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深度好文:无线电爱好者应掌握的简单有效的天线解决方案

 新小马哥m 2016-06-28

稿件来源:CQ现代通信

编者按:随着业余无线电活动的普及,从U/V段聊天的“车腿”,再到参加每年各种国际比赛、追逐DX的业余无线电爱好者,越来越多的人加入到了HAM的行列。很多HAM也都在家中设置了固定电台,但这其中一大部分人还都游离在短波通联的门外,不是别的原因,正是因为居住在市区无法在居民楼架设短波天线。

现如今,小区的公共设施都由物业公司管理服务,又有代表广大业主权益的业主委员会监督。您要是住在楼顶还好说,在自家房顶架个正V天线,一点不起眼儿,又不影响别人,物业一般也都会开绿灯。更有甚者,起个5m~7m的塔,弄个八木天线也不是不可能。可您要是住在下面几层,想要绕开周围的邻居,上楼顶架设一副称心如意的天线,的确是个难事。往往是物业那疏通开了,架了没几天,被楼顶业主发现后一投诉,又得拆。但是您别慌,大有大玩,小有小玩,不是说上不了楼咱就不能“DXCC 400”了。本文就是介绍如何在楼房环境架设“鱼竿”天线,圆您一个短波收发梦。

介绍“鱼竿”天线之前,我们先说说常用的三类短波天线。

第一类——垂直地网天线,也就是我们常说的GP天线,这种天线架设形式简单,最易于安装,如果有足够数量的地网增加辐射,效率堪比偶极天线。由于GP天线的发射仰角较低,所以其作为简单有效的DX利器不可或缺。缺点就是噪音大。

第二类——偶极天线,也就是我们常说的DP天线,常见的架设形式有倒V、正V、水平等形式,DP天线的效率相对要比GP天线高很多,且噪音要比GP天线低很多,但是占地面积大,单人架设安装不是很方便。

第三类——指向性天线“八木”,也就是YAGI。这种天线通常是由一个主振子、一个反射器和多个引向器单元组成。八木天线的效率高、方向性强,依照天线的尺寸,在所指方向拥有较高增益。

其实,所谓的“鱼竿”天线就是GP天线,只是广大的HAM按照其水平架设方式和DIY的材质取了个“鱼竿”天线的名字,这名字在《天线手册》上肯定是查不到的。我们安装的U/V段GP天线都是垂直架设(如装在车上的“钻石770H”车载天线,固定台架设的“钻石X510”天线等),短波GP天线通常也是垂直架设的,但是对于我们居住在楼房中间层,且无法上楼顶架天线的HAM来说,水平架设GP天线也许成了无奈的最佳选择。

第一次接触“鱼竿”天线是在2008年奥运会特设台期间,那时候我住在北京的天通苑,当地有个知名火腿——BD1TCC杨老师(现呼号BA1AI),他在家中19层水平架设了其自制GP天线,通联了几大洲,也成为了通联QSO最多的BT1OB的值机员。后来我搬到了望京,也是19层,几次和物业接触无果后,我选择了“鱼竿”天线。

从天线的结构上来说,咱们水平架设的GP天线可以有三种方式。

一种是单波段全尺寸天线,一种是单波段加感天线,它可以是1/8、1/4、1/2波长。再有一种就是天调与一定长度的全尺寸天线直接工作,这种方式相对省事,一根天线全搞定。

全尺寸天线的效率自然要比加感天线高很多,20m、15m、10m等高波段,我们都可以制作1/4波长全尺寸天线,长度分别是5m、3.5m、2.5m。但是考虑到我们常用的40m、80m、160m等低波段天线的尺寸较大,在窗户外面水平架设全尺寸天线很不实际,所以这就需要选择加感天线,加感天线可以是底部加感、中部加感、顶部加感。就目前试验效果来看,中部加感天线的效率是相对最高的(其实想想日本钻石品牌的车载天线不都是中部加感吗?)。天线的长度分为物理长度和谐振长度,它取决于咱们工作波段的波长,如40m、80m、160m波段,按照粗略计算1/4波长的天线长度应该是10m、20m、40m。如果计划天线总长度在5m左右,那40m波段天线就是5m振子与5m的加感线圈;同理,80m波段天线就是5m振子与15m加感线圈,160m波段天线就是5m振子与35m加感线圈。当然,这种80m、160m波段的加感天线效率已经太低了(以上数值只是为了大伙看着直观而取的整数,实际制作天线还要考虑缩短系数等)。

