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【火腿课堂】天调那些事 真滴需要配备天线调谐器吗?

业余无线电2018-10-12 14:17:32

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No.40   1996 May.  p64~68,   by 林茂荣 Paul Lin, BV5OC, P.O. Box23-575 Changhua


所谓的「天线调谐器」 (ANTENNA TUNER),其实是一种错误的称呼,至少与事实不相符合。天线调谐器听起来好像是可以用来「调谐」天线,就好像是环型天线内的电容,可以调整天线的共振频率一样。应该叫做「天线匹配器」

 

实际上,天线调谐器应该叫做「天线匹配器」才对,它是一种介于发射机与天线系统之间的匹配器,可以让发射机往外看时,会有 50 奥姆的阻抗负载,这样可以让发射机有全额的输出功率,也可以保护发射机;至于天线的效率,则完全不受天线调谐器的影响。所以说,使用「天线调谐器」是一种错误的称呼,因为它完全与天线无关。但是为了从俗,下面要讨论的主题,是有关天线匹配器,既然一般都称呼它为天线调谐器,因此下面也就使用「天线调谐器」这个称呼。而在中国大陆上,对于天线调谐器,一般的口语就叫做「天调」。

 

下面要讨论的是天线调谐器的基本原理、使用时机、不该使用的时机,选购上的某些细节、以及使用上的一些注意事项。


发射机与天线不能协调时

 

每只天线都有以阻抗来表示的自然特性,这就像是你使用的同轴电缆馈送线,有阻抗特性一样。

 

「阻抗」一词转来好像很复杂,不像是所谓的电阻那么单纯,的确,所谓的阻抗,就是包括有出电感因素形成的「感抗」,电容因素形成的「容抗」,还有单纯的「电阻」。不过有关「阻抗」最好还是就此打住,不要再详细讨论了,因为我们是要谈论天线调谐器实务,而不是电学课或是学术论文。

 

我们可以把「阻抗」看成是对射频 (交流 )电流在线路里的一种阻力,而收发机就是产生射频电流的地方,至于包括馈送线在内的天线就是所谓的「线路」。

 

影响天线系统阻抗的一般因素


天线系统的阻抗大小,自受到许多因素的影响,包括有天线长度、工作频率、天线架设离地高度、天线附近物体的相互影响、甚至是气候的变化等。至于馈送线的阻抗大小,则与制造的格式有关,例如同轴馈送线常见约有 75 及 50 奥姆,而扁平的或开放式的馈送线,则有 300、450、或是 600 奥姆等几种。

 

天线馈送线的角色

 

一般人对于馈送线的想法是,它把收发机与天线连在一定,如此而已;实际上,馈送线可以看成是一种在系统内的阻抗变压器,因为天线的阻抗是透过馈送线之后,才被收发机「看」到的,而这种包括馈送线在内的天线系统阻抗,就是收发机输出射频能量的负载,就好像是电池接上一只灯泡,灯泡便成为电池的负载一样。

  

50 奥姆负载真好

 

大多数的收发机设计是采用 50 奥姆为标准负载,如果你的收发机看到了 50 奥姆或是接近 50 奥姆时,那么就会显得优裕快活,此时不论是压下麦克风发射,或是敲下键发出CW,抑或是透过计算机操作数据通讯,真是无往不利。

 

离 50 奥姆太远的负载产生大驻波

 

可是,如果负载不是 50 奥姆,会发生怎么样的状况呢?这就是所谓的「不匹配」。如果有不匹配的情况,发射机输出的射频功率就会有一部份被天线系统反射回来,反射的功率还是由馈送线回到收发机来,而这些反射功率又会被收发机反射回天线,于是在馈送线内就有正向讯号与因反射所产生的逆向讯号,在馈送线内形成所谓的驻波。

 

用驻波比表量驻波比值

 

利用驻波比表,你可以测量到正向功率与逆向功率。当驻波比值是 1:1 时,表示没有反射功率,这是理想的情况;相反地,当驻波比值是 3:1 或更高时,就表示有一定量以上的反射功率发生,这是一种坏消息。

 

当系统发生驻波比值时,可能含在馈送线内或是发射机的输出网络中出现很高的电压,这对发射机而言,是一种很危险的状态,尤其是近代的收发机,发射后级都采用耐不起高压的晶体管或场效晶体管,更是危险。

 

为了避免因为发生这种情况而伤害到收发机,一般的发射机线路内都含有驻波比值侦测线路,当驻波比值太高时,线路会让发射机的输出功率自动降下来,参看图 1。

 

老式的真空管发射机比较不怕高压侵袭,但是真正有很高的驻波比值时,还是会有损伤真空管之虑。

 

