fg

蠻有趣的，回答你的問題總能讓我發現我的 homepage寫得不夠完美的地方。

其實你誤解了我homepage的內容，但是你的規劃是對的。我的內容也沒寫錯，只是範圍狹隘了。請看下圖的說明
https://www.qsl.net/bv3fg/ant/ant_stk4.gif


在三通以上，
你規劃的是  (75ohm 1/4 波長+ 75ohm 1/2波長)
我的圖面註記是 q (75 ohm 1/4 波長) + L (50ohm 1/2 波長的整數倍)
所以你誤解了我的意思

但是為什麼你對，我也對？原因如下：
有關 L 這一段，廣義的狀況是：不管任何阻抗的饋線，只要是 1/2波長的整數倍都可以。

不管任何阻抗，1/2波長的整數倍的饋線有個有趣的特性，在一端接上任何阻抗的負載 ( 純阻R、純電抗+/-jX 或 R+/-jX)，那麼在另一端看到的就是相同的負載。 (ARRL Antenna Book 17th Edition, P24-12)

>>349要乘以單倍數使用嗎? 偶數倍比較不好嗎?(網路上查詢資料)
有網址還是它的說明解釋嗎？

>>我用的塑膠軟管, 應該是矽膠軟管, 模型飛機用, 耐熱, 不知道是否耐候!!  屆時改用工業橡膠管或鐵氟龍管試試.
耐候：它曬不到陽光，將來頭尾封住也不會碰到酸雨，只有每天的冷熱交替，試試看了。
工業橡膠管：橡膠成份有太多變因，不建議。
鐵氟龍管：可。
我個人屬意空氣為介質，因為介電質固定為1.0006，沒有買到不同材料的問題。而且 Q 質超高，可能大於10000吧。你只要把饋電棒頭中尾各套上一小段(例如5mm長)軟管，饋電棒不與Gamma棒短路即可。但如果饋電棒不夠平直，可能有某部份極接近Gamma棒 (例如0.1mm)，那麼在極大功率的狀況下有可能造成放電。空氣每1/1000吋可耐 DC 80V，不過我不知道空氣的交流耐壓值也不會算目前饋電棒與 Gamma 棒的電壓差，只知道有這些考量。套上膠管耐壓會比較高，以上，改變現狀可能需要重調短路棒，提供你參考取捨。