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楼主 / smirnoff
- 时间: 2009-1-18 23:23中心频率为 600MHz
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｜ ／＼ ＿＿ Ｃ／Ｆ／４＊１。０１＝１２。６ｃｍ
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辐射器距反射板约 8.2 cm 细调之, 至接收讯号最强
反射板到五金行购镀锌铁网来作
辐射器使用一般 1.0 的 PVC 单心电线绕制
辐射体详图:
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／ ＼
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＼ ／
＼ ／
＼／ 此处交叉, 但不短路
／＼
／ ＼
／ ＼
＼ ／
＼ ／
）（ 此处不交叉, 形成 ＞ ＜, 中央 > < 处接
／ ＼ 5c2v 同轴电缆, 同轴电缆中心导体接一边
／ ＼ > , 外部导体接另一边 <
＼ ／
＼ ／
＼／ 此处交叉, 但不短路
／＼
／ ＼
／ ＼
＼ ／
＼ ／
＼／
将 5c2v 同轴电缆接在 >< 处, 直接往后透过铁丝网引出
增益约有 15dbi 上下
水平波束角约 60 度到 70 度之间
利用 PVC 水管及木螺纹钉作为支撑骨架即可
若还要提高增益, 可再加装导波环四组
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／＼ ＿＿＿＿Ｃ／Ｆ／４＊０。８＝１０ｃｍ
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每个导波环置放于辐射体前方约 18cm 处细调之, 至信号最强
加装一组(四个)导波环, 增益可达 17dbi 上下
加装导波环后, 水平波束角会减小..
辐射器或导波环的骨架固定例(此处以导波环为例):
木螺纹钉
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／＊＼ ｜ ＜－此处绕线
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＼｜ ｜／ 。 如此绕线就可以
＼＊／ ＼｜＼ 在同一平面上
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此天线很适合安装在墙面上或绑在水塔侧边..
若觉得您的接收讯号不佳, 试试这个自制天线, 我拿它在宜兰可以收到台北竹子山的讯号..
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信号强度的差距, 若排除天线频率响应的问题, 主要是看转播站位置, 距离及接收与发射天线的辐射涵盖图形, 另直射波与反射波也
会有所关系..
在无线电领域, 基本的评估方式如下(理想状况):
Ri = Po - Co + Ao - 92.4 - 20 log D - 20 log F + Ar - Cr
Ri : 接收到的信号准位, 单位 dbm
Po : 发射机输出功率, 单位 dbm
Co : 发射机电波馈送电缆传输损失, 单位 db
Ao : 以接收者的位置观察, 发射机天线在此角度的增益,
单位 dbi , 通常发射天线增益会以最大增益方向角
度的增益值来标示,但是以广播发射站而言, 会因接
收者位置的不同, 相对于天线角度的不同, 而呈现不
同的增益..
92.4 : 真空传播衰减常数, 若频率单位改用 MHz 时, 常数
值则为 32.4, 因为 20log F(Ghz) = 60 + 20log F(MHz),
同理, 若距离单位改用公尺或英里, 也是如此转换,
我个人是喜欢用 92.4 的常数..
D : 接收点到发射点间的距离, 单位公里
F : 所使用频率, 单位 GHz
Ar : 接收器天线增益, 单位 dbi 但若发射站位置不在该天
线最大增益方向, 记得扣除相对增益..
Cr : 接收器传输电缆传输损失, 单位 db
以上式子是电波在真空中, 理想状态下的传输, 这里要特别提到一点是, 式子中, 似乎频率越高, 传输衰减越严重,故有些文章会如此
描述, 但实则不然, 式子中频率越高, 衰减越多是因为天线的长度随着所使用波长的缩短而缩短, 故等效截收截面积跟着缩减的关系,
也因为是面积, 故用 20 log 而不是 10 log..
由此式子我们也可以知道, 距离每增一倍, 在其它条件都不变的情况下, 接收信号准位少 6db, 故距离增一倍, 若要维持相同的接收
信号强度, 除了增加功率 6db 外, 就是要提升天线系统 Ao + Ar 6db..
这是理想状况的式子, 在实际情况下, 我们还会碰到障碍物所引起的绕射, 反射等多重影响, 这就用到 "夫累聂" 带的评估, 这在以
后有兴趣时, 再来谈谈..
