電波傳輸與天線增益及頻率概論     內容提供人:網路名 山賊先生



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電波傳輸衰減公式的單位換算:


1. MHz 與 GHz 取 log 值時, 常數 32.4 與 92.4 之間的轉換:


因為 1GHz = 1000MHz, => 1MHz = 0.001GHz, 舉例說明如下:

某頻率 F = 1,500,000,000 Hz, 以 MHz 為單位表示時, 數字項為 1500, 以 GHz 為單位時, 數字項為 1.5 =>


32.4+20Log(1500)=32.4+20Log(1.5)+20Log(1000)
                =32.4+20Log(1.5)+60
                =92.4+20Log(1.5)
          ∼∼∼∼∼             ∼∼∼
         頻率以 MHz 為單位       頻率以 GHz 為單位


2. 頻率 MHz, 距離為英里時的常數:

已知 1 Mile = 1.609344 KM, 所以若某距離 D = 2000M, 以單位為 KM 時, 數字項是 2, 以英里為單位時, 數字項是 2 / 1.609344 = 1.243

32.4+20Log(2)=32.4+20Log(1.243*1.609)
             =32.4+20Log(1.243)+20Log(1.609)
             =32.4+20Log(1.243)+4.13
             =36.5+20Log(1.243)
          ∼∼∼            ∼∼∼∼∼∼∼
        距離以公里為單位         距離以英里為單位

同樣方式也可以推頻率為 GHz, 距離為英里時的常數..

電波真空(自由空間)傳播衰減的推演:

基本上它是與空間維度有關, 所以我會先舉一維與二維空間為例, 然後推演三維空間的式子..


首先是一維, 如下圖:


 A——-------→B

某一點光源, 在 t0 時從 A 發出功率為 W 的光波, 經過一維空間 "線" 到 B, 每單位時間 t, 該光波前進一線段 "-", 隨著 t = t0 到 t10, 因為該波都被侷限在該線中, 到 t=t10 時, B 接受到同樣是 W 的光波功率; 故其真空衰減式子 Loss = 0, 與距離無關.

========================================================

再來是二維, 如下圖:

     ___________
    /           \
   /  _________  \
  /  /         \  \
 /  /  _______  \  \
/  /  /       \  \  \
| /  /  _____  \  \ |
| | /  /     \  \ | |
| | | /  ___  \ | | |
| | | | / A \ | | | |B
| | | | | * ∥J∥J∥J∥J*
| | | | \t=0/ | | | |
| | | \   ̄ ̄ ̄1 / | | |
| | \  \_____/  / | |
| \  \       2 /  / |
\  \  \_______/  /  /
 \  \         3 /  /
  \  \_________/  /
   \           4 /
    \___________/
                5


某一點光源, 在 t0 時從 A 發出功率為 W 的均向光波, 經過二維空間 "面" 到 B 所處圓環; 每單位時間 t, 該光波就前進一線段距離; 光波在 t0 時, 位於點 A 功率為 W, 在 t1 時, 光波功率分散到 t1 的圓環上, 整個 t1 圓環的光波總功率還是 W, 在 t5 時, 分散到 B 所處圓環上, 整個 t5 圓環 (也就是 B 所處圓環) 的光波總功率還是 W.

已知圓周 P 與圓半徑 R 的關係式是 P = 2πR, 而雖然在 t1 圓環的光波總功率是 W, 但是密度 S1 為 W / P1 = W / (2πR1), t5 圓環的光波功率密度 S5 = W / P5 = W / (2πR5)

由此可知在二維空間, 波的強度與距離成反比.

 
有一天線, 其接收截線 (因為是二度空間) 佔掉圓環一部分長度 J, 其所截收下來的波的功率:

M = Sn * J = W / Pn * J = W / (2πRn) * J

此處的 Rn 就是發射與接收的距離 D.

M = W / (2πD) * J....(1)

故二度空間傳輸衰減

Loss = W / M = W / {W / (2πD) * J} = 2πD / J.....(2)

因波長 L 與頻率 F 的關係為波長 L = 波速 C / 頻率 F; 而電波收發, 與其天線所對應的波長有關, 波長越長, 天線長度越長, 在二度空間中, 若將一個均向單元天線 (増益為1) 的接收截線定義為其半波長 0.5L, 代替 (1) 式的 J, (1) 式就變成

M = W / (2πD) * 0.5L = W / (4πD) * C / F.......(3)

故考量天線工作頻率的二度空間傳輸衰減

Loss = W / M = 4πD*F/C.....(4)

(4)式乍看之下, 似乎頻率越高, 衰減越高, 也就是截收到的功率越低, 實則不然; 從前面 1 & 2 式敘述得知, 波的二維空間傳輸衰減僅與距離成正比, 推到後面卻與頻率有關, 是因為天線長度所佔的圓弧比例之故; 波長越長, 天線長度越長, 所佔掉圓周比例越大, 反之則反; 所以諧振頻率越高的均向天線, 因為天線長度越短, 在圓環上所佔圓弧越短, 截收下來的功率就越少, 而不是波的頻率越高, 波本身在空間傳輸過程的衰減越嚴重..


所以若某天線系統, 不管任何頻率, 在圓環上所佔圓弧長度都是一樣時, 情況就是 (2) 式, 所獲得的截收功率都是一樣.

接下來是三維:

因為三維多層同心球面體很難畫圖 (還要透視), 所以請參考前面二維的同心圓, 但是將之想像成是三維的.


