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自己的晾衣绳天线一直使用300Ω电视扁馈线馈电,直接引进电台室接巴伦,然后接同轴线到电台。几天的FT8操作中发觉电磁干扰有些严重,经常发着发着就没输出了,ALC跳到100。于是对扁馈线进行了裁短取直,巴伦也扔到了室外,使用同轴线引入室内连接电台。
裁短扁馈线后,天线系统的阻抗发生了变化。原本在十米段可以自然谐振,现在需要开启天调才能20W输出。不过优点是40米段的SWR降低了,配合天调SWR可以降到1。估计发射效率不会高,不过晚些时候还是试试看能不能通联。
天线系统调整后干扰问题有所缓解,不过没有完全消除。鉴于我们的天线是平衡式天线,这种干扰有可能直接来自于天线的正常发射,属于直接干扰,并非由于不平衡电流产生的射频干扰。于是使用铝箔纸将HUB、音频线、CAT线尽可能严密包裹了起来,仅外露接口,效果有待进一步观察。不过调整后在20米段首次收到了来自美国的信号,而且成功通联 W6XB ,猜测是调整馈线后损耗减少的缘故。
在查阅资料过程中发现了几篇有价值文献,供大家共同参考学习:

  1. https://www.physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/FT8_Operating_Tips.pdf
  2. https://www.w8ji.com/coaxial_line_and_shielded_wires.htm
  3. https://www.w8ji.com/radiation_resistance.htm
  4. https://www.w8ji.com/verticals_and_baluns.htm
  5. https://content-files.shure.com/KnowledgeBaseFiles/troubleshooting-rfi-jim-brown-ham.pdf

特别是讲同轴线的那篇,对于同轴线工作原理不熟悉的朋友一定要认真阅读,否则很难理解射频泄露的原因和应对办法。一言以概之,无论天线是否平衡,电流一定是平衡的,发射出去多少电流,就要有相对应数量的电流汇入地网系统,这些感应电流会自发。读懂了这篇文章,相信你会对国内一些ham售卖的端馈天线和垂直天线有新的认识。
第五篇详细介绍了射频干扰,建议完整阅读。

LOTW注册及使用办法网上已有许多教程,本文仅结合自身使用进行适当补充。

备份证书

首次使用TQSL时按照提示步骤会生成一个证书,请将其导出保存,文件名为 呼号-key-only.p12。这个证书如果不保存,后续导入tq6证书后就会消失。配合呼号-key-only.p12呼号.tq6 两个证书,可以在任意电脑上鉴权。TQSL本身也提供了包括证书、台站、设置在内的一键导入导出功能,不过谨慎一点没坏处。

下载QSL记录

用邮件中的密码登录 https://lotw.arrl.org/lotwuser/default ,点击屏幕左侧的 Download Report,可以下载名为 lotwreport.adi 的QSL记录。这个文件可以直接使用TQSL逐条查看,也可以导回你用来操作FT8的软件,比如FT8CN ,从而在软件中直观看到通联的确认情况。(只有完成QSL才是一次完整的通联!)

查询特定呼号更新LOTW记录的时间

假如有一个与我们通联过的友台迟迟没有确认QSL,可以进入 Find Call页面,输入对方呼号查询他更新QSO记录的时间。如果显示 “No log data found “,说明对方大概率没注册过LOTW,可以去qrz.com查询日志。如果显示更新时间为几天前,不妨再耐心等上几天。现在数字通信模式流行,软件承担起了记录通联日志的工作,发生遗留的情况很罕见。

最近用协谷G90S试验了FT8通联,顺便测试天线效果。首先上通联记录:

这个是到昨天为止的记录,今天的记录晚上再上传。总体而言,通联日本很轻松(距离1700km左右),CQ几下就有ham主动联系。国内通联过河南、湖南、湖北、广东、江苏、浙江、云南,传播情况没有想象中理想,估计是秦岭以及横断山脉的缘故。
至于操作频率,我主要在14.074MHz、21.074MHz以及28.074MHz操作。14.074MHz无需天调20W满载输出,最远通联VK2PAA(澳大利亚),距离9000公里;21.074MHz需要开天调,输出功率17W左右,最远通联3D2USU(斐济),距离8800公里;28.074MHz无需天调,输出功率18W左右,最远通联BA7LIP(广东),距离2300公里。在10.136MHz也有一些和日本、俄罗斯远东地区的通联,不过电台此时的输出功率不到10W,所以浅尝辄止。除了FT8常用的这几个频点,最近发现有香港ham在50米段操作,当然我在50米段没有多少功率,只能看热闹。
设备方面,使用了协谷G90S电台,红米K30U手机(运行FT8CN),搭配晶华USB声卡分线器(TYPE-C接口)和BH4FRV制作的ACC音频线使用,整体效果令人满意。手机最好用备机并切换到飞行模式,避免手机提示音甚至铃声被意外发送。G90S虽然最大功率只有20W,不过FT8模式轻松通联1000+公里,供新晋B证的爱好者熟悉短波操作足矣。