从天线的材质上说,最佳选择当然还是铝管。因为作为长期固定架设的天线,铝管有一定的韧性,完全不用担心刮大风的问题,是一劳永逸的选择,而且电气性能肯定要优于细铜丝,这也是我对GP天线几经升级改造后的粗知拙见。我最早制作的GP天线是用PVC管、漆包线缠绕加感线圈、一节304不锈钢棍作为振子组成,底部加感GP天线,算是试验品,当时的总长度只有1.5m,经过地网的匹配和振子的修剪之后,可以自然谐振在7.050MHz上,试验期间通了不少国内台。此方法等同于买一根成品鱼竿然后缠绕线圈作为加感天线,国内大部分HAM所作的GP天线也多为这种方式。

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底部加感的GP天线制作图纸

这种方式制作的天线有优点也有缺点.

优点——底部加感方便安装调试选择自然谐振点,而且可以做成类似PAC-12的抽头天线,一根天线通过调整线圈数量达到工作在多波段的目的。

缺点——底部加感天线的效率始终不如中部加感。

经过多次的通联、改造、试验后, 我通过缩短加感线圈的长度,增加振子长度,由底部加感改为中部加感,成为了最终版本的天线——物理长度5.5m,1/4波长、谐振长度10.25m。其中,振子长度5.3m左右,缠绕4.95m左右漆包线作为加感线圈。天线的计算公式如下:天线谐振长度=300/工作频率/4×0.96(0.96是缩短系数),即300/7.023/4×0.9610.25m。

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中部加感的GP天线制作图纸

鱼竿天线制作方法

1、准备4节铝管,底部采用35mm左右的铝管套30mm左右的铝管,顶部采用15mm左右的铝管套10mm左右的铝管,采用大套小的连接方法,目的是减少风阻系数。铝管交接处开缝,用不锈钢抱箍抱死,如果您担心时间长了不锈钢抱箍会脱落,也可以在交界处打眼用螺丝将两根铝管穿透锁死,更加稳妥。

2、准备直径50mm的橡胶棒(也可以用其它绝缘材料如PPR管),在其上缠绕总长度为4.95m左右的漆包线作为加感线圈。

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1.0mm漆包线缠绕的加感线圈

3、天线底部用橡胶绝缘棒套在振子上,用以跟室外支架固定使用,起到振子与接地绝缘的目的。为了防止在室外长时间使用,橡胶棒变形,我在橡胶棒外又加固了一个不锈钢管,增加了室外固定的坚固程度。如果没有橡胶棒,也可以用PPR管代替,选择内径和铝管外径差不多的PPR管500mm,套在天线底部,用热缩管热缩上几层,也可以打孔用螺丝或者膨胀螺栓固定。

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用来室外固定的底部绝缘棒

4、天线根部直接用螺丝打穿铝管,作为根部馈电,用以和馈线相连。也可以用个SL16的M座作为根部馈电方式,更加美观。

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底部外套热缩管用PPR管绝缘

如上所述,一副40m单波段中部加感的GP天线就做好了。

套用上面的制作方法,1/4波长20m单波段GP天线的尺寸是300/14.26/4×0.965.05m;1/4波长15m单波段GP天线的尺寸是300/21.200/4×0.963.4m。其尺寸相对较小,我们不需要加感线圈,完全可以按照全尺寸来制作。当然,如果您手

头上有类似ICOM AH-4这种室外天调,完全可以做一根5m~10m长的全尺寸天线,采用根部馈电方式接天调,10m的长度,从80m~10m各波段都可以相对高效的工作了。我后来置办了LDG AT-200Pro2室内型天调,接在了20m波段天线上,这是一个很高效的天调,我现在可以工作在任一波段了。

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采用中部加感的GP天线实物图

5、介绍完了天线的制作,我们再说说天线的安装方式。如果您没有室外天调,又想像我一样准备在窗户外面大干特干,安装三根单波段天线,那就需要一个坚固的室外架子作为天线的固定架。我的室外天线固定架是一个“框型”的,

长1600mm、宽300mm、深600mm,底部为实底儿,框内可以放一些杂物,框的上面可以同时固定4根天线。自己画个大概的图,到建材城找做铁艺的师傅加工的,成本大概在200元左右。