三維球面積的計算公式是:

     2
 B = 4πR  , 其中 R 是半徑, 以距離 D 代替,


                W      W
因而球面上的功率密度 S = --- = -----
                B       2
                      4πD


所以某一接收截面積為 N 的天線, 它所接收到的功率就是

              W
 M = S * N = ---- * N
               2
             4πD


已知一個三維空間均向天線 (增益=1,也就是 0 dbi)的等效截面積

       2
      入
 A = ----
      4π

(這邊要提醒一下, 二維空間說明中的 "均向單元天線接收截線為其半波長" 那一項, 只是用來舉例說明頻率與傳輸衰減的關係, 不見得在二維時真的是那樣)



將三維空間均向天線的等效截面積 A 取代截面 N, 則其接收功率為:

                      2        2
               W     入      W*入
 M = S * A = ---- * ---- = -----
                2              2
              4πD     4π    (4πD)


                           2
                  W    (4πD)
故三維空間傳輸衰減 Loss = --- = ----- 
                  M       2
                         入

因為波長 入 = 波速 C / 頻率 F, 將之代入上式成為三維空間傳輸衰減:

            2            2
        (4πD)    (4πD * F)     4π  2   2   2
Loss = ------ = --------- = (----) * D * F
          C 2        2        C
        (---)       C
          F


將上式三維空間傳輸衰減以對數表示之成為:

                      4π  2         2         2
 10LOG Loss = 10LOG (----) + 10LOG D + 10LOG F
                       C


            = 20LOG(4π/C)+ 20LOG D + 20LOG F


= -147.558 + 20LOG D + 20 LOG F

(在這裡波速 C 為光速 = 300000000 公尺/秒, 距離 D 的單位是公尺, 頻率 F 的單位是 Hz.)



用上面曾經解釋過的 "常數 32.4 與 92.4 之間的轉換" 的方法, 將單位改為距離是公里, 頻率是 MHz, 則


Loss(db) in KM & MHz

= -147.558 + 20 LOG (D * 1000) + 20 LOG (F * 1000000)

= -147.558 + 20LOG D + 60 + 20LOG F + 120

= 32.442 + 20LOG D + 20LOG F


同樣若將單位改為距離是公里, 頻率是 GHz, 則

Loss in KM & GHz

= -147.558 + 20 LOG (D * 1000) + 20 LOG (F * 1000000000)

= -147.558 + 20LOG D + 60 + 20LOG F + 180

= 92.442 + 20LOG D + 20LOG F


這就是之前曾介紹過, 評估自由空間電波傳輸時, 所使用的的傳輸式子中的空間傳輸衰減項目:

Ri=Po-Co+Ao-92.4-20LogD-20LogF+Ai-Ci
           ︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿

Ri:接收信號強度
Po:發射機輸出功率
Co:發射傳輸電纜系統損失
Ao:發射天線增益
D: 距離, 此處單位是 KM
F: 所使用頻率, 此處單位是 GHz
Ai:接收天線增益
Ci:接收傳輸電纜系統損失


各位也可以自行計算, 將單位分別改為英尺與 KHz 等..


同樣地在看待傳輸衰減公式時, 要注意該式中的頻率所代表的意義, 從二維的例子已經知道是因為不同波長均向天線本身的截 "線" 長度不同的關係; 在三維也是這樣, 是因為不同波長均向天線本身的截 "面" 面積不同所致, 而不是波的頻率越高, 波本身在空間傳輸過程的衰減就越嚴重..

天線空間截面積與頻率及增益的關係:

所以相同空間截面積的某天線, 若不考慮其在不同頻率的響應問題, 那麼相同空間截面積在不同頻率 (或波長) 所截收得的波功率都是一樣的, 換言之若系統頻率越高(波長越短), 相同空間截面積的某天線, 在不考慮天線本身的頻率響應時, 其增益也越高, 譬如碟型天線的增益:

                     A’     4π
Gain(dish-ant) = e*(---)=e*---*A’
                     A       2
                            入

這裡的 A' 就是碟型天線盤面的機械截面積, e 是因輻射器與其支架遮蔽, 以及反射面不均勻及其它等所導致的效率衰減, 以正焦天線來說, 此值大約是 0.66...



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系統採用頻率與所需發射機輸出功率的關係:

反之以接收器的角度觀之, 若某系統要求接收器, 輸入信號強度要有 X dbm 時, 若距離一樣, 且所使用的天線增益也一樣, 則在不考慮該接收器的頻率響應等問題時, 系統採用的頻率越高, 相同增益的天線因其在空間上的有效截面積越少, 因而所需要的發射機輸出功率就要越高; 譬如以類比電視系統來說, 同樣的接收強度與設置環境, 使用 UHF 的系統所需要的發射機輸出功率, 就要比使用 VHF 的系統要來得高得多..


==============================================================================
天線增益的由來:

而所謂的天線增益, 就是指在考慮效率下, 運作於某頻率的天線的有效截面積 A', 與運作於該頻率的均向天線的有效截面積 A 之間的比值, 假若效率為 1 時, 其增益就是:

        A’     A’     4π
Gain = --- = ---- = ---- * A’
        A      2      2
              入      入
              --
              4π
以對數表示之:

                       A’
Ant-gain(dbi) = 10log (--)
                       A

也就是說天線截面積越大, 增益就越高.