馈线是天线系统的重要组成部分,在SWR较高的情况下,馈线由于介电损耗发热损失大量功率,同时带来散热负担。另外,合理调整馈线长度可以实现阻抗变化。业余无线电天线系统中,常用的馈线类型有同轴线(coax)和梯线(ladder line)两种,不过后者在国内少见,本文主要介绍ladder line。

首先进行简单的数学分析。假设有一个中央馈电的doublet天线,在操作的几个业余段之中,馈电点阻抗变化为50~5000Ω,采取50Ω的同轴线馈电,则SWR范围为1~100!如果使用阻抗为450Ω的梯线,那么SWR最大值仅为11.1。由于SWR极值大大地减小了,线损也减小了,所以梯线适合于多频段操作。具体损耗可以参考 kv5r 制作的表格。(链接到上一篇翻)

不同于同轴线,梯线属于平衡馈线。对于在中央馈电的平衡式天线,梯线上左右两股导线中的电流幅度相同,相位相反,所以相互抵消,不会产生辐射。当然这是理想情况,不过只要梯线距离天线不太近,平行长度不多,共模电流的影响就可以忽略。

另外梯线的走线需要稍加注意:

  1. 不要拖地,会影响阻抗;
  2. 尽量不要弯折,不过 kv5r 说不要太过教条,他实测打了几个弯依然工作良好;
  3. 与金属导体,保持一段距离,有几英寸的距离足够了。

梯线的长度需要纳入考虑。通过合适调整馈线长度,可以确保在操作的各个频段内避开阻抗极值点,减小天调压力并提高天线系统效率。关于天线系统普遍存在两个认知误区:

  1. 天线必须谐振,效率才高;
  2. 天调只是一个通过SWR欺诈诱骗电台输出功率的幻术师,实际发射出去的功率并不多。

这两个观点都是错误的。第一点参阅《天线手册》即可。第二点,在天调端阻抗超过50Ω时,发射效率普遍可以达到90%以上;超过500Ω时,超过95%。为了使天调得到合适阻抗,可以通过调整梯线长度实现。例如,按照波长八分之一的奇数倍调整梯线长度。一般天调的说明书中也会提到合理修剪馈线长度以避开阻抗极值。需要注意,当天调获得的阻抗值很低时,天调的效率会急剧降低。

最后附上 WB8IMY 现身说法的一篇好文:The lure of the ladder line,对梯线盛赞不已。

不过对于国内的ham而言买到梯线貌似不太容易。我在几大国内平台上没有找到450Ω这种梯线,300Ω的twin lead线,即过去的电视馈线倒是一大堆,我正在用的就是这种线。它的最大缺点是铜线实在太细了,对于我的20W电台而言问题还不算大,高功率电台可能不适合。kv5r 给出了DIY几种不同阻抗梯线的方法,可以参考。

初次制作偶极子天线的朋友可能会纠结于线材的选择。铜线被普遍使用,性能优良,但是价格较贵。不锈钢绳坚固耐用,但是电阻率3倍于同规格铜线,对于天线指标会产生何种程度影响?制作天线的线材应该用裸线还是带绝缘层?其他种类的线材又表现如何? Ian Jackson - VK3BUF 对多种线材进行了细致测试,并发布于 What’s the best wire for a dipole?,具有很高的参考价值。
直接归纳结论:

  1. 以21.2MHz为目标制作的半波长偶极子天线,不同材料对应的长度不同,7股2.5mm裸铜线的单臂长度最长,为3437mm;2股带刺铁丝网线单臂长度最短,为3265mm,二者相差172mm。不过适当修剪使得各个天线都谐振在21.2MHz后,各天线的增益差异不超过2dbm(除了MIG welding wire,估计没人用到),大概对应S表一个格子的三分之一。所以天线材料对于天线性能影响可以忽略不计。
  2. 线材的绝缘层会增加天线的电气长度和阻抗。
  3. 不锈钢绳是权衡各个因素后的最佳天线材料。
    下一篇讨论Ladder Line

