UHF低功率小型天线的设计要点之令狐文艳创作

UHF低功率小型天線的設計要點

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令狐文艳

●前言

●談天線

●天線格調

●天線的特性

●鞭狀天線

●短鞭狀天線

●平面螺旋天線

前言

最近有幾個小型的無線電網路系統正在發展當中，比較有名氣的包括有藍芽系統(Blue-Tooth)及HomeRF等，這些都是微功率的通訊系統，自然也會大量牽涉到選用的天線系統。

另外，不論是保全或者是汽車遙控等其它民生用途，也應用到許多的微功率無線電通訊。還有許多其它像是影音傳輸等消費性電子產品，也應用到不少的微功率無線電系統。

在這些應用當中，最為普遍的首推ISM波段(註1)的應用，因為依照國際電訊聯盟(ITU)的規範，使用ISM波段不需要申請執照，也就是該波段是屬於開放性的，因此這裡也就以ISM波段應用的天線為例子來做說明，其中使用最普遍的頻率是

434MHz及916MHz(註2)。

一般開放性資料庫當中，有關UHF小型天線的資料非常有限。對於微功率無線電通訊相關產品而言，天線的品質非常重要，因為它主宰了有效的通訊距離，因此天線的選用與設計是非常重要的。

此類產品的設計中，於天線設計方面，除了成本考量外，還必須要選對天線的種類，才能達到最好的成本/性能比。

除此之外，與發射機及接收機的匹配與調諧也非常重要，為了要有最佳的整體性能，設計者自然要懂得天線的工作原理，以及應用時的一些重要考慮因素。本文最主要的目的是希望能夠協助此類天線的非專業設計者，能夠從有限的基本知識中，以很有效率的方式，完成最佳的天線設計。

在未進入主題之前，先以淺顯的方式來介紹早期天線發展的歷史，雖然這是以業餘無線電的眼光及角度去看的，但是早期無線電的發展與業餘無線電的發展，幾乎是可以畫上等號的，因此，這實際上也可以說是無線電天線的發展史。

一門失落的藝術-正本清源談天線

如果你是一位資深的業餘無線電愛好者，那麼我想你一定也熟悉天線（Antenna）的另一個名稱，叫做Aerial，所謂Aerials就是指一條條用來發射或接收無線電訊號的長導線；當然這是指高科技人員在還沒將它們發揚光大，並稱它們為天線之前的情況。一群無線電盤古開天的無線電家們，經常利用各種導線來測試他們所發明或改良的無線電機器，一般情況下是雜訊橫飛，更慘的是導線融化，再不然呢就是真空管燒了一大堆，或者是保險絲燒了一大片。

我完全沒有正規的天線理論基礎與這方面的學府教育，所以決定用“以古鑑今”的方式來了解天線。當然最主要的是，我打算介紹幾種原先被認為不可能實現的天線，但實際上使用如常，那其中的奧秘自然值得探討。

天線的發展歷史

■Whire無意中發現了天線

我們一路回到最早期的無線電發展，在電力未發明以前，所有的機器大都是以煤油供應動力。最早期的一個實驗家名叫懷爾(Whire)，他發明的無線電發射機可以發出很大的火花，實際上他發明的就是以火花放電原理，來產生無線電波的火花放電發射機。但是在實驗過程當中讓他最納悶的是，試用了無數的方法，就是無法很清楚地接收到這部火花發射機所發射出來的訊號。

後來有個用來印證電波是不是會受一般有形物阻擋的試驗，試驗過程中他就把發射機擺在桌子底下，為了想取得訊號，於是把接收機用一條導線吊在天花板上，就這樣用來驗證電波是否可以穿透實驗桌面。而令他感到意外的是，吊接收機的這條導線，竟然使接收機的效率好了許多，因此他就把吊著的導線留在那裡，從此便稱他的接收機為無線電接收機(WirelessSet)，他並且把這一份結果整理成報告發表於QST 雜誌(註3)上。