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天線堆疊的間距:

換言之若已知某天線在某一頻率, 在某方向的增益為 G 時, 可以計算它的有效截面積, 並藉以評估以增益為目的的最小堆疊距離; 譬如兩組運作於 300 MHz, 增益都為 15dbi 的天線, 假設其有效截面為圓形對稱, 追求其最大堆疊增益 (兩組堆疊最多增加 3db, 也就是增加一倍成為兩倍, 故兩組 15dbi 天線合併的天線堆疊系統, 在自由空間下, 最多可以獲得 15 + 3 = 18 dbi 的天線增益) , 且不考慮合併點信號相位問題時, 其間最小距離是:

1.將對數增益 15dbi 轉為實數系增益成為 G = 10^(15/10) = 31.6
2.頻率 300MHz 的波長為 1 公尺, 故在此頻率的均向天線截面積 A 為 1^2 / 4π = 0.08 (M^2).
3.因而該 15dbi 天線的空間截面積 A'= G * A = 31.6 * 0.08 = 2.5M^2
4.天線截面圓半徑為 (2.5/π)^0.5 = 0.9M
5.得出該天線組間距若低於 0.9 * 2 = 1.8M 時, 會因截面重疊而導致堆疊增益降低..

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節錄四菱天線的製作與原理討論:詳細討論在 - http://www.tvrobbs.com/showthread.php?s=&threadid=2852

數位電視高增益天線DIY技術討論專區.....

數位電視開播後,由於訊號臨界值比較低,且又不會受反射波影響畫質,因此一度引發"定向天線"製造廠"要停業"的恐慌.
其實台灣多山,且數位訊號發射站的數量少,評估到2006年也僅是覆蓋台灣本島60%土地和服務80%的人口而已,這其中訊號強的地區確實可用簡易的室內天線就可接收,但受建物或山區阻擋的地區還是需要定向及高增益天線的需求.至於其餘40%的地區,不僅目前市售6 db及13 db兩種規格天線無法滿足需求,更期望有更高增益天線的出現.

感謝網友 山賊兄 無私的將其研究心得貢獻出來,配上原理解說深具DIY的價值與精神,園地在此設專區,希望有益於弱訊號地區的網友.
再次感謝山賊兄的努力與貢獻!

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本文編輯自: http://www.tvrobbs.com/editpost.php...ost&postid=9757 山賊兄的發言.

高增益四菱形無線數位電視接收天線製作
中心頻率為 600MHz

 +----+
 |    __
 | /\ __ C/F/4*1。01=12。6cm
 | \/ |
 | /\ |
 | \/ |
 | /\ |
 | \/ |
 | /\ | 
 | \/ |
 |    |
 +----+

輻射器距反射板約 8.2 cm 細調之, 至接收訊號最強
反射板到五金行購鍍鋅鐵網來作
輻射器使用一般 1.0 的 PVC 單心電線繞製
輻射體詳圖:
   /\
  /  \
 /    \
 \    /
  \  /
   \/ 此處交叉, 但不短路
   /\
  /  \
 /    \
 \    /
  \  /
   )(  此處不交叉, 形成 > <, 中央 > < 處接
  /  \ 5c2v 同軸電纜, 同軸電纜中心導體接一邊
 /    \ > , 外部導體接另一邊 <
 \    /
  \  /
   \/ 此處交叉, 但不短路
   /\
  /  \
 /    \
 \    /
  \  /
   \/

將 5c2v 同軸電纜接在 >< 處, 直接往後透過鐵絲網引出
增益約有 15dbi 上下
水平波束角約 60 度到 70 度之間
利用 PVC 水管及木螺紋釘作為支撐骨架即可

若還要提高增益, 可再加裝導波環四組
     ____
  /\ ____C/F/4*0。8=10cm
  \/

  /\
  \/

  /\
  \/

  /\
  \/

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, 增益可達 17dbi 上下
加裝導波環後, 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
     |︿|         *
     /*\         | <-此處繞線
    /| |\       -|-
   / | | \      -。-
  /  | |  \      
-/---+-+---\-
(。    *    。)
-\---+-+---/-       
  \  | |  / 
   \ | | /     \
    \| |/       。  如此繞線就可以
     \*/       \|\ 在同一平面上
     |﹀|        | \
     | |        *\ *
     |︿|     *    \|\
     /*\    -|-----\ \----
    /| |\    |     |\ \
   / | | \  -。-----。-\ \--
  /  | |  \           \ 。
-/---+-+---\-          \|\
(。    *    。)           |
-\---+-+---/-           *\
  \  | |  /     
   \ | | /    
    \| |/
     \*/ 
     |﹀|
      ︴ ︴
      ︴ ︴

此天線很適合安裝在牆面上或綁在水塔側邊..
若覺得您的接收訊號不佳, 試試這個自製天線, 我拿它在宜蘭可以收到台北竹子山的訊號..


------------------------------------------------------------------------------------------------------------------最初由 Albert 發表
請教山賊兄 這個天線目前使用的情況如何 會不會華視與公視兩台訊號強度差異太多 中視的強度如何
另 C/F/4*1.01 為何是乘1.01 而不是乘1.0 或 0.97
--------------------------------------------------------------------------------



信號強度的差距, 若排除天線頻率響應的問題, 主要是看轉播站位置, 距離及接收與發射天線的輻射涵蓋圖形, 另直射波與反射波也會有所關係..