之前测试天线发射指标一直不理想,14MHz的SWR始终降不下来。经过学习后得知馈线的屏蔽层也需要连接。之前由于没有 SL16-J的公对公连接头,所以仅仅使用六角螺丝刀连接了内导体,外屏蔽层为开路状态。使用铜线连接屏蔽层后天线终于可以自然谐振在14MHz,算是一大收获,接收效果也有改善。等到连接头到货后估计还能减少一些损耗,SWR也会更稳定。
再来审视下这个天线的特性。这个天线如果不考虑馈线,和一个折叠偶极子天线(folded dipole antenna)并无别样。折叠偶极子天线相较于普通的偶极子天线具备如下优点:

  1. 阻抗高,约300Ω,与传输线匹配更好;
  2. 带宽更高;
  3. 信噪比更高。

不过普通的偶极子天线使用同轴线(coax)馈电,我的这个天线使用双头线(ladder line),馈电位置都是天线中央。这种搭配双头线使用的天线,一般称之为双联天线(doublet antenna),它具备如下特点:

  1. 馈线是天线的一部分。虽然对馈线长度要求并不严格(假设天线左臂右臂长度均为L1,馈线长L2),当L1+L2等于操作频率的四分之一波长时,阻抗匹配最好,此时馈线末端呈现的阻抗大概为50Ω;
  2. 馈线使用平行线(双头线),以减小损耗。一般可选450Ω或600Ω传输线,不过电视用的300Ω馈线也可以。需要指出,电视的300Ω馈线便宜易得,约合1.2元/米,前面两种国内没发现哪里有卖。不同于同轴线,双头线易受环境干扰。尽量将其远离金属、不要与房屋外墙平行放置、不要放在地上,也不要大角度弯折甚至缠起来,否则会发生预期之外的阻抗变化或者电磁泄露;
  3. 由于双头线损耗较小,所以双联天线在配合天调的情况下比较适合多段操作。

想更深入了解 doublet antenna 推荐阅读 Introducing the “All-Band” Doublet:What the Student and the Instructor Should Keep in Mind

另外在查找 doublet antenna 天线资料时发现了另一类有意思的天线: Wide-Band Folded Dipole,简称 WBFD,即宽频折叠偶极子天线。它与普通FD天线的区别在于在馈电点正对面插入了一个阻值800至900Ω的无感电阻,然后配合1:16的变换器实现阻抗匹配,以得到宽广范围内较低的SWR值。不过代价是增益比同规格 doublet antenna 低了约6.3dB。而且低SWR不总意味着天线能够高效发射,在操作频率低于某一阈值时,天线指标迅速恶化,作为低SWR的代价,无感电阻承受了大部分功率。感兴趣可以移步至Notes on the Terminated Wide-Band “Folded Dipole”深入了解。

最后在此缅怀作者 L. B. Cebik, W4RNL,本文引用的两篇文献均出自他的手笔,愿他安息。

之前搭建的天线指标不是很理想。发射指标暂不提,接收增益感觉也不够。之前守听7050频率,能勉强听到沈阳的朋友呼叫外地友台,报告对方信号59,不过我这里什么都听不到。底噪其实还算理想,求精电源配合磁环29MHz底噪不起表,7、14MHz底噪大概S3左右。拿EZNEC大致仿真了最普通的半波长偶极子天线,俯仰角90°达到最大增益6.55dbi,beamwidth为35.9144.1°范围。方向性不佳的原因是高度不够,书上推荐不小于0.2λ,实际越高越好。
Experimenting with a clothesline style folded dipoleVK3YEVA2ERY 文章付诸实践的视频。他在自家院子里很随意地拉了一条约5米长的晾衣绳,高度没有一人高,两条线最大距离约0.5米。 VK3YE 在不同的馈电点位置用天分仪进行了测试,结果没有惊喜,毕竟这条使用1:4的巴伦的天线过于随意,而且偏长了。
W4RNL 撰写的Modeling and the Logic of Question Resolution通读了一遍,该文对Folded Dipole进行了建模,可作为参考。W4RNL 已经化作了 silent key ,愿他安息。
重新建模后再次仿真计算,结果表明配合300Ω馈线情况下,天线在14MHz完美谐振,驻波1.1左右。我之前制作的天线过长了,而且长出的天线没有减掉,劣化了天线指标,有空时应该将天线剪短。至于方向性,Beamwidth33.3
146.7°,照旧90°最大 Orz 或许我应该专注通联卫星 😂