至于为何要乘上 1.01, 主要是环型天线周长约略等于 1.01~1.1 波长时, 虚数阻抗几近为零(天线谐振), 此时其阻抗值约为 100
ohm, 我们看这种天线结构, 刚好主要是两个环型并接, 故可得到 50 ohm 的天线阻抗, 虽然用在 75 ohm 的接收系统时, 因阻抗不
完全匹配, 其 SWR 会稍高, 但因为是接收系统, 没有发射机, 故不必担心因阻抗不匹配而损坏发射机, 更何况加上反射板时, 天线整
体会呈电感性, 阻抗也会增加, 用在 75 ohm 的接收系统, 不会有啥大问题..
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數位電視接收用的雙菱型及四菱型天線邊長 12.6 公分的由來, 是菱形天線在所使用的中心頻率時, 每個菱形周長為使用波長乘上
1.1 , 此時每一個菱型因為處於諧振, 虛阻抗等於零, 天線不為電感性或電容性, 呈現純電阻狀態, 也就是說只有實阻抗的部分; 在
諧振頻率時. 每一個菱形的阻抗為 100 +- 0j ohm ( j 就是指虛阻抗 ); 而我當初在設計計算時, 是要能順便接收公視類比頻道,
故須包含到公視的類比頻道 (CH50-53) 的頻率 700 MHz, 才取 600 MHz 為中心頻率, 此時菱形單邊長計算為:
C / F * 1.1 * 0.92 / 4 = 300000000 / 600000000 *1.1 * 0.92 / 4 = 12.6 cm
其中
C : 光速..
F : 所使用中心頻率..
1.1 : 菱形天線諧振時的周長比值, 事實上菱型天線諧振的周長比值有兩個, 一個是 1.1, 另一個是 1.5, 前者阻抗變化對應頻率的
變化較為和緩, 也就是說頻寬較寬, 後者變化則相當急劇, 也就是說頻寬相當窄, 而且諧振在 1.5 周長時的實阻抗, 高達近 1k ohm
(實際數值我忘了), 匹配困難..
0.92 : 電波在導體傳輸時, 速率比在真空慢, 因頻率不變, 所以波長要縮短, 稱為波長縮短率; 這個比率視導體種類形狀與直徑而定
, 一般來說取 0.9~0.97 都有, 假如導體直徑達所使用波長的 1/10 以上, 也有取到 0.85 的; 所以取邊長 13 cm 也是可以的..
同理, 在 ISM 頻道的無線網路, 因為頻率高達 2.45GHz = 2450MHz, 故須使用邊長 3~3.2 cm 的菱型..
若要用在 FM 頻道, 則以 88MHz~108MHz 的中心頻率 98MHz, 邊長取約 76~84 cm 的菱形..
動作分析, 以雙菱形為例如下圖:
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＼／
／＼
＼／
上面的菱型, 在諧振頻率時阻抗 100 ohm, 底下的菱型也是, 在中間處併接, 得出阻抗為 100 // 100 = 50 ohm..
因為現今一般的純接收系統, 如電視, 所使用的傳輸同軸電纜及電視接收器輸入阻抗為 75 ohm 的傳輸阻抗, 故嚴謹地說, 雙菱形直
接界接到 75 ohm 的系統, 照說阻抗不是很匹配, 但因是純接收系統, 沒有發射機, 不須考慮高 SWR 所引起的反射波過高損壞發射機
問題, 而阻抗不太匹配的增益損失, 相對於此種天線的高增益, 減少的部分也幾可忽略..
但在無線網路系統, 是具有發射電路的, 故其電路設計與同軸電纜傳輸與輸出入阻抗為 50 ohm, 剛好可以完美匹配雙菱型與四菱型..
中間 " >< " 的部分, 左邊 " > " 接同軸外部導體, 右邊 " < " 接同軸中心導體, 此時電場極化方向就會是左-右呈水平, 故為水
平極化, 而台灣目前主要的電視發射站, 所送出來的電波極化方向就是水平極化, 故雙菱型及四菱型須如此擺法, 才能有效接收電視
波, 而 FM 廣播, 為垂直極化, 故須以 <><> �@樣的�[法方式來接收垂直極化的 FM 廣播電波..