在無線電領域, 基本的評估方式如下(理想狀況):

Ri = Po - Co + Ao - 92.4 - 20 log D - 20 log F + Ar - Cr

Ri : 接收到的信號準位, 單位 dbm
Po : 發射機輸出功率, 單位 dbm
Co : 發射機電波饋送電纜傳輸損失, 單位 db
Ao : 以接收者的位置觀察, 發射機天線在此角度的增益,
  單位 dbi , 通常發射天線增益會以最大增益方向角
  度的增益值來標示,但是以廣播發射站而言, 會因接
  收者位置的不同, 相對於天線角度的不同, 而呈現不
  同的增益..
92.4 : 真空傳播衰減常數, 若頻率單位改用 MHz 時, 常數
   值則為 32.4, 因為 20log F(Ghz) = 60 + 20log F(MHz),
   同理, 若距離單位改用公尺或英里, 也是如此轉換,
   我個人是喜歡用 92.4 的常數..
D : 接收點到發射點間的距離, 單位公里
F : 所使用頻率, 單位 GHz
Ar : 接收器天線增益, 單位 dbi 但若發射站位置不在該天
  線最大增益方向, 記得扣除相對增益..
Cr : 接收器傳輸電纜傳輸損失, 單位 db

以上式子是電波在真空中, 理想狀態下的傳輸, 這裡要特別提到一點是, 式子中, 似乎頻率越高, 傳輸衰減越嚴重,故有些文章會如此描述, 但實則不然, 式子中頻率越高, 衰減越多是因為天線的長度隨著所使用波長的縮短而縮短, 故等效截收截面積跟著縮減的關係, 也因為是面積, 故用 20 log 而不是 10 log..

由此式子我們也可以知道, 距離每增一倍, 在其他條件都不變的情況下, 接收信號準位少 6db, 故距離增一倍, 若要維持相同的接收信號強度, 除了增加功率 6db 外, 就是要提昇天線系統 Ao + Ar 6db..

這是理想狀況的式子, 在實際情況下, 我們還會碰到障礙物所引起的繞射, 反射等多重影響, 這就用到 "夫累聶" 帶的評估, 這在以後有興趣時, 再來談談..

至於為何要乘上 1.01, 主要是環型天線周長約略等於 1.01~1.1 波長時, 虛數阻抗幾近為零(天線諧振), 此時其阻抗值約為 100 ohm, 我們看這種天線結構, 剛好主要是兩個環型並接, 故可得到 50 ohm 的天線阻抗, 雖然用在 75 ohm 的接收系統時, 因阻抗不完全匹配, 其 SWR 會稍高, 但因為是接收系統, 沒有發射機, 故不必擔心因阻抗不匹配而損壞發射機, 更何況加上反射板時, 天線整體會呈電感性, 阻抗也會增加, 用在 75 ohm 的接收系統, 不會有啥大問題..

舉例:

引用:
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最初由 NVF 發表
不過有關式子的運算對大部分的人來說恐怕不是那麼容易了解,請問能否依
這型天線作範本,實際算出接收DVB/T的尺寸,讓大家可由實踐並去推理式子的原理.
另外此天線很適合使用雙面PC版來製作,不過4個環狀天線並連需要用電路匹配嗎?

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單一組(四個環)的不須特別做阻抗匹配, 但要再合併多個時就需要..

這種利用兩組環形天線並聯, 加上反射板的天線, 記得好像是一位德國人發明的, 因為效能良好, 尤其是在 UHF 頻帶, 製作也簡單, 水平波束角寬, 且為水平極化, 阻抗在 50ohm 附近, 在 UHF 及微衛星通訊的業餘自製天線, 常被採用..

一個環形天線的圓週長等於所使用波長乘上 1.01~1.1 時, 處於諧振狀態, 且等長線段涵蓋最大截面積是呈現圓形, 在此狀況下, 環形天線有效截面比 dipole 大, 故約比 dipole 天線多出 1db 的增益, 已知標準 dipole 天線增益為 2.15dbi, 故一組環形天線增益約為 3.15dbi, 當將兩組環形並接時, 截面積增一倍, 增益加 3db, 再加上反射板, 將朝後的能量往前送, 增益再增一倍, 故雙環形天線加上反射板, 增益可達 3.15+3+3 = 9.15dbi, 實作上可以利用調整到反射板的距離, 將波束集中一些, 故可獲得約 9~12 dbi 的天線增益; 而四環形天線, 環形數量比雙環形多一倍, 有效截面積多出將近一倍, 故增益約可達 12~15dbi..

我們以 4 菱形天線來看其動作原理..
假設饋電纜中心導體接天線右側激勵點" < ", 外部導體接天線左側激勵點 " > ", 那麼呈現在天線的高頻電波相位如下:
       0
     /\
    ↗  ↘
270/    \ 90
   \    /
    ↖  ↙
 180 \/ 0
     /\
    ↙  ↖
270/    \ 90
   \    /
    ↘  ↗  此處接同軸電纜中心導體, 定義相位為 0 度
 180 )( 0 換言之另一側相位就是 180 度, 在經過四分
    ↗  ↘  之一波長的單邊長度, 電波延遲移相 90 度,
   /    \ 再經過四分之一波長單邊長度, 電波再移相
   \    / 成為 180 度到左側, 從圖面箭頭路徑可知, 從
    ↖  ↙  上到下, 所有天線激勵均左右同相位, 依天線
     \/   收發等效原理, 接收天線所截收下來的電波,
     /\   在饋電點相位都一樣, 故波幅增加..
    ↗  ↘  但因為實際環週長是比所使用波長還長, 再
   /    \ 考量導體傳送電波時應有的波長縮短因子,
   \    / 故實際上每經過單邊長度後, 電波延遲所呈
    ↖  ↙  現的相位增加比 90 度還多, 故像這樣的疊
     \/   接, 以中心點起算到上下兩端, 以兩個環形
          (一共四個) 為限, 再多也提昇不了多少增益,
          且當以此天線為發射天線的立場觀之, 較大
          部分的能量集中在靠近中央的兩個環上, 故
          若再增加疊接數量, 提昇的效果非常有限..