 

 图 1:大多数的收发机设计是采用 50 奥姆为标准负载,如果收发机与负载不匹配,发射机输出的射频功率就会有一部份会被天线系统反射回来,反射的功率还是由馈送线回到收发机,而这些反射功率又会被收发机反射回天线,于是在馈送线内就有正向讯号与因反射所产生的逆向讯号,在馈送线内形成所谓的驻波。当驻波比值是 3:1 或更高时,就有可能因为产生的高压而烧坏发射机。 

 

天线调谐器可消除发射机看到的高驻波比值

 

如果收发机与天线系统很不匹配,而直接把天线系统接到收发机的话,情况会怎样呢?

 

高的驻波比会使发射机输出功率降下来,更道的情况是,恐怕你得准备一笔修理费。不论如何,你总是要让收发机看到 50 奥姆左右的负载才行,而这最简单的办法,就是使用天线调谐器。

 

天线调谐器的基本工作原理

 

基本的天线调谐器线路只是一种很简单的电容与电感被动网络,透过调整电感与电容,也就是调整容抗与感抗,可以让收发机往外看到了阻抗接近 50 奥姆的负载。一但发射机的负载匹配,就可以完全供应输出功率。

 

用天线调谐器转移不匹配

 

或许有人会问,那天线调谐器只是把不匹配的部份揽到接天线的那一端丢而已?对的,实际上也就是这样,因为不匹配的情况依然存在,但是这不匹配的情况是存在天线调谐器输出与天线之间,而不是发射机与天线之间,参看图 2。

 

 图 2:天线调谐器只是把不匹配的部份揽到接天线的那一端去而已,不匹配的情况依然存在,我们只不过是利用天线调谐器来保护发射机,让发射机可以全额功率输出。 

 

总之,我们只不过是利用天线调谐器来保护发射机,而且让发射机可以全额功率输出,如果天线调谐器设计得当的话,应该可以忍受高驻波比所产生的高压问题。

 

转移问题重心来解决问题

 

当然,这些反射功率依然是在天线调谐器与天线之间的馈送线内弹来弹去,也就因为这样,有些射频功率就被馈送线消耗掉了。所以,如果天线调谐器与天线之间采用低损失馈送线的话,大部分射频功率还是会由天线辐射出去的,这样一来,发射机「快乐」,你也会觉得「快乐」,如此结果,夫复何求!

 

使用天线调谐器的时机

 

■使用高阻抗的馈送线时 

 

一般业余电台还是以 50 奥姆非平衡式的同轴电缆馈送线为大宗,但是有些高阻抗的馈送线,像是平衡式的阶梯馈送线 (很像传统的 300 奥姆家用电视讯号馈送线 ),或是平衡式的开放式馈送线,其阻抗大约在 450- 600 奥姆之间,而且单位长度的讯号损失量很低,比同轴电缆还低很多。

 

倒是使用这类低损失的馈送线有个问题要注意,那就是这种馈送线是平衡式的,而发射机的输出是采用非平衡式,因此必须使用附有平衡非平衡转换器的天线调谐器,作为非平衡发射机与平衡馈送线之间的桥梁。

 

所谓的平衡非平衡转换器 (英文名 BALUN,这是 BALance to UNbalance 的缩写 ),就是用来把平衡式的馈送线改为非平衡式,或者是倒过来用。大多数的天线调谐器都内附有 4:1 的平衡非平衡转换器,这样一来,就可以接受高阻抗的平衡式馈送线了 (假设天线调谐器可以调谐的范围是 20-250 奥姆,那么经过 4:1 的平衡非平衡转换器之后,就可以接受 80-1000 奥姆的平衡式馈送线 )。

 

■在原设计波段范围外发射时 

 

假设要利用 40 公尺波段的天线来供 10 公尺波段使用,这时候一定会发生很大的匹配问题,也因而有很高的驻波比值,这时候使用天线调谐器,「也许」可以让你的发射机看到驻波比值是 1:1 的情况,之所以说也许,是因为有时候不匹配的情况很糟糕时,就连天线调谐器也无能为力。要特别谨记在心的是,高驻波比会使馈送线的损失量加大,使用天线调谐器,只是把发射机的功率「骗」出来而已,当然这会增加天线的辐射功率,但是并没有增加天线的辐射效率,这一点要特别注意。

 

■某些波段的 SWR 带宽太窄时 

 