若加裝反射板, 其距離取 8.2CM 是因為菱形天線與反射板間距為所使用中心頻率波長的約 0.16 時, 其 SWR 是最小的; 也就是說因
為反射板的加入, 會使原本諧振時的阻抗偏移且有虛阻抗產生; 而適當調整反射板距離到所使用波長的 0.16 上下, 可以使此時的阻
抗不會偏離原本的阻抗太遠, 而此距離的選用, 也要視反射板的材質, 板或網或其他等, 種類及大小而增減..
至於附近車輛走動所引起的畫面跳動馬賽克甚或黑畫面, 主要是因為汽機車是在運動中, 被其所反射的反射波到達接收天線的相位與
振幅大小會急速改變, 導致主要電波路徑來的電波所受的干擾狀態會急速變化, 等同於傳統類比電視因反射波所造成鬼影, 若是由汽
機車或飛機移動所造成的, 是會移動變化的鬼影, 不像被山或建物反射波的鬼影是不會變動的; 而台灣數位電視所採用的調變方式
OFDM ( or COFDM, 稱為正交分頻多工) 內的子載波, 有一部份會因為反射波干擾的干涉效應而變大或變小甚或不見, 此等影響若是
固定值或是變動和緩, 數位接收機可以計算補正回來, 但若其變動率, 超過數位接收機的容忍程度, 就會導致解碼錯誤, 所以汽機車
若是不動的, 反而沒事..
要排除運動反射源的干擾影響, 就要設法不要去接收或減低此類反射源的電波強度; 改變天線裝設高度或位置或方向, 裝在屋頂遠離
屋緣, 利用屋緣或牆壁遮蔽, 縮小天線波束角等都是可以考慮的方法:
改變天線高度來避開:
＃
←… ｜
←… 電波 ｜
＃ ←… ｜
｜ ↖ 增加高度 → ｜ ↖
｜ ＠反射 ｜ ＠反射波
裝在屋頂遠離屋緣, 利用屋緣遮蔽:
＃ ＃
｜ ｜
＝＝＝＝∥ ＝＝＝＝∥
∥ ↖↖↖ 天線左移 → ∥ ↖↖↖
∥ ＠＠＠ ∥ ＠＠＠
縮小天線波束角, 天線在波束角外的方向, 其接收能力要比波束角內小得多:
四菱形垂直方向上的波束角比雙菱形窄..
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＼／ 。
／＼ 。
＼／ 。
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＼／ 。
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＼／ 。
／＼ 。
＼／ 。
。
或是裝設導波環, 或以合成網路併接數個雙菱型或四菱形構成更多菱型的天線, 或額外搭配拋物反射板等都是可以選擇的方案之一..
裝設導波環或搭配額外的拋物面反射板的用意, 主要是提高天線的指向性, 也就是縮小波束角; 再利用高指向性, 適當調整天線方向(
垂直傾仰角及水平左右角), 以避開干擾源, 但又不失去主要接收來源的電波太多, 也就是說提高 C/N (看成 S/N 也可以), �@才是最
重要的..
加裝導波環, 以四菱形為例, 加裝四組:
＿＿＿＿
／＼ ＿＿＿＿Ｃ／Ｆ／４＊０.８＝１０ｃｍ
＼／
／＼
＼／
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＼／
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＼／
每個導波環置放於輻射體前方約 18cm 處細調之, 至信號最強
加裝一組(四個)導波環, 四菱形增益可達 17dbi 上下, 水平波束角會減小..