若還要再提昇增益, 有幾個方法:
1.利用導波板(四個環):
 作用原理如同 YAGI 的導波器, 在增加一組導波板時, 增益約可
 增加 3db, 在天線方向上再增加導波板數量, 適當調整距離間格,
 導波板數量每增一倍, 增益多 3db, 而實際上如同 YAGI 的導波器,
 並不到 3db 那麼多, 且有一定極限..
 下圖是運用在 2.45 GHz 的頻率上, 若要用在 DVB-T的頻帶, 記得
 換算波長:


2.利用反射板:
 作用原理如同碟形天線的碟子一般, 如圖


3.數個四菱形天線, 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4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
     \   \   /   /   , 這種做法, 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
   |             | 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..

這裡要注意的是, 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, 這個值約為 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..

而 SHF 因為頻率高, 一般市售 VHF/UHF 功率合成分配器 (變壓器結構) 不適用, 此時可以利用電纜來製作, 大體上有兩種方式, 一是共振線法, 一是疊接並接法, 參考以下我以前寫的網頁:
http://home.pchome.com.tw/mysite/ch...ant-network.htm

網頁中的數值, 是以 50 ohm 阻抗的系統來舉例, 75 ohm 的系統也可用, 只是共振線的取得較困難, 尤其是 1 to 2 時, 其共振線傳輸阻抗會是 sqr(150*75)= 106ohm 及 sqr(37.5*75) = 53ohm兩種數值,前者很難找到這樣的電纜, 後者倒是可以用 rg58 (50~52ohm); 而 1 to 4 及疊接合併法則沒這樣的困擾..

這裡順帶一提, 使用共振線法, 因為頻率不同, 共振線長度就需要不同, 故共振線方式只能用在窄頻帶..

而底下這張照片中的 16 菱形天線, 就是利用疊接法將四組四菱形天線合併, 故每兩組天線的饋電點左右相反, 而分支電纜長度都相同, 故最大增益方向垂直於天線面, 也就是朝向您的方向..


這個天線排列方式, 其水平波束角相當窄, 約在 10~20 度之間, 若全部以垂直方式來合併如同下圖方式, 則水平波束角與原 4 菱形同, 但垂直波束角約只有 3 度:

/\ ↓共 16 個
\/
/\
\/
/\
\/
/\
\/
/\
\/
/\
\/
/\
\/
/\
\/  ↑

至於所製作出來的天線大小, 請各位以天線單邊長來繪圖想像一下吧.... 當初我所製作的那個拿來收台北數位電視訊號的 4x 含一組導波, 印象中高近 90 cm, 厚近 30cm (不做導波裝置會薄很多), 寬約 30~40 cm 忘了! 故真要像照片那樣做 16 菱形, 則天線長寬各約. 1 米, 若想垂直方向疊接, 天線將高達 3 米.....><"

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最初由 antion 發表
車機建議還是使用全方位的垂直天線比較適當。因為在車天線上裝上反射板,天線會變成有方向性,可能會影響行動時的收視訊號喔!除非您車輛定點收視。
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嗯! 是可以, 但是一般全向性垂直天線為垂直極化, 極化不匹配, 會有損失, 其實只要做出水平極化的全向形天線即可:

建議可以試著裝設環型天線, 如雙菱形的型態, 而不加反射板, 若車用機有自動天線切換裝置(空間分集接收型, 大多為擁有兩組天線輸入接座, 找看看, 看是否有四輸入的機型), 則裝設兩組, 分別朝向相差 90 度的方向..

因為不加反射板的雙菱形, 其輻射圖場是類似赫芝天線的 " 8 " 字型

        ---
      /     \
    /         \
   /            \
   |            |
   \            /
    \         /
     \       /
       \   /
   ------ ------  從上往下看
       /   \
     /       \
    /         \
   /            \
   |            |
   \            /
    \         /
      \     /
        ---
因此如下圖擺放, 那麼左邊的天線接收前後方向(出入螢幕方向), 右邊擺放接收左右方向, 因此不管波源在哪個方向都可涵蓋到..

左邊天線 右邊天線  左邊天線 右邊天線

 /\  |       |  /\
 \/  |       |  \/
 /\  |       |  /\
 \/  |       |  \/

 從前後看          從側邊看

每一組天線各接往接收機其中一組天線輸入端子接座

若製作技巧足夠者, 可以試著將它們複合在一起:

  /|\
  \|/
  /|\
  \|/

每一組天線也一樣各接往接收機其中一組天線輸入接座

若接收機是單一天線輸入型態者(無空間分集), 可以參考上次在 pczone 所討論的全向性天線的做法, 將每個環的方向個別朝向相差 90 度的面向如下圖:

    |     /\
    |     \/
  /\     |
  \/     |
 從前後看   從左右看

或者如下圖:

   /\    |
   \/    |
     |    /\
     |    \/
     |    /\
     |    \/
   /\    |
   \/    |
 從前後看   從左右看

或者像漁船的通信天線如下圖:
             \     /
  /|\  這兩組天 ↗ \   / ↖ 這兩組天
  \|/  線端子接  → > < ←  線端子接
       在一起, ↘ /   \ ↙ 在一起,
       接同軸中心 /     \ 接同軸外部
 從側面看           從底側往上看

不然將個別朝向不同方向的方向性天線, 利用合併分配器連結後成一路後, 接到接收機也是可以:
        前
      -----
     +-----+
   | |  |  | |
   | |  ↓  | |
  左| |-→O←-| |右
   | |  ↑  | |
   | |  |  | |
     +-----+
      -----
        後       O:代表合併器

     從上(下)往下(上)看

若是兩組天線輸入的機器, 可用 2 to 1 的合併器兩組, 以兩組天線為一單位, 分別接續兩組, 個別接到接收機天線輸入端頭..

若您的接收機為具備四組天線輸入端子的空間分集接收機, 那麼將個別天線接往各端子, 會是最佳組合..


