关于2美元便携短波天线的调查
这两天在hellocq.net跟人讨论他的迷之馈线,暮然发现他用的是一根: 2美元的螺旋便携式短波天线 ,这是一个2008年流行的DIY天线。物理总长度只有2米出头,工作在20米波段。
起初我以为这是1/4波长GP天线的变种,但又看到好多人说这是1/2波长端馈。弄得我也含糊了,于是花了点时间做研究。
先说结论
这的确是一副以1/4波长GP为原型的天线,它曾经在上世纪70年代流行过一阵子。到今天有几种和它相关的名字,提起来可能大家都会感到亲切:
- 连续加载天线:Continually Loaded Vertical,CLV
- 螺旋缠绕天线:Helically Wound Vertical,HWV
- 橡皮鸭天线:对讲机上常见的螺旋振子套一个橡皮套的短天线
- 鱼竿天线:在高楼中间架设短波缩短天线的常见形式
BG3MDO随手画的这个天线的等效电路图
这种天线也可以叫做 谐振电感 。大多数案例都使用了1/2波长的导线,绕制出 1/4波长电气长度 的天线。
这种天线可以肯定是 负增益 的,依赖于不同的材料和绕制工艺。基本上它损失一半效率。而且效率 受地网形态的影响很大 。它的Q值高,所以带宽很窄。
它的优点也很明显:省地方, 小!驾驭它最简单的办法是 用天调 ,想玩明白至少也得有一个天分。
2美元螺旋便携天线的特征
这个天线用了将近9米多、约半个波长的导线,绕制了一个1.2米长的线圈,这部分很像典型的“连续加载”天线。但是它还有一个0.91米长的直线振子。导线总长度的确是1/2个波长。
但是它又有几个属于1/4波长GP天线的显著特征:单极、一端1:1馈电、使用1/4波长地网……馈电点电压低,电流高,阻抗低。
2美元螺旋天线的出处
我找到了这个天线的原始出处,2001年9月,AH6NF和WH6GS发表在夏威夷业余无线电网站的帖子:
http://ham.aditl.com/ham/helical-antenna/index.html
这个帖子和Hellocq.net上说的细节完全一致。同时它提到了:The design is a continuously loaded, helically wound vertical antenna with a three-foot stinger……关键字: 连续加载 、 螺旋缠绕 ,此外还带有一根3英尺(0.91米)长的直线振子(stinger)。
我按照“连续加载”这个关键字,寻找这个天线的理论模型,大部分是谈论电小天线、手机、Wi-Fi天线的设计。按照“螺旋缠绕”找,找出来好多业余届讨论过的帖子。他们大部分都是按照1/4波长GP天线为模型去设计的。
案例:KK6GXG的40米波段螺旋缠绕天线
典型案例是KK6GXG的40米波段螺旋缠绕天线,他在2015年4月份做了一副。
http://www.kk6gxg.com/40-meter-antenna/
他的资料来自1975年的ARRL业余无线电手册,第606页的一张原理图:
注意三个关键信息:
- 这天线原型图的年份是 “1975年”
- 缠绕电感部分,1975年的这张图上是建议用4到20英尺(1.5~6米)长的杆子,缠绕1/2波长长度的14AWG(2平方)的导线。而KK6GXG的实操,是用了66.5英尺(20米,40米 波长的一半)的导线绕在一根6英尺(1.8米)的杆子上。
- 最后,KK6GXG计划用一个 Z-Match天调 。1975年这张图用了一个可变电感,也推荐再用一个天调。
螺旋缠绕的GP天线
这些案例的原型显然都基于一个GP天线,因为他们都用到了1/4波长的地网,来提供一个“地平面”,以“镜像”另外一半虚拟的天线,达到一个偶极天线的“平衡”状态,所以他们都是低阻抗馈电的案例。
它到底是一个1/4GP?1/2GP?还是5/8GP?还是一个端馈的长线? 还是要看它的理论模型的电气长度 。
我们回顾一下1/4波长的GP天线模型:
- 1/4波长的GP天线,馈电点的电压最低,电流最高;
- 1/4GP的容抗和感抗组成的电抗为0,呈现出纯电阻性,这是所谓“谐振”的电学意义。
- 当天线短于1/4波长时,天线上的容抗增加,感抗减少,整体呈现的电抗增大——天线不谐振了;
- 通过加入串联电感,抵消掉多余容抗,让它整体呈现出0电抗——天线又回到“谐振”状态;
- 持续缩短,并增加电感,直到全都变成电感,感抗有可能大于容抗了——天线仍不“谐振”;
- 松绕电感线圈,可以减少感抗、增加容抗,理论上总电抗又可以归0——这就是“螺旋缠绕”;
- 如果电抗还没归0,那可以在另一头增加一根直线导体,它会带来一些容性的电抗,再抵消一部分感抗。
- 如果总电抗还没回归到0,那就可以上天调了……
为啥用了1/2波长的导线?