輻射器或導波環的骨架固定例(此處以導波環為例):
木螺紋釘
｜︿｜ ＊
／＊＼ ｜ ＜－此處�@線
／｜ ｜＼ －｜－
／ ｜ ｜ ＼ －。－
／ ｜ ｜ ＼
－／－－－＋－＋－－－＼－
（。 ＊ 。）
－＼－－－＋－＋－－－／－
＼ ｜ ｜ ／
＼ ｜ ｜ ／ ＼
＼｜ ｜／ 。 如此�@線就可以
＼＊／ ＼｜＼ 在同一平面上
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｜ ｜ ＊＼ ＊
｜︿｜ ＊ ＼｜＼
／＊＼ －｜－－－－－＼ ＼－－－－
／｜ ｜＼ ｜ ｜＼ ＼
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／ ｜ ｜ ＼ ＼ 。
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實作參考照片
拋物反射板俯視圖:
︳：菱形天線輻射器
︴：菱形天線反射板
拋 ／ →
物 ∕ ↖
面 ︳ ︱︴
反 ﹨ ↙
射 ＼ →
板
另外利用四菱形在垂直方向的窄波束特性, 避開地面干擾源側視圖:
傾斜
|_
｜ ＜ －→ ＼
↖
＊反射源
同理, 水平方向上的反射波干擾來源, 也可以調整天線水平左右角度來避開 (如同上圖, 但傾斜二字改為左右旋轉調整), 但因為菱形
天線的水平波束角較寬, 較不利於此種方法, 必要時, 得使用如同四菱形在垂直方向的陣列疊接一般, 在水平方向上的陣列疊接來縮
小波束角, �@得使用分配合併器, 幸運的是在 UHF 帶, 可以便宜且輕易地購得:
以疊接兩組為例:
Ｌ１ ｜
＋－－－－｜ ANT1
＋－＋ ｜ ｜
接 ｜合｜－－＋
收－－｜併｜
機 ｜器｜－－＋
＋－＋ ｜ Ｌ２ ｜
＋－－－－｜ ANT2
｜
基本上一般運用 L1 長度等於 L2, 此時天線水平波束方向為 0 度 (以俯視來看, 垂直於天線盤面), 若要�@得斜向波束角, 下面以水
平方向四疊接為例:
數個菱形天線, 利用功率分配合成網路, 將每個天線的訊號合併在一起, 在 UHF 帶, 因為有現成的分配合成器, 且價位低廉, 不像在
SHF 帶那麼昂貴, 建議直接購用現成的分配成器即可, 就如同將兩個 YAGI 天線疊接一般, 須考量各個分支電纜長度, 讓每個天線所
截收下來的信號, 到達合併點時須為同相位, 但因為菱形天線的水平波束角相當寬, 若想讓天線最大增益方向不是在正前方時, 可以
增減各個分支電纜的長度, 讓在某方向的電波, 經由各個天線接收下來到達合併點時能夠同相..
如下俯視圖, 希望天線組增益最大方向是斜向左側 N 度
同相位的位置
＼ ＼ ＼／ 各個天線所接收的電波相位, 以最左邊的
＼ ＼ ／＼ 天線為零度來當基準, 則
＼ ＼／ ＼ X = x / (C / F) * 360
＼ ＼ ／＼ ＼ｚ= 電波路徑長 Y = y / (C / F) * 360
＼ ＼／ ＼ｙ ＼ Z = z / (C / F) * 360
↘ ／↘ｘ ↘ ↘
↘ ↘ ↘ ↘
Ｏ Ｘ Ｙ Ｚ 所使用的電纜長度
－＋－ －＋－ －＋－ －＋－ c1.c2.c3.c4 , 須讓電
｜ ｜ ｜ ｜ 波傳送到合併器時
｜ ｜ ｜ ｜ 相位一樣, 那麼天線
ｃ１｜ ｃ２｜ ｃ３｜ ｃ４｜ 最大增益方向就會
｜ ｜ ｜ ｜ 朝向左側 N 度的位置
＼ ＼ ／ ／ , �@種做法, 就如同
＼ ｜ ｜ ／ 相位陣列天線一般..
＼ ｜ ｜ ／ 此處以 c1 的電纜出口
＋－－－－－－－－－－－－－＋ 為 0 度, 那麼 c2 相位
｜ ｜ 延遲就是 -X, C3 為 -Y
｜ 合 併 器 ｜ C4 為 -Z, 那麼電波到
｜ ｜ 達合併器時, 相位就
｜ ｜ 會一樣..
另外要注意, 一般 VHF/UHF 的功率合併分配器, 其每組分支出口的相位有可能相差 180 度, 譬如一分二(二合一), 其兩組輸出相位
可能剛好相反 (視分配合成器的結構而定), 須把此項因素考量進去, 通常的做法是若發現此種現象, 將天線饋電點位置左右互換即可
..