首先要解释什么叫做 SWR 带宽,所谓的 SWR 带宽是指在驻波比值 2:1 范围内所涵盖的频率范围,通常是以 KHz 来表示,例如带陷式的双偶极多波段天线,在 80 公尺波段上,驻波比值 2:1 左右的频率范围是 3600- 3800KHz,我们就说这天线在 80 公尺波段上的 SWR 带宽是 200KHz。

 

有些多波段的天线,常因为材料、设计等因素的关系,使得在某些波段上,无法提供够低的驻波比值,涵盖整个波段。像上面的例子,如果你要使用 3800KHz 以上,或是 3600KHz 以下的频率,那么驻波比值就会超过 2:1,这会使你的发射机「感到不高兴」,而自动把输出功率降低;如果使用天线调谐器,这会使发射机看到的负载还是 50 奥姆,而有 1:1 的驻波比值,这样就可以让发射机有全额输出,把功率送出到天线系统。

 

不应使用天线调谐器的时机

 

■驻波比值在 1.5:1 以下时 

 

一般而言,驻波比值在 1.5:1 以下,算是正常,并不需要加装天线调谐器,而且大多数发射机也都可以忍受1.5:1 的驻波比。实际上,不是很大功率输出的发射机,甚至可以接受 2:1 的驻波比。如果你使用低损失量馈送线的话,在高频范围内,驻波比是 1.5:1 或是 2:1,对于功率损失,根本微不足道,没有必要坚持天线系统一定要有 1:1 的驻波比。

 

■在 VHF/UHF 频率范围内有高的驻波比值时 

 

市面上当然有 VHF/UHF 频率范围的天线调谐器,不过建议你无论如何要省下这笔钱,因为天线调谐器只不过是把系统不匹配的部份盖住,不让发射机看到而已,实际上的不匹配情况是依然存在的。而在 VHF/UHF 频率上,任何的同轴电缆馈送线,当驻波比高时,都会有相当大的射频功率损失量。在此情况下使用天线调谐器,虽然会使发射机快乐起来,但是发射机多输出来的功率,依然是会被馈送线损耗掉。

 

最好的应付办法是调整天线本身,让它确实与系统匹配,如果调不好,可以仔细查看馈送线有无问题,或者是天线架设是否妥当。

 

■干扰到邻居的电视、电话、甚至家用产品时

 

不论你以前有过怎么样的想法,或者是听过别人怎么谈天线调谐器,实际上,天线调谐器对射频干扰的问题一点帮助都没有,不过,天线调谐器可以减少产生谐波这倒是真的,所以若是纯粹因为谐波所产生的干扰,使用天线调谐器可能会收效。

 

然而大多数的射频干扰,是因为间接由缆线或是电线拾取到的,或者是直接由设备产生出来的,所以使用了天线调谐器之后,这些原本就到处乱窜的射频讯号,因为输出功率加大了,反而使射频干扰更加严重。

 

评估适用的天线调谐器

 

如果你认为自己必须要有部天线调谐器,但是天线调谐器各式各样,大小、型状、功能不一,必须要有哪些功能呢?下列意见提供作参考:

 

■内附驻波比表功能 

 

要使用天线调谐器,就必须要准备驻波比表。当你调整天线调谐器时,必须注意反射功率的变化,此时的目标应该是要让反射功率降到零,至少也要很接近或尽可能地小。当反射功率是零时,那就表示发射机输出口的驻波比值是 1:1。如果天线调谐器不含有驻波比表的话,也可以单独另外购买,而收发机上的多菜单头,应该也已经包含有驻波比表功能。

 

■内附滚筒式的(ROLLER) 或接点式的 (TAPED) 电感

 

价格昂贵的天线调谐器,会配备有滚筒式的电感,当你调整天线调谐器面板上的电感钮时,内部的电感会旋转,一只金属的转轮,就会像是火车在铁轨上行走一样,它可以上下移动,电感值也会跟着上升下降。价格比较低的天线调谐器,电感则采用接点式的,应该也可以称做是抽头式的。一只电感,分成十个以上的抽头,然后由天线调谐器面板上的电感选择钮来切换。

 

这两者各有优缺点,滚筒式的电感可以调到更好的理想点,但是机械结构容易磨损故障,例如,电感遭腐蚀的话,会使得电感接触不良;使用上,滚筒式也比较麻烦,当更换波段时,你可能要转来转去好几次,才能找到真正的理想点。而接点式电感在使用上就没有那么麻烦,机械结构问题的考虑也没有了,可是使用接点式电感时,你会发现,调谐的频率范围好像很有限,因为当你利用选择开关切换电感时,这电感值是固定的,当碰到某些需要特别的调谐点时,你就只能在这两相邻的电感之间选择。

 

■内附有平衡非平衡转换器 

 

