By 山賊 at www.mobile01.com 2007-02-21 16:50

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 <><> 這樣的擺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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／＼　　　　　　。
＼／　　　　　。
／＼　　　　。
＼／　　　　　。
　　　　　　　　。

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), 這才是最重要的..

加裝導波環, 以四菱形為例, 加裝四組:
　　　　　＿＿＿＿
　　／＼　＿＿＿＿Ｃ／Ｆ／４＊０.８＝１０ｃｍ
　　＼／

　　／＼
　　＼／

　　／＼
　　＼／

　　／＼
　　＼／

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
　　　　　｜︿｜　　　　　　　　　＊
　　　　　／＊＼　　　　　　　　　｜　＜－此處繞線
　　　　／｜　｜＼　　　　　　　－｜－
　　　／　｜　｜　＼　　　　　　－。－
　　／　　｜　｜　　＼　　　　　　
－／－－－＋－＋－－－＼－
（。　　　　＊　　　　。）
－＼－－－＋－＋－－－／－　　　　　　　
　　＼　　｜　｜　　／　
　　　＼　｜　｜　／　　　　　＼
　　　　＼｜　｜／　　　　　　　。　　如此繞線就可以
　　　　　＼＊／　　　　　　　＼｜＼　在同一平面上
　　　　　｜﹀｜　　　　　　　　｜　＼
　　　　　｜　｜　　　　　　　　＊＼　＊
　　　　　｜︿｜　　　　　＊　　　　＼｜＼
　　　　　／＊＼　　　　－｜－－－－－＼　＼－－－－
　　　　／｜　｜＼　　　　｜　　　　　｜＼　＼
　　　／　｜　｜　＼　　－。－－－－－。－＼　＼－－
　　／　　｜　｜　　＼　　　　　　　　　　　＼　。
－／－－－＋－＋－－－＼－　　　　　　　　　　＼｜＼
（。　　　　＊　　　　。）　　　　　　　　　　　｜
－＼－－－＋－＋－－－／－　　　　　　　　　　　＊＼
　　＼　　｜　｜　　／　　　　　
　　　＼　｜　｜　／　　　　
　　　　＼｜　｜／
　　　　　＼＊／　
　　　　　｜﹀｜
　　　　 　︴　︴
　　　　 　︴　︴



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, 這得使用分配合併器, 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), 若要獲得斜向波束角, 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

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
Y = y / (C / F) * 360
Z = z / (C / F) * 360


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 -YC4 為 -Z, 那麼電波到達合併器時, 相位就會一樣..

　　　　　　　　　　同相位的位置

＼　　　＼　　　＼／　
　＼　　　＼　　／＼　
　　＼　　　＼／　　＼　　　　　　　　　　
＼　　＼　　／＼　　　＼ｚ= 電波路徑長　
　＼　　＼／　　＼ｙ　　＼　　　　　　　
　　↘　／↘ｘ　　↘　　　↘
　　　↘　　↘　　　↘　　　↘
　　　　Ｏ　　　Ｘ　　　Ｙ　　　Ｚ　　
　　　－＋－　－＋－　－＋－　－＋－　
　　　　｜　　　｜　　　｜　　　｜　　
　　　　｜　　　｜　　　｜　　　｜　　
　　ｃ１｜　ｃ２｜　ｃ３｜　ｃ４｜　　
　　　　｜　　　｜　　　｜　　　｜　　
　　　　 ＼　　　＼　　 ／　　　／　　　
　　　　　＼　　　｜　｜　　／　　　　
　　　　　　＼　　｜　｜　／　　　　　
　　　＋－－－－－－－－－－－－－＋　
　　　｜　　　　　　　　　　　　　｜　
　　　｜　　　　合　併　器　　　　｜　
　　　｜　　　　　　　　　　　　　｜　
　　　｜　　　　　　　　　　　　　｜　

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..

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..

更詳細的討論, 您可以到 www.tvrobbs.com 的數位電視討論區搜尋..

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