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最初由 chenyu6 發表
看過這篇文章覺得"菱形天線"好像很不錯
所以我想製作一個山賊兄的"菱形天線",我不是讀電子,那些公式我看不懂
有那位好心的大大可以告訴我那"菱形天線"要怎麼做才可以給接收機用 謝謝
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要製作它是很簡單的, 材料到五金行及水電行買:

1.充當反射板的鍍鋅鐵絲網, 鐵絲不要太細, 最好有 1mm 直徑以上, 免得容易破掉, 網孔大小至少要能穿過同軸電纜..

2.製作輻射器用的電線, 一般的電源導線即可, 導體直徑建議至少 1mm 以上, 免得容易斷掉..

3.用來當支架的水管, 用四分管即可, 若想要做得漂亮, 可搭配一些 T 型管..

4.自攻(自攻牙)螺釘, 就是尾巴尖尖, 可以直接鎖進木頭的那種..

再來就是製作天線, 首先您要決定如何利用水管製作天線骨架的幾何型態, 簡單的參考做法如下圖:

ps:此處以雙菱形舉例, 僅是舉例, 希望您自己動動腦看以啥方式是最好的, 我自己做的, 是用另外的方式..


    水管
    ↓  鐵絲網
    ∥ ↙    將電線繞製在螺釘上, 作為輻射器
    ∥︴   ↙
    ∥︴……+…* ← 自攻螺釘
 同軸 ∥︴水管|
 電纜 ∥︴O…+…*
 ↓  ∥︴  |
 =======±
    ∥︴  |
    ∥︴O…+…*
    ∥︴水管|
    ∥︴……+…*
    ∥︴
    ∥ ↖ ↑
       調整距離

    側 面 圖


鐵絲網
   ↘
   +++++++++++ * : 自攻螺釘
   +++++︿+++++
   ++++/*\++++ = : 水管
   +++/+++\+++
   +=〈*===*〉=+ ※ : 接同軸電纜
   +++\+++/+++
   ++++\+/++++   \      /
   +++++※+++++    \ ︵  /
   ++++/+\++++     \  \
   +++/+++\+++   (  。  )
   +=〈*===*〉=+     /  /
   +++\+++/+++    / ︶  \
   ++++\*/++++   /      \
   +++++﹀+++++
   +++++++++++ 同軸電纜接續圖,輻射器
               左側 ”>”接中心點,右側
      正 面 圖    ”<”接電纜外部導體.



      水管     同軸電纜, 穿過鐵絲網, 繞過垂
  鐵絲網  ↘ ∥ ↙ 直的那支水管即可, 建議繞過的
    ↘   O∥   方向是在接外部導體的那一側
   ∼∼∼∼∼∼∥∼∼∼∼ ←
    =========    適當調整距離
  ↗ –:--:--:–  ←
 水管  *  *  * ↖
       ↖↑↗    輻射器
     自 攻 螺 絲

      俯 視 圖


輻射器邊長, 以中心頻率為 600MHz, 為 12.6 cm

      ↙  12.6 cm, 為方便製作,
     ︿   取 13 cm 也可以..
    / \
   /   \ ↙
  〈     〉
   \   /
    \ /



由此可知, 雙菱形輻射器高等於
12.6 / sqr(2) * 4 = 12.6 / 1.414 * 4 = 36 cm :
       ╴
    /\ 
    \/  36 cm
    /\
    \/ _

而四菱形高就約為 72 cm..

但這單指輻射器本體, 因為反射器必須比輻射器還大, 故以雙菱形來說, 就至少需用 40 * 20 的鐵絲網, 而四菱形的反射器至少需為 80 * 20 的鐵絲網, 而我因為是製作4菱形, 所以當初是購買一尺未經裁切的量(高約3尺)來製作的.

以上文章均由 http://www.tvrobbs.com/showthread.p...15&pagenumber=4 編輯而來,其中還有網友迴響及山賊兄的回覆,歡迎回顧!也歡迎山賊兄繼續增註

回覆: 自製效果超好的數位電視都卜勒天線

引用:
最初由 新手_阿彬 發表
小弟依版上各位大大的留言.試做了一個雙菱型天線.發現了一些

個人倒有一個念頭想要拿鍋蓋來當反射器.或利用廢棄衛星天線盤來試試. 但是一直想不透接收天線應該是長13公分的鋁管. 或者是.一個五公分的圓銅板.



1.請問您所謂的垂直擺放是

 /\
 \/      /\/\
 /\  還是  \/\/
 \/


 而水平擺放是

 /\
 \/
 /\  還是  ----   ?
 \/


2.是可以利用報廢衛星碟子來當聚焦反射器, 但是因為數位電視所使用的頻率為 500MHz~700MHz 的頻段, 其波長約略在 0.5M, 一般來說碟子的直徑最好達波長的 10 倍以上才能有效聚焦, 故若您的碟子是 4.6M 直徑的大傢伙, 相信是可行的, 只要將一般單向性的小天線(低增益的才行)置放於焦點朝向碟子, 而碟子面向欲接收的電波源即可, 這樣的方式, 大概可以獲得 26dbi 的天線增益..

若是拿 1.2M 的小碟子, 您可以獲得的增益約為 15dbi, 不如直接製作 4 菱形(含反射板)..


引用:
最初由 新手_阿彬 發表

 /\
 \/    /\/\   ────
 /\    \/\/
 \/
垂直擺放   水平擺放   水平擺放

另外.小弟昨天全家大小一同去宜蘭.參加童玩節活動.順便試了菱形天線於車上使用之情形. 也測試了asianwap兄所示範的擺法.結論是菱形天線不適合使用於行動時(靜止OK).



