使用陷波器搭配偶極天線，達到多頻段作業

如今具有高度活動性且頻率範圍在 GHz 之譜的小型無線裝置當道，具有歷史意義的長線型偶極天線似乎已經過時，但事實並非如此。這種天線具有許多優點，因此仍廣受軍事、緊急服務、廣播電台及業餘無線電愛好者喜愛，用於遠距全球點對點連線和廣域廣播。

其優點包括靈活性、設定簡單、可調整輻射場形、對外能見度低、包裝／攜帶尺寸小巧。主要應用在低於 30 MHz (10 m 波長) 的頻率，這在以往稱為高頻 (HF)，指 3 至 30 MHz 的頻段，也可用於較低的頻率／較長的波長。另一個優點在於，若在偶極兩臂中添加名為陷波器的簡易諧振 LC 電路，單一條偶極天線就可同時用於多個頻段。

此部落格文章將概述長線 (偶極) 天線的原理、指出一些理論與現實的考量因素，並說明陷波器如何充分發揮其作為多頻段天線的用途。(其中某些考量適用於其他偶極配置，例如眾所周知的摺疊式偶極，但不同配置間有也有重大差異。)

為何要使用長線偶極天線？

如今許多天線屬於短式天線 (大多數尺寸大約一公尺或更短)，或幾乎看不見 (例如智慧型手機中的晶片諧振器，或 PIFA 平面倒 F 形天線)，因此長線偶極可能給人過時或稀有之感。但馬克士威方程式與波形理論顯示，一個有效的偶極輻射器／接收器，其主要尺寸必須是其相關波長的一半。這款經典的偶極天線並未接地，為發射器功率放大器和接收器前端放大器提供均衡、對稱的負載 (圖 1)。(一個理想的偶極，標稱阻抗為 73 Ω，但通常直接說是 75 Ω；此差異甚小可以忽視。)若將天線連到常見的 50 Ω 饋線，饋線和天線之間就需採用適度的阻抗匹配配置。

圖 1：這款基本的經典偶極天線有兩個四分之一波長臂，在諧振工作頻率下顯示為 73 Ω 平衡電阻負載。(圖片來源：MicrowaveTools)

如果這款偶極採用細線，頻寬通常約為中心頻率的 5%；若採用粗線，頻寬將增加 20% 之多，但會影響其他效能屬性。如果是透過接地電路連到發射器或接收器，並使用同軸纜線當作饋線，可能需使用平衡不平衡轉換器的變壓器。但是，只要阻抗匹配得宜，許多情況也能直接使用同軸纜線。

長線偶極天線的設計簡單，因此吸引力顯而易見。只要使用兩段等長的電線，並利用方法連接到樹木、建築物、路標或任何手邊物件即可。天線通常不會直接連到這些支撐物上，而是用一段電線和絕緣體當作連接「隔離柱」(圖 2)。

圖 2：偶極一般是透過絕緣體 (白色) 和電線線段連到支撐物上，以便偶極臂長度能獨立維持，不受支撐物之間的距離影響。(圖片來源：Physics Forums)

實際上，由於電線厚度有限，而且有其他偏離理論的情況，因此實際的天線長度可能需進行調整，才能達到最佳效能，但這種調整通常小於 5%。即使未調整，效能通常也很優秀，電壓駐波比 (VSWR) 通常低於一般可接受的 1.5:1。

在天線阻抗明顯偏離或不符的情況下，VSWR 會升至不可接受的程度，因此效能會受到影響。在此情況下，會在饋線中使用可調整的天線調諧器進行補償，並且實施過渡。

偶極的理論增益約為 2 dBi (dB 相對於等向性)。其輻射場形很簡單，通常會呈現圓環狀 (圖 3)。

圖 3：偶極的輻射場形，一為垂直平面上視圖 (A)，一為水平面側視圖 (B)，形狀像圓環。(圖片來源：Science Direct)

使用者可以調整天線方向，將最大發射器能量／接收器敏感度導向預期的無線電收發器 (通常位於數千英哩外)。過去有許多記錄顯示，在大氣傳播條件適宜的情況下，在 20 和 40 m 處使用發射功率遠低於 1 瓦的偶極，能在數千英哩外成功通訊，一切都要歸功於其優異的效率和輻射場形。