以下内容仅为个人理解,不保证准确。
假设我们在空间中建立直角坐标系 x,y,z,X-Y平面与地面平行,z轴垂直于X-Y平面。设z=0代表接地。
现在开始引入天线。假设我们的天线两端点坐标为(0,0,30)与(0,33.43,30)。显而易见,这个天线与y轴平行。
在EZNEC软件中,可以直观地得到Azimuth(方位)和Elevation(俯仰)图示,它们应该如何理解呢?
3D图比较直观。将3D图投影到X-Y平面,即得Azimuth图。将3D图投影到X-Z平面,即得Elevation图。对于Elevation,可以看到图形左右对称但是上下不对称,这是地面的影响产生的。如果天线位于自由空间,上下也是对称的。
现在引入概念: 辐射远区场 。与之相对应的名词为 辐射近区场 。我们不细究它们的界限,只需要知道电磁波是由天线的辐射远区场传播就可以了(近场区存储能量)。在相较于远区场的无穷大,天线的物理尺寸可以忽略不计,所以我们可以忽略天线的物理尺寸和形状,把它抽象为一个点。
我们的半波长偶极子天线现在被抽象成了一个点,但是再次明确,天线的方向性没有改变。
再回到Elevation图,其原点为(0,0,0)。另外我们刚才投影得到的Elevation图只是Azimuth角为零的特例。以Z轴为轴旋转3D图,可以直观看到Elevation图随方位角的变化情况。也可以在程序中设定方位角,输出对应的Elevation图形。
Azimuth图随Elevation角变化又是怎么一回事呢?这个在3D图中观察很直观。勾选Azimuth Slice和 show 2D Plot选项,然后改变Slice Elev,Azimuth图会随之变化。可以想象(0,0,0)处有一个点光源,这个光源以给定的Elevation角打出圆锥形的光。
小结一下,天线的方位角、俯仰角在天线设计、架设中具有重要意义。比如我们在拉一条晾衣绳天线时,晾衣绳的走向决定了天线的方位角,比如我们想让天线最大辐射方向对准南北方向,那么我们的晾衣绳就应该沿着东西方向拉直。为了方便DX通联,我们希望天线的俯仰角小一些,但是不能太小,因为视野内有一座山。此时通过EZNEC计算就可知我们宝贵的20W电波是会跨过大山走向世界还是一头撞死潜形匿迹。

之前制作的晾衣绳天线指标不太理想,基本不具备业余段的发射能力,拿来收听倒是还行 😭 痛定思痛,还是要提高理论水平,在正确理论的指导下,借助计算机仿真替代盲目试验。
在这一方针指导下,笔者找来了《The ARRL ANTENNA BOOK (21st Edition)》,中译《天线手册》,人民邮电出版社出版。书中计算机仿真一节介绍了 EZNEC 这个软件。软件作者为 W7EL ,已经76岁高龄。出于种种考虑,W7EL 于2021年宣布退休,不再更新维护EZNEC,最后一版 EZNEC Pro+ v. 7.0 于2022年1月1日起进入公共领域,任何人都可以免费分发使用(作者声明:https://web.archive.org/web/20210812004047/https://eznec.com/retirement.htm) 。 由于软件历史已超过30年,其依赖的一些第三方库已不可靠,代码已经很难维护,所以作者不打算将其开源。
不管怎么说,EZNEC久经考验,完全可以胜任一般的天线设计仿真,所以还是值得学习。

下载地址: https://eznec.com/v7download/EZNEC_Pro2+_701_setup.exe
用户手册地址: https://www.eznec.com/ez70manual.html

学习中……

最近通过了业余无线电B证考试,于是小黄鱼收了一台协谷G90S和一个Tumd双桨电键。比电台更重要的是天线系统,通过阅读《天线手册》,以及网上进行的一些搜索,结合指标成本考量,先后排除了小环天线(贵、不易加工)、GP天线(依赖地网,效率低)、端馈天线(射频泄露),所以转了一圈还是回到了偶极子天线。查找资料过程中,** Robert Victor, VA2ERY** 撰写的The Clothesline Antenna提供了宝贵参考。结合该文,我们来研究一下如何自制晾衣绳天线。