1. 這樣的擺放方式是 "水平極化"
  /\
  \/
  /\
  \/

 相當符合目前轉播站發送的電波極化方向..

 此外這種天線從上往下看, 其波束角約有 60 度, 故您所謂的 2 度, 應是指天線傾斜的程度, 但在垂直面的波束角, 也不只 2 度, 我想您家裡接收到的強度與品質, 大概只落在臨界點附近, 在這樣的環境下測試, 測不出天線應有的波束特性, 故可以的話, 最好加上反射板後, 到空曠可直視轉播站的地點測試看看..

2.宜蘭屬平原地帶且幅員距離最遠僅 45KM 上下, 排除建物阻擋外, 均可直視轉播站, 故信號良好是應當的, 而雙菱形天線行動狀態下使用, 因為車輛方向隨時在改變, 而此種天線有方向性, 故很可能您在測試時, 電波源時常落在該天線波束角外; 若要讓它對四面八方的電波源都可接收, 可以參考之前的舉例, 尤其是用四菱形彎成下圖的方式:

   /\    |
   \/    |
     |    /\
     |    \/
     |    /\
     |    \/
   /\    |
   \/    |
 從前後看   從左右看

今天趁空,跑了一趟三星, 把當初所作含導波器的四菱形天線照了像, 傳上來給有興趣的網友參考:

安裝地點在三星宜蘭監獄南邊靠山處, 因太靠近山區, 往東南被山遮擋, 無法有效收視蘇澳轉播站(負責宜蘭地區)所發送的信號..

很抱歉, 因原本我放網頁資料的 pchome 一直無法上傳, 改用我老婆 yahoo 的空間也不能直接貼圖, 只好用相簿的功能..

http://home.kimo.com.tw/eo_soonlin/....html?316956354

1.第一張是該天線的近照:

今天去看, 發現部分螺釘都已袘k, 充當反射網的鍍鋅鐵網也開始斑駁了, 建議有興趣製作的網友, 改用不鏽綱材質的螺釘及反射網, 不然噴塗一層油性壓克力漆也行; 另 cable 與天線間的接點最好也作防蝕的措施..

2.第二張是該天線所對準的方向:

該天線朝北, 接收三星地區改善收視不良訊號, 但也可收到台北公視五指山轉播站的類比信號(CH52), 只是訊號弱(因山遮擋, 僅能收到山頂的繞射波), 有明顯的雪花, 但仍可辨識畫面, 反而經由反射波(畫面中的山所反射)接收蘇澳轉播站公視的類比訊號(CH50), 畫面雜亂(曾用頻譜&示波器確認同步訊號被破壞), 不能 lock..

這邊再介紹一個簡單易製的天線, 沒有反射板時約提供 2.5~3dbi 的天線增益, 它的好處是很容易調整 vswr 到最低的最佳狀態:

       
     |←1/6 波長→|

  -  +--------+
  ↑  |        |
  |  |        |
  |  |        |
     |        |
 1/2 |        |
     |        |
  波  |        |
     |  接同軸   |
  長  |  電纜線   |
     |   ↓↓   |
  |  +---oo---+ -
  |  |        | ↑  1/10
  ↓  |        | ↓ 波長,調整之
  -  +--------+ -

      Hentenna

若加上反射板(網), 增益約再加 3db, 也可以如前面所介紹的菱形天線一般, 再加上每邊長為 1/5~1/6 波長的方形導波環, 可再提昇約 3db 的增益; 上面標示 " 調整之" 的地方, 可讓您輕易且適當調整天線所呈現的阻抗型態..

引用:
最初由 zyf 發表
   山賊兄,請教幾個菱形天線的問題:
四菱形天線第一和第四個菱形之間需要交叉而且還要絕緣,如果用角鋁來做工藝上比較麻煩,用洗電路板的方法做就更不好辦,能不能像饋電點一樣分開,我看過一本書(常用電視接收天線)就是分開的,但不知會影響什麽,但是書中說的幾個問題搞不清:
一,菱形邊長取0.375入是否增益最高,但天線此時己不諧振了呀,
二.饋電方法也是焊在中心點上,但是電纜貼在菱形振子邊沿上直到頂部才引出.不知是爲了什麽目地?
請山賊兄和各位大俠幫助解答.謝了!



Hi! zyf:

Sorry! 因最近在蒐集衛星接收的資料, 遲回您的詢問....><"

用電路板來做! 可以參考底下網址有網友討論過, 基本上跨線不是問題:

http://www.pczone.com.tw/showthread.php?threadid=129271

1. 環型天線在適用頻率上有兩諧振點(虛阻抗為零), 一是週長 1.1入, 此時實數部阻抗約為 100ohm, 而另一個是 1.5入, 實阻抗在 1000ohm 以上, 而 0.375入 * 4 = 1.5入 是可讓該天線諧振的..

但是一般製作上尤其是接收用天線, 很少取用 1.5入(0.375*4) 的數值, 原因是在此階段取得的諧振, 其頻寬很窄, 也就是說使用頻率稍有不同於諧振頻率, 天線的實數及虛數阻抗變化非常大, 特性偏移嚴重, 且實數部阻抗值很高, 還得額外加上阻抗變換才能適用於一般常見的傳輸線..