多頻段運作讓功能更多元

在許多真實的 HF 通訊情況下，必須嘗試同時在多個頻段中建立聯繫，或在不同的時間切換頻段，因為連接性會隨許多變數而異，例如太陽黑子、大氣雜訊、在白天還是夜間運作，以及不斷變化的傳播條件。因此，單頻段偶極天線可能不足以勝任。

要解決問題，顯然要設置多條偶極天線，各負責不同的頻段／波長。但此作法有諸多實際層面的困難，包括多條聵線的裝配、纏結、管理和切換。有時雖能利用 RF 分離器／結合器，將一條饋線連接到兩條天線，但這會引發損耗和新的阻抗匹配問題。

所幸有一個更好的解決方案，就像偶極一樣，從最早的無線年代就使用至今，稱為「陷波器」。(目前尚不清楚此術語是誰於何時首次提出；1941 年美國專利 2,229,865 號提出此技術時，並未使用這個詞。)陷波器是一種簡單的並聯式電感電容 (LC) 組合，可在兩個相關頻段之間自諧振。

在偶極每個臂中插入一個陷波器，讓天線有兩種電氣長度但只有一個實體長度。頻率低於諧振頻率時，陷波器的電抗會是電感式；高於諧振頻率時為電容式。陷波器就像開關一樣，在陷波器的設計頻率下，以電氣方式切斷天線其餘部分，並在低於天線諧振頻率下充當負載線圈。

在陷波器的簡化電氣模型中，可顯示實體電感和電容，以及微弱的寄生電阻 (R_P) (圖 4)。

圖 4：陷波器是一種簡易的諧振 LC 電路，帶有一些非預期但無法避免的電阻，可以採用串聯配置 (A)，或當作並聯 RLC 電路 (b)。(圖片來源：AntenTop)

陷波器最大的問題在於損耗，這會是傳輸和接收模式的隱憂。然而，陷波器若經過適當設計和調諧，就可讓損耗維持在 1 dB 程度，為求其便利性來說，這通常可以接受。

選擇陷波器元件值

在數學層面上，有無窮無盡的 LC 配對數量能產生所需的諧振頻率。但在許多情況下，需採用與超大 (或超小) 電容匹配的超小 (或超大) 電感。這種配對會受到寄生元件和實體尺寸問題的嚴重影響，其品質因數對相關頻段來說，不是太窄就是太寬。

所幸，在挑選陷波器尺寸方面，目前有很多根據理論、實作和現場實際經驗寫成的文獻。舉例來說，對於 80/40 m 的偶極來說，其適合的陷波器可採用 5.55 µH 電感搭配 100 pF 電容 (圖 5)。

圖 5：圖中顯示的元件值和偶極線性尺寸 (以英呎為單位)，就是適合 80/40 m 多頻段偶極的好選擇。(圖片來源：QSL Net)

挑選陷波器元件時，不只要判定合適的 L 和 C 值，還有些與功率處理及耐用度相關的現實問題要考量。若是純接收的天線，幾乎任何電感或電容都能處理非常少量的接收功率 (只有幾毫瓦程度，且通常更低)。但是，發射器提供的功率級別通常介於數十瓦、數百瓦甚至更高，因此陷波器元件的額定值必須可配合上述功率級別。

陷波器亦會受到天氣影響。雖然某些偶極天線位於良性環境，例如閣樓或木質穀倉，但多數都在室外，因此必須承受雨水、風壓、極端溫度、冷凝等。因此，陷波器及其連接必須完全密封、具有某種排放和通風配置，或以耐天候的材料製造。即使連接保持完整無損，一旦進水或腐蝕都會影響元件值，進而改變諧振頻率。

陷波器構造通常需使用共形塗層，或某種耐天候的外露結構，將其元件密封裝入塑膠盒中 (圖 6)。通常會使用低成本的 PVC 管道作為纏繞電感的核心；在其他情況下，則會使用具有緊密端蓋的 PVC 管道作為外殼並搭配防水的取用孔。