现在我大概理解了“螺旋缠绕”的意义了:
- 把拉直的天线缠绕起来,使整个天线的物理长度变短,可以节约物理空间;
- 缠绕起来的天线就是一个大号的电感器;
- 如果是密绕,电磁波就憋在电感器里出不来;
- 松绕才能让电磁波辐射出来;
- 但是松绕电感又减少了,所以就要多绕更多导线;
- 完全绕成松绕的电感,要达到谐振,大约需要1/2波长的导线;
为啥用了1/2波长?这个长度似乎没有一个硬性的规定 , 参考2009年7月的QST杂志的封面文章,K6MM的160米HWV天线讨论,他用的是G4FGQ的建模工具计算的,相应的参数是导线的直径、线圈的直径、每圈之间的间隙等,算出来正好是大约1/2波长。
https://hamuniverse.com/k6mm160metervertical.html
至少,不能简单地、把导线的长度当作天线模型的波长。 因为它的模型是按照谐振的1/4波长电气长度计算的。 有兴趣深挖这个话题的, 可以去研究一下G4 FGQ的 建模工具, 文末有提及。
从这一点上,我也大致体会了一下“鱼竿天线”。 有人说“玩业余无线电的”很多零件都可以去“玩钓鱼的”那里找; 如果去“玩摄影的”那里找,相同功能的零件要贵上十几倍。
- 鱼竿天线就是把长长的天线缠在鱼竿上;
- 它可以从阳台伸出去,不至于下垂太严重;
- 导线缠绕的疏密,带来了额外的感抗和容抗, 电抗变化 不 容易被 量化;
- 因此很难给出一 个标准模型、 能做到多波段谐振的天线, 只能是“盐少许,蒜蓉一小撮,烧至七成热……”,这时候可以用天 分 来做参考;
- 实在不行,交给天调吧。
高Q值天线,接地损耗差异大,效率低
螺旋缠绕天线一般都是高Q值的,因为一大半都是电感嘛。想象一个很硬的弹簧,使劲按压到标定长度,很难保持是吧。 这就类似高Q值,高Q值表示可调谐的带宽会非常窄。 一些案例甚至说在LF和MF波段的应用上,都不能保证一个SSB的3000Hz语音的带宽,玩CW还凑合,FT8足够了。
https://www.smeter.net/antennas/helical-modeling.php
上边这篇文章还提到它的“接地损耗”琢磨不定,不同质量、不同面积的“地”,带来的损耗差异很大。
和常规的加感天线相比,它的效率并不高,有评价说它的分布 损耗和增益基本上相当 ,后来人们建模和实际应用都证明了这一点。这是一个2012年,QRZ.com论坛上的讨论:
https://forums.qrz.com/index.php?threads/helical-hf-antennas-%E2%80%93-anyone.358209/#post-2628608
各种缠绕变形
这个天线流行于上世纪70年代,那个年代还流行Slinky偶极天线。就是用两个松松的螺旋弹簧做的偶极天线。
现在这种天线也有人玩,不仅仅是因为好玩,毕竟各种缠绕之后,它省地方啊,尤其是长波和中波,这些需要大尺寸空间的波段。
G4FGQ螺线缠绕天线的建模工具
G4FGQ有一个关于HWV天线的电感导线长度的计算公式:
G4FGQ关于HWV的导线尺寸的计算公式
这里有G4FGQ的HWV天线建模计算器:
http://static.smeter.net/software/helical3.exe
可惜我没下载下来,也不知道它该怎么用。它只是出现在跟这个话题相关的一个1997年的网页上,欢迎有兴趣的朋友去试试。
https://www.smeter.net/antennas/helical-modeling.php
相关案例汇总
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AH6NF和WH6GS发表在夏威夷业余无线电网站的帖子:http://ham.aditl.com/ham/helical-antenna/index.html
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KK6GXG的40米波段螺旋缠绕天线:http://www.kk6gxg.com/40-meter-antenna/
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M0MCX的40米波段螺旋缠绕垂直天线:https://www.m0mcx.co.uk/helically-wound-40m-vertical/
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VA3ZNW的20米波段螺旋缠绕垂直天线:http://www.antentop.org/017/files/va3znw_017.pdf
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VE3YXO的2个160米波段螺旋缠绕天线:他用了一段阻抗为450Ω的梯子线做馈线,所以他同时用了1:1和1:9的两个巴伦。http://www.antentop.org/021/files/VE3YXO_021.pdf
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M0TCF的图腾柱天线,工作在80米波段,使用了四种共9个线圈,还包括一段1:4的自由变压器UNUN馈电。 http://www.torbayars.org.uk/down/totem%20pole.pdf
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ARRL的20美元车载天线,使用了三个不同疏密程度电感 http://www.arrl.org/files/file/Technology/tis/info/pdf/0004033.pdf
原文发表于我的微信公众号 BG6LH - 关于2美元便携短波天线的调查