�@裡要注意的是, 電波在電纜中傳送的速度較真空慢, 故利用電纜長度來達到電波相位延遲, 須先查表得知電波在該種電纜的波長縮
減比例, 以 RG58 來說, �@個值約為 0.66, 換言之, 300MHz 的電波在真空中波長約為 1M, 該電波在真空中傳輸一公尺遠的點, 電
壓與原點同相, 故利用一米長的 RG58 傳輸該電波, 在電纜出口處的電波相位與電纜入口比較將會是
L/ (C/F*0.66) * 360 = 1米 / (光速/300MHz * 0.66) * 360 = 185.5 度..
以上僅是舉 RG58 為例, 不是要您選用 RG58, 因為 RG58 的傳輸阻抗是 50 ohm, 除了四分之一波長諧振線的運用外, 一般應該選用
相同特性阻抗的電纜; 在電視接收系統, 就是 75 ohm 的, 譬如 RG59 或 C 系列的, 如 5C2V..
裝設導波環或搭配額外的拋物面反射板的用意, 主要是提高天線的指向性, 也就是縮小波束角; 再利用高指向性, 適當調整天線方向(
垂直傾仰角及水平左右角), 以避開干擾源, 但又不失去主要接收來源的電波太多, 也就是說提高 C/N (看成 S/N 也可以), �@才是最
重要的..
加裝導波環, 以四菱形為例, 加裝四組:
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／＼ ＿＿＿＿Ｃ／Ｆ／４＊０.８＝１０ｃｍ
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每個導波環置放於輻射體前方約 18cm 處細調之, 至信號最強
加裝一組(四個)導波環, 四菱形增益可達 17dbi 上下, 水平波束角會減小..
輻射器或導波環的骨架固定例(此處以導波環為例):
木螺紋釘
｜︿｜ ＊
／＊＼ ｜ ＜－此處�@線
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＼＊／ ＼｜＼ 在同一平面上
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實作參考照片
拋物反射板俯視圖:
︳：菱形天線輻射器
︴：菱形天線反射板
拋 ／ →
物 ∕ ↖
面 ︳ ︱︴
反 ﹨ ↙
射 ＼ →
板
另外利用四菱形在垂直方向的窄波束特性, 避開地面干擾源側視圖:
傾斜
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｜ ＜ －→ ＼
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＊反射源
同理, 水平方向上的反射波干擾來源, 也可以調整天線水平左右角度來避開 (如同上圖, 但傾斜二字改為左右旋轉調整), 但因為菱形
天線的水平波束角較寬, 較不利於此種方法, 必要時, 得使用如同四菱形在垂直方向的陣列疊接一般, 在水平方向上的陣列疊接來縮
小波束角, �@得使用分配合併器, 幸運的是在 UHF 帶, 可以便宜且輕易地購得:
以疊接兩組為例:
Ｌ１ ｜
＋－－－－｜ ANT1
＋－＋ ｜ ｜
接 ｜合｜－－＋
收－－｜併｜
機 ｜器｜－－＋
＋－＋ ｜ Ｌ２ ｜
＋－－－－｜ ANT2
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基本上一般運用 L1 長度等於 L2, 此時天線水平波束方向為 0 度 (以俯視來看, 垂直於天線盤面), 若要�@得斜向波束角, 下面以水
平方向四疊接為例:
數個菱形天線, 利用功率分配合成網路, 將每個天線的訊號合併在一起, 在 UHF 帶, 因為有現成的分配合成器, 且價位低廉, 不像在
SHF 帶那麼昂貴, 建議直接購用現成的分配成器即可, 就如同將兩個 YAGI 天線疊接一般, 須考量各個分支電纜長度, 讓每個天線所
截收下來的信號, 到達合併點時須為同相位, 但因為菱形天線的水平波束角相當寬, 若想讓天線最大增益方向不是在正前方時, 可以
增減各個分支電纜的長度, 讓在某方向的電波, 經由各個天線接收下來到達合併點時能夠同相..