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可以固定四根天线的框型固定架

6、如果是使用室外天调配合5m~10m全尺寸天线的方式架设,可以做个相对小一点的架子。

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单根天线的固定支

7、安装很简单,在楼外墙上打4~8个孔,装上涨栓把架子往上一固定即可。我当时花50元找了个做空调安装的师傅给装上的,毕竟19层太高了,没必要冒这个风险,还是找专业的人员来安装比较好。安装好固定支架,将天线架在固定支架上,用U型卡抱箍抱死即完成了天线的固定。

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固定在架子上的天线

下面该介绍天线的调试了,因为天线根据架设环境的不同,按照理论数据制作的天线也不一定就谐振在我们设计的工作频率,这就需要通过增加和缩短振子的长度,让其工作在我们需要的业余频率。

天线固定好后,接好馈电线缆,另一端先接在天线分析仪上。查看天线阻抗在50Ω时,天线驻波最小值时,天线的自然谐振频率。也就是SWR<1.5(SWR值能达到1.1是最好的)时的工作频率。

天线自然谐振频率如果低于我们需要的工作频率时,那么就缩短振子的长度;天线自然谐振频率高于我们需要的工作频率时,就增加振子的长度。直到其可以自然谐振到我们需要的工作频率为止。

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我的3根单波段GP天线(15m、20m、40m波段)

也有的环境通过增加、缩短阵子长度虽然可以让天线在50Ω阻抗的时候工作在我们需要的频率,但是驻波却比较高,通常是SWR大于1.5小于3,这时候就需要增加地网来调整天线的驻波比。我们的天线支架通过涨栓已经固定到了楼体内了,它本身就是个很好的接地点。馈线的金属屏蔽层与其固定好后,天线的阻抗、驻波都会有变化。如果驻波还是下不来,那就还需要增加一根自由垂落的地网,长度等于或者不超过1/4波长即可,需要根据现场试验稍作修剪。地网的材质最好选择多股的并行线,如电话线、8芯扁平线,如果能在电子市场买到ATA100的IDE硬盘数据线那效果最好不过了,它本身就是80芯的排线,宽度仅50mm左右。地网可以很好地增加GP天线的辐射效果。

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水平架设的GP天线

这副天线我使用了将近1年的时间,基本上我能够听到的电台,都可以叫通,整体效果还是不错的。我使用的电台是ICOM IC-756ProIII,这一年内完成了2000多个QSO,通联到的DXCC实体已经有77个。SSB模式通联到的最远的电台是位于20000km以外的南美洲阿根廷、巴西。

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logger32统计的已经通联过的DXCC实体数量77个

上面说的比较多了,大伙看着可能有点疲劳,最后总结一下我对“鱼竿”天线一些粗知拙见的心得,和大伙分享。

天线选材:第一选择当然是7075-T6材质的铝管(大概30元/m), 6063-T6材质的亦可(大概15元/m),只不过后者要比前者垂度大点。如果您不是作为固定天线使用,大可买PVC管(20~40元/根,4m/根)或者玻璃钢鱼竿按照前文介绍的缠绕线圈制作天线。天线的带宽和振子的粗细是成正比的,所以铝管作为振子与漆包线或者电源线缠绕的天线相比,带宽要更加宽。

加感线圈:1.0mm的漆包线最好,没有漆包线用单股电源线也可以,只不过单股电源线比较粗,缠绕同尺寸长度的线圈要比绕漆包线的大很多。

接地:电台、天调、天线都一样要接地,这对天线的自然谐振频率、阻抗、驻波都有很大的影响。

馈电方式:如果为了拧标准M头的馈线方便,可以给天线接一个SL-16的M座,固定在一个防水盒上。如果天线的材质是铝管,那直接打一个过孔,拧个螺丝打上玻璃胶,同轴馈线做个接线端子,往馈电点上一拧螺母直接馈电,衰减肯定比通过M座的要小。如果使用室外天调连接天线,也一定要安装在天线根部馈电,减少损耗。

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天线馈电方式

地网选材:无论是水平架设,还是垂直架设的GP天线,地网都是提高辐射效果必不可少的。最早我使用8芯扁平线觉得挺好,后来发现整捆80芯IDE硬盘数据线是目前为止我认为最好的地网材料了。

天线的高度与效率:这个要因地而异了,按照理论上说,大于天线工作波段1/4波长即可,如您工作在40m波段,架设高度应高于10m,也就是4层楼以上即可。通常来讲,住的越高,这种水平架设GP天线的效果越好。

本文节选自《现代通信》杂志,作者BH1ERB,转载请注明出处:《现代通信》杂志公众号【CQ现代通信】。

现代通信,中国火腿自己的杂志。

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