■Grownd發現接地的妙用

在Whire發現天線的雛形之後好幾年，另一位名叫Grownd 的發現到，供電給桌子上的檯燈有兩條導線，但是接收機的天線只有一條，為什麼只有一條天線可以做得那麼好，因此他就針對這個問題繼續探討下去。

這個問題讓Grownd困擾不已，但是事情就是如此之巧，就在不久後他買了一部車子，且發現車燈也是使用一條導線而已，當然還有另一條線是接車子的外殼。這促使他想到一個問題，那就是：若同樣把發射機的其中一條導線接到一個共同的接點上，是不是會比較好？於是他就用了一條金屬管打入地底下，並拉出一條線接到發射機上頭，這竟然使訊號增強了許多，同樣地他也把這重要的發現發表在QST雜誌上，於該文中建議每一座無線電台都需要有接地(Grownd)。

■蹺蹺板延伸出來的Diople在天線發展史上，接下來一個主要的突破，是由Diople發明。有天當DIP(Diople的暱稱)走過一個遊樂場時，發現當地的獅子會員正在玩蹺蹺板，他發現這些獅子會員都很快地能保持平衡，這想必其中有人運力，使蹺蹺板在極短的時間內保持平衡。

DIP回到家後，馬上拿了一條導線接到機器外殼上頭，另一條導線則接發射機輸出，這就成為一組嶄新的天線，其實此天線就是後來所稱的DIOPLE天線，是為了記念Diople，而以他的名字來命名。

■檯燈聯想出來的虛接地

在QST上讀過Whire Grownded Balanced-Lion-fedDipole 天線之後，一位名叫CountHerpoise的歐洲貴族，他發現自

己的檯燈不只兩條線，而是三條線，因為這國家的電力系統是330V，這雖然很正常，但是他想到為什麼北美地區也要有三條線。這也就促成他發明了虛接地線，而此理論當時很少人知道，甚至有人不以為然。

不過今日對天線有興趣者，必定知道，虛性接地是必須的，而這些虛接地通常也稱做Counterpoise，用發明者的名字來稱呼它以資紀念。另外也在QST上讀過Whire Grownded Balanced-Lion-fedDipole天線的VonTrap，由於他家空間不夠大，所以沿著天線每隔幾英呎左右繞幾個圈，好把過長的部份纏繞起來，並且在纏繞的電感上並聯電容，這也就是崔伯雙偶極(TRAPDipole)天線的誕生。

從美國QST雜誌發行有史以來，寫過有關天線發展史的，我全讀遍了(註4)。其中最富傳奇色彩的是物理學家MorriesNimatch，他的朋友們都暱稱他做Mo，他是第一位提出天線理論，有關饋送到長條天線的功率，有些不會被輻射出去。

他為了徹底了解這一理論，有關功率發射出去的有多少，以及被反射回來的有多少，而發明了駐波比錶（駐波比現在英文正名為StandingWave Ratio;而當時SWR是See WhatReturns的縮寫，意思是有多少功率被折返）。為了紀念駐波比錶發明者，以前曾有人把駐波比錶稱做MoNimatch。

很多有關簡易的駐波比錶製作，從早期的文章中不難找出來做參考。當然懶惰的現代人，到店裡掏出腰包，便可以把一個價昂但很精美的駐波比錶帶回家。

QST照例報告了極為成功的Monimatched Whire Grownded CountHerpoise Balanced-Lion-fed Trap Dipole天線。這一系列的發展下來，很像印度教的導師精神。最後一位承襲者是RaoulRandom，他發現蹺蹺板上兩端物體互異，但是調整距離也可以達到平衡。從前文一系列發展下來，我們可歸納出以下幾點總結：

※無線電機器，有一條導線接著之後，性能便好的不得了，這導線就稱為天線(Aerial)。

※如果把上述無線電機器的外殼接地，那性能就更妙。