圖 6：這款自製的 80/40 m 陷波器，在 PVC 管周圍使用手繞電感作為其核心支撐物。(圖片來源：www.vk4adc.com)

還有另一個實際的問題需納入考量：陷波器元件的調諧和修整。雖然首要步驟是計算元件值，但礙於寄生元件、電線直徑及電感繞組的缺陷 (還有更多現實因素)，這些理想值往往有所不足。

因此，多數自製的陷波器及許多商業陷波器，都允許使用者在現場對 L 和 C 值進行一些調整，以達到所需的效能 (通常使用 VSWR 儀表來完成)。這種微調可能反反覆覆、令人沮喪，尤其是 DIY 實作時；有許多網站提供實用的建議可簡化此流程。

陷波器的運用並不限於在兩個頻段上使用長線偶極。也可使用一連串陷波器打造三頻段甚至四頻段的偶極天線。但是，這麼做需進行額外的調整，並在天線輻射場形、增益、頻寬及其他參數方面，做出一些效能折衷與取捨。

不限於簡易的偶極

陷波器雖然通常都會聯想到基本的長線偶極，但並不限於這種天線設計。例如，多頻段、指向性的高增益八木天線，就是以一系列主動和被動偶極元件打造。這種八木天線會在其導向器、主動驅動器和反射器元件中使用陷波器，因此能跨多個頻段運作 (圖 7)。

圖 7：陷波器能在基本偶極上進行三頻段操作，也能用於更複雜的多頻段天線，例如這個 20/15/10 m 的八木設計；圖中從左到右分別是天線導向器、驅動和反射元件，各臂上各有兩個陷波器。(圖片來源：OnAllBands)

您可以打造專屬的偶極，許多一次性使用的情況就會這樣做。但也有標準的商用品可以參考，例如 PulseLarsen Antennas 的 KGI825。這款基本的四波長偶極具有 2 dB 增益，可在 806 至 896 MHz 間作業，中心頻率為 851 MHz (圖 8)。

圖 8：KGI825 是一款四分之一波長偶極天線，增益為 2 dB，中心頻率為 851 MHz。(圖片來源：PulseLarsen Antennas)

KGI825 可處理高達 60 W 發射功率，並在厚度 0.138 至 0.158 in (3.5 至 4 mm) 的窗口內，提供便利的磁性安裝。隨附一條 14 ft (4.25 m) 的 RG-58/U 同軸纜線，可讓使用者將連接器連到此纜線。

結論

低技術性、樸實無華的長線偶極天線，已經在無線領域服役超過一世紀。這種天線很簡易、適應力高、方便攜帶且有效，因此仍將繼續沿用。若使用被動陷波器，即便延伸到電磁頻譜高頻部分的兩個或更多頻段，仍能運作。

相關內容

《瞭解天線規格及運作：第一篇》

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

《瞭解天線規格及運作：第二篇》https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2

《天線：設計、應用與效能》

https://www.digikey.com/en/articles/antennas-design-application-and-performance

《使用平衡不平衡轉換器進行量測》

https://www.digikey.com/en/articles/the-use-of-baluns-for-measurements

《瞭解 RF 平衡不平衡轉換器與其轉換功能》

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-the-rf-balun-and-its-transformative-function

《使用 PIFA 解決小型產品、小型天線的難題》

https://www.digikey.com/en/blog/use-pifas-to-solve-the-small-product-smaller-antenna-dilemma

外部參考資料

• H.K. Morgan, U.S. Patent 2,229,865, “Radio Antenna System”
• MicrowaveTools, “Dipole Antenna”
• Science Direct, “Antenna Fundamentals: Radiation Pattern”
• On All Bands, “Antenna Traps—A Way to Cope With Limited Space ”
• QSL Net, “Tuned Circuits and Traps”
• AntenTop, “Modeling Trap Antennas”
• AntenTop, “Multirange Trap Antennas”
• VK4ADC's web, “Low Cost Antenna Traps”
• SOTABeams, “Using Antenna Traps”