天线尺寸

晾衣绳天线占用尺寸与典型的半波长偶极子天线相同(注:异于经典半波长偶极子天线,晾衣绳天线更接近于Folded Dipole Antenna),这里的半波长对应的是天线最低谐振频率,如此一来其整数倍频率也可以在天线上自然谐振(当然馈电点可能要移动)。家里的院子大概是12米的正方形,所以很遗憾我们的天线最低只能支持到20米段,对应14MHz。对于晾衣绳天线,天线需要的导线长度加倍,
用随机搜到的一个偶极天线计算器算了下,14MHz对应长度为10.18903米,考虑到滑轮尺寸,大概需要导线长度20.43806米。不过这只是粗略计算,实际还得以天线两端固定点距离为准,不过不会相差计算结果太多。

天线线材

降低成本直接选择钢丝绳。淘宝直径2mm的304不锈钢绳(带PVC外皮,总共直径3mm)卖0.9元1米,买25米足够了,成本22.5元。参考What’s the best wire for a dipole? (video) 对多种材质导线进行的测评,不同材质对辐射信号强度的影响微乎其微,所以没必要用昂贵而脆弱的铜线。有些人推荐AWG 12规格的铜线,不过选择权在你。
另一个关注点是导线是否需要绝缘,即裸线VS带绝缘层。网友测试结果表明,绝缘层会增加天线的电气长度,从而降低谐振频率。例如,按照28MHz计算的长度,实际谐振在26.5MHz。所以在使用带绝缘层的导线时,长度应该比计算长度短一些。
最后是导线的粗细。导线越粗,天线带宽越大。不过这一点主要对于UV段天线有用,短波天线需要为了重量做出妥协。

滑轮

计划使用304轴承滑轮,2只36元包邮。这种滑轮顶部有拉绳固定件,用绳子固定起来应该会很方便。

馈线

需要用到2种馈线。一种是普通的50Ω同轴线,这个没什么好说的,手上有成品线。另一种是300Ω 的“twin lead”,研究了一下其实就是淘宝上卖的老式300欧黑白电视扁馈线,1.2元1米。这种线我们用来连接钢丝绳与巴伦。据VA2ERY称这种馈线的损耗比一般的同轴线小很多,而且由于价格便宜,长一些也没关系。20米长度足够了。

巴伦

为了实现300Ω到50Ω的阻抗变换,需要一个6:1的巴伦。关于巴伦的作用于制作方法可以参考A Ham’s Guide to RFI, Ferrites, Baluns, and Audio Interfacing1:6 VOLTAGE BALUN,不过我手头没有材料,时间也比较紧缺,直接买成品好了,200W的淘宝价格大概72元。
上述成本大概174元,便于加工,可行性很高。
不过我们对40米段还没有死心,半波长偶极子天线到底能不能弯折呢?以下文献对此进行了讨论:

  1. Fitting a dipole into a smaller space
  2. Fold, Bend, and Mutilate Making a Dipole Fit the Space Available
  3. Discussion about Horizontal Dipoles bent into an “L” shape
  4. The Bent Dipole

总的来说,弯折会使半波长偶极子天线增益降低,中央馈电点阻抗变小,不过在能够保证三分之二直线长度的情况下,天线增益损失与馈电点阻抗变化都是完全可以接受的。另外V型弯折后貌似就是倒V天线的变种。

天线表现

前几天抽空把天线拉了起来,由于不方便测量两点距离(估计在11米-12米之间),天线的谐振频率偏低,不开天调情况下,在4.18MHz驻波比为1.0,8.45MHz为1.5,此时馈电点大致在天线中间。底噪比较大,日常S7起步,不过也可能是开关电源以及附近电瓶车充电站的干扰,等香蕉插头线到了用线性电源应该能降低一些。天线长度过段日子应该会进行调整,今天起早发现蜘蛛🕷在天线上结了网,等它搬走再动吧。

使用求精4代电源后的表现

昨天4mm香蕉插头转5.5X2.5mm DC公头的电源线到了,替换下显示器电源后底噪显著降低。40米段底噪从日常的S7起步降到了S4~S5左右,能抄收到一些业余电台的通信了。不过我发现 PS30SWIV 也是开关电源 。。。 过段时间拿电池盒供电对比一下底噪,再决定要不要把它换掉。