如果你打算要使用高阻抗的馈送线,那么就必须要买一部内附有 4:1 的平衡非平衡转换器,这类比例高的平衡非平衡转换器,通常都会因为有比较高的功率损失而产生大量的热,所以要选用大额定功率的平衡非平衡转换器,这也就是为什么一般 100 瓦发射机用的天线调谐器,内附的 4:1 平衡非平衡转换器,都是采用额定功率 300 瓦者。

 

■内附天线开关及天线假负载 

 

有些天线调谐器会附有两只以上的天线端子,并且有选择开关可以切换,有这些设计,使用时会很方便。例如你有 40 公尺波段到 10 公尺波段的垂直天线,并且有 50 公尺波段的偶极天线,这样,你可以把这两只天线都接到天线调谐器,选用时就直接从天线调谐器的面板开关来切换,这样不只可以省去一只射频开关的费用,也可以使系统更简洁。

 

而内附的假负载,虽不必一定要有,有时也很方便。假负载是由纯电阻构成的,当你不希望发生射频辐射,而却必须要使发射机动作时,它可以吸收掉发射机释放出来的射频功率,这对于调整发射机或是其它测试时,会很方便。若天线调谐器内没有假负载时,日后有需要时也可以单独购买。

  

 一般的收发机大多附有内装的天线调谐器,如果没有,也可以单独另外购买;而收发机上的多菜单头,应该也已经包含有驻波比表功能。 

 

■自动天线调谐器 

 

自动天线调谐器有时也成为收发机的标准配备而装在收发机内成为一体。 

 

大多数的收发机制造商也都提供自动天线调谐器供客户选择,有时这些自动天线调谐器也成为收发机的标准配备而装在收发机内成为一体,有些则可以分开。如果你需要常常快速更换工作波段,自动天线调谐器会很方便,你只要一按钮,天线调谐器就会自行调整电感及电容,达到最低的驻波比值。

 

有些自动天线调谐器还可以自动感应,只要更换工作频率,它就会自动进行调整,更有些自动天线调谐器附有记忆功能,只要天线不变,它可以在极短的瞬间,完成调谐的工作。

 

虽然自动天线调谐器好用,但是它们比较昂贵,而且调谐的范围也受限。如果你的操作习惯或风格,是常要更换波段,例如通讯比赛等,那么就可以考虑自动天线调谐器,否则,可以省些钱,买个一般手动的天线调谐器就好了。

 

天线调谐器的额定功率

 

如果你的收发机输出功率是 50 瓦或 100 瓦,你一定会认为,那么天线调谐器的额定功率只要 200 瓦或是 300 瓦就够了对不对?这可以说是对,也可以说是不对,因为你一定要记得,天线调谐器会因为介入的线路之间极不匹配,而使得天线调谐器出现很高的射频电压,如果你在驻波比值很高的情况下使用天线调谐器,这会使天线调谐器遭受高压侵袭,可能因而出现弧光,这是因为电容转盘间,或是电惑的绕线间经不起高压而产生的。天线调谐器出现弧光时,会出现吱吱叫的嘶声,很像是晨间或是下雨时高压电杆的放电声,而且天线调谐器上的反射功率指针也会有颤动的现象,这时候,一些干扰现象也会明显的恶化,严重时甚至会看到天线调谐器内发出闪光。天线调谐器发生弧光就惨了,这表示你的天线调谐器有话要说了,它说,『快停!这样子的不匹配情况我地无能为力了。解决弧光的办法,一是把收发机输出功率降低,二是改用额定功率更大的天线调谐器。

 

大额定功率的天线调谐器内,使用更耐高压的电感及电容,电容片之间的距离比较大,电感绕线的螺距也比较大,这样就不容易出现弧光现象。如果情况许可,购买天线调谐器时,在负担得起的情况下,最好尽量考虑买大额定功率的天线调谐器,最好是买 1.5KW 的;但是低功率操作者也不必牛刀宰鸡。大而壮的天线调谐器当然是比较贵,但是它可以提供安全、高质量,且更长时间的服务。

  

 购买或是自制

 

当你徘徊在杂志上的广告时,你可以发现天线调谐器不仅牌子多,每种厂牌更有上打的机种。这类的天线调谐器算是大宗产品,因此在价格及质量上,都还算合理。

 

如果你是一位凡事喜欢自己动手的人,下一个制作可以考虑天线调谐器,它的主要材料都是属于机械性的,又不牵扯电子零件。老实说,自制天线调谐器的成功机率很高,性能也只受材料的好坏所影响,要制造出一部不良的天线调谐器还真不简单呢!更重要的是,完成后,你身边又多出了一件自己的得意作品。


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