另外取用 1.5入, 且如您圖說那樣接續, 基本上外側(最上及最下)兩天線的激勵相位, 遠不同於內側兩天線, 差了 90 度, 譬如以下圖說明:

  輻射體詳圖:
   /\
  /  \
 /    \ 45度
 \    /
  \  /
   )(  270度
  /  \
 /    \ 135度 = 360度 * 1.5 / 4
 \    / 
  \  / 
   )(   0度
  /  \
 /    \ 135度
 \    /
  \  /
   )(  270度 
  /  \
 /    \ 45度
 \    /
  \  /
   \/

其結果是上半部的天線最大輻射方向是朝下約 45 度的方向, 而下半部卻是朝上約 45 度:

   |
   |
   | ↘
   |
   |
   | ↗
   |
   |

您若把此天線壓扁到每菱形高為 1/4入時, 天線輻射最大方向則是朝上及朝下:

   ↑

   |
   |
   | 
   |
   |
   |
   |
   |

   ↓

故取 1.5入 的諧振點, 一般僅限於兩環併接, 要不您就得在外側環與內側環間, 插入一段相位補償用的傳輸線, 讓外側環所獲得的激勵與內側環相同即可..


  輻射體詳圖:
   /\
  /  \
 /    \ 135度
 \    /
  \  / 0度
   ||
   ||延遲 90 度
   ||
  /  \  270度
 /    \
 \    / 135 度 = 360 度 * 1.5 / 4 
  \  / 
   )(   0 度
  /  \
 /    \ 135 度
 \    /
  \  /  270 度 
   ||
   ||延遲 90 度
   ||
  /  \ 0 度 
 /    \
 \    / 135 度
  \  /
   \/

以上是我的看法, 但因為我沒有以這種方式做過菱形天線, 建議您試做看看..

2.這樣的饋電引出, 主要是避免因為同軸的不平衡傳輸與平衡激勵的天線之間直接界接時, 會有一部份高頻電流洩漏在同軸外側表面(外側面)流通, 進而影響天線輻射場; 像之前我所做的那樣, 一般來說輻射場圖形會約有1~4度的偏移, 而以您所敘述的方法引線, 剛好是讓天線接同軸外部導體的那一側, 與同軸電纜的洩漏電流處在同一幾何位置且電流同相, 故對輻射圖場的影響會小很多, 是個蠻值得一試的做法..


這在 dipole 是可以的, 將兩端點再延伸連接到反射盤, 因為整個電流循環一周是 360 度, 如下圖, 沒有短路的問題, 就好像將平行傳輸線向上下擴張各 1/4入, 後相接變成導波管是一樣的道理:

  L = 1/4入

    ←  L →    ←  L →
  90      0
   +------+  +------+
 ↑ |  ←   |  |      |
   |     ↑|  |      |
 L |↓     |  |      |
 ↓ |   →  |  |      |
 --+------+--+------+---
  180    270  

平行傳輸線:
       90  /
     ↗ ___/ ↘ /
    L /  /\  /
      | / | /
    ↑ |/  |/ ↓
   0  *   * 180
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但在菱形天線....... 您可推看看.......^_^

另外您看不到圖? 可能 pchome 網站被不明原因擋住, 我這邊看倒是蠻正常的, 您試試看掛 proxy 可否解決...

引用:
最初由 zyf 發表
天線的上下頂角是電壓零點, 可以接地. 而兩邊頂角是電壓峰點, 需注意絕緣.
這種天線結構簡單, 增益高, 就是駐波不好調整. 特別是用來作發射天線.



嗯.... 我認為應該這麼看:

可否引線到接地端, 主要是看電波透過該引線後, 到達所謂的接地點(反射板), 再回到初始端的電波相位是否同相, 同相則可以引線接反射板..

因此以 dipole 的天線來看, 開端點的電壓最高, 電流最低, 中心點電壓最低, 電流最高, 開線端引線入反射板就之前的解釋是可行的, 而中心端引線入反射板, 也是可行的, 如下圖:

中心端引線入反射板:


  L = 1/4入

    ←  L →   ←  L →
         90 
   ------++ +------+
 ↑       || |      |
        ↓||↑|      |
 L       || |      |
 ↓       || |      |
 --------(。)+------+---
     180↗ ↑
          0

所以無關乎電壓零點峰點..

對於菱形天線的調整, 基本上邊長決定後, 要調整的部位就只有與反射板間的距離, 以取得最小的 SWR..


1.是否需要在同一平面?! 在絕大多數的場合是 "Yes", 只有少數的應用, 因為需要蒐集不同方向來的電波, 或是電波涵蓋面不及全部平面, 或是考量分支電纜線電氣長度及故意偏斜波束時, 會不在同一平面..

基本上若可以的話, 以接收戶 DIY 的立場, 儘量在同一平面上, 可以獲取最大增益及最小波束角..


2.可以! 但是要考量不同方向來的電波會不會造成干涉現象, 且兩天線間的距離與角度, 都會影響天線的綜合波束涵蓋圖, 一般在作這樣的運用, 都會先用電腦及相關軟體, 作波束涵蓋圖的模擬, 以決定兩天線的距離, 角度, 及分支電纜的電氣長度..

一般基本的做法是這樣, 舉 dipole 含反射板為例(與菱形天線差不多, 但遠不同於 Yagi 的合併):

兩天線互成 90 度, 天線到共同軸心的距離為 1/4 波長, 分支電纜的電氣長度相差 180 度, 如此可以獲得在 45 度角位置也沒有 null point, 如下圖..

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相同配置, 但到各天線的電纜電氣長度為同相時, 呈下圖

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  。           。  null point, 該方向收不到
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3. 要看是否有實質的電氣導通與綁線位置, 如之前與 zyf 君討論那樣, 基本上建議儘量採取絕緣做法, 較不會影響天線特性, 因為接收戶的天線, 所要接收的頻率範圍較廣(波長變化大), 不像發射用的天線, 可以針對所發射的頻率, 在適當的地方以金屬物固定, 也不影響天線特性, 更何況這通常會用相關軟體模擬後, 再用儀器作調校, 這不是我等一般業餘玩家可以作的..