如下俯視圖, 希望天線組增益最大方向是斜向左側 N 度
同相位的位置
＼ ＼ ＼／ 各個天線所接收的電波相位, 以最左邊的
＼ ＼ ／＼ 天線為零度來當基準, 則
＼ ＼／ ＼ X = x / (C / F) * 360
＼ ＼ ／＼ ＼ｚ= 電波路徑長 Y = y / (C / F) * 360
＼ ＼／ ＼ｙ ＼ Z = z / (C / F) * 360
↘ ／↘ｘ ↘ ↘
↘ ↘ ↘ ↘
Ｏ Ｘ Ｙ Ｚ 所使用的電纜長度
－＋－ －＋－ －＋－ －＋－ c1.c2.c3.c4 , 須讓電
｜ ｜ ｜ ｜ 波傳送到合併器時
｜ ｜ ｜ ｜ 相位一樣, 那麼天線
ｃ１｜ ｃ２｜ ｃ３｜ ｃ４｜ 最大增益方向就會
｜ ｜ ｜ ｜ 朝向左側 N 度的位置
＼ ＼ ／ ／ , �@種做法, 就如同
＼ ｜ ｜ ／ 相位陣列天線一般..
＼ ｜ ｜ ／ 此處以 c1 的電纜出口
＋－－－－－－－－－－－－－＋ 為 0 度, 那麼 c2 相位
｜ ｜ 延遲就是 -X, C3 為 -Y
｜ 合 併 器 ｜ C4 為 -Z, 那麼電波到
｜ ｜ 達合併器時, 相位就
｜ ｜ 會一樣..
另外要注意, 一般 VHF/UHF 的功率合併分配器, 其每組分支出口的相位有可能相差 180 度, 譬如一分二(二合一), 其兩組輸出相位
可能剛好相反 (視分配合成器的結構而定), 須把此項因素考量進去, 通常的做法是若發現此種現象, 將天線饋電點位置左右互換即可
..
�@裡要注意的是, 電波在電纜中傳送的速度較真空慢, 故利用電纜長度來達到電波相位延遲, 須先查表得知電波在該種電纜的波長縮
減比例, 以 RG58 來說, �@個值約為 0.66, 換言之, 300MHz 的電波在真空中波長約為 1M, 該電波在真空中傳輸一公尺遠的點, 電
壓與原點同相, 故利用一米長的 RG58 傳輸該電波, 在電纜出口處的電波相位與電纜入口比較將會是
L/ (C/F*0.66) * 360 = 1米 / (光速/300MHz * 0.66) * 360 = 185.5 度..
以上僅是舉 RG58 為例, 不是要您選用 RG58, 因為 RG58 的傳輸阻抗是 50 ohm, 除了四分之一波長諧振線的運用外, 一般應該選用
相同特性阻抗的電纜; 在電視接收系統, 就是 75 ohm 的, 譬如 RG59 或 C 系列的, 如 5C2V..
8.2 cm 的間距要視反射板(網)的結構疏密與材質而定, 並不是在 550MHz 的頻率就一定要是那個值, 一般是以 SWR 計來調整, �@得
最小 SWR 值; 而因為我在製作此天線時, 因原本就不太可能能夠完全匹配 ( 50 ohm vs 75 ohm ), 所以不考慮最佳 SWR, 乃以�@得
最高增益為出發點, 更何況當初為了涵蓋公視類比頻道, 是取 600MHz 為天線中心頻率; 會取 8.2cm, 只是以之前製作結構相同的無
線網路天線, 去換算波長, 在製作好後調整最高增益�@得的, 因為還要裝設導波環, 會有兩組變數, 反射板間距與導波環距離, 為方
便測試製作, 乃先固定反射板間距量測, 確定效能如預期後, 再裝設導波環調整之以進一步提高增益, 所以您從我所製作天線的相片
中可以發現, 導波環的固定支架, 是以不同管徑 PVC 水管套管, 以方便前後伸縮移動調整..
當然若要最佳化, 兩組變數都納入調整是最好的, 此時反射板間距就很可能不會是 8.2cm 了, 您若有興趣, 不妨試作一組, 列表出測
試結果, 以嘉惠眾 diy 網友.... ^_^ -
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- 时间: 2009-1-18 23:39
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高增益High Gain 四菱形 BiQuad 数字电视HDTV 接收天线DIY
