翻译 Mr. Ben H. Tongue 的文章#20

BG1TRP

如何测量调幅波段天线-地线系统的阻抗，如何使用测量结果以及测量方法

内容速览：本文介绍了一种测量天线-地线系统阻抗的串联电容和电阻参数与频率关系的方法。 文中给出了对阁楼天线的测量结果。

Fig.1是A版的天线-地线系统测量电桥



Fig.2是B版的天线-地线系统测量电桥。在Fig.2中电流表或耳机跨接在A点和B点上。

　　Fig.1电路的灵感来自1995年1月1日《矿石机协会通讯》上的一篇文章，是由Edward Richley撰写的。Edward Richley使用1MHz石英晶体振荡器作为信号源，所以可以使用200uA电流表。我用正弦波函数发生器作为射频源，也可以使用无线电维修人员的振荡器，前提是有足够的输出信号。这两种信号源都无法提供与石英晶体振荡器相同的信号，因此我提高了电流表的灵敏度。
　　2.5mH扼流圈和5nF电容器的作用：2.5mH扼流圈消除在二极管检波器的电流表或耳机上加载的射频成分，5nF电容消除二极管检波器两个680Ω电阻器上加载的直流成分。
　　我用面包板连接元件，放在不导电的桌子上，以尽量减少杂散电容。连接线要短，尤其是要让J1的信号源引线远离D1两端的连线。
　　在我的装置中，D1是1N34A二极管，M1是0 - 20uA直流电流表，R1是75Ω无感碳质电位器，C1是2 x 365pF双联可变电容器。当天线电容超过365pF时，我会将两个电容器并联起来。
　　这里也可以使用灵敏度更低的电流表，但需要向J1提供更大的信号。如果没有足够灵敏的电流表，可以使用一副高阻抗耳机(直流电阻2000Ω)，或者使用一副听筒串联的Sound Powered耳机。在这种情况下，信号发生器必须将调幅音频调制度调到最高。建议调制频率为1kHz。如果使用电流表，请不要连接耳机；如果使用耳机，请不要连接电流表。
　　为了使用电桥，要将信号发生器调到所关注的频率。调整C1和R1，使M1的偏转最小或者耳机中没有调制音。要尽可能增大注入J1的射频信号，以获得清晰和最精确的零点。然后用欧姆表测量R1的电阻值，用任意方法测量C1的电容量，我用的是Fluke DVM的电容测量功能。我确信无需提醒读者，这项测试在测量时会从天线辐射出微弱的射频信号，因此应该尽量缩短信号发生器的工作时间。

可能存在的问题：需要更高的灵敏度，或者天线拾取的本地电台干扰使电桥的零点模糊不清。
　　如果从射频信号发生器获得的信号不足以提供令人满意的仪表读数，则可以使用Fig2所示的灵敏度更高的宽带电路。在宽带版本中，L1和L2的值为2.5mH，C2为零。在Fig.2中用全波整流器代替Fig.1中的半波整流器，可以提供两倍的输出。
　　人们也可以改用1N34A二极管，或者尝试在电路中使用肖特基零偏压检波二极管，如Agilent HSMS-2850。HSMS-2855零偏压二极管特别适合用于Fig.2所示的电路，因为HSMS-2855是一个双二极管封装，可以一个用于D1，另一个用于D2。使用HSMS-2855时必须谨慎，因为J1上的信号过强可能会损坏二极管。如果信号发生器信号很强，而电桥严重不平衡，就会出现这种情况。最好从弱信号开始，通过调整使电桥平衡，然后再根据需要增大信号。
　　如果来自射频发生器的信号不够强，不足以压制本地信号的拾取，无法将电流表调到零点，可以通过使用C2以及改变L1和L2来增加Fig.2所示电桥的选择性。如果将L1和L2改为10uH的电感器，将C2设为1200pF，则电桥的频率将调谐到约1MHz。这些变化将减少在1MHz频率下本地信号拾取对测量天线-地线系统阻抗的影响。Mouser的“Fastron”#434-23-100是一款合适的10uH电感器。
　　如果用耳机代替电流表作零点指示器，通过对电桥信号发生器进行音频调制，并且在耳机两端连接一个谐振在信号发生器调制频率的并联L/C，可以获得更高的灵敏度。这样可以滤除大部分来自本地拾取的串音干扰，并以极小的损耗让调制音通过。如果所用的调制频率为1kHz，建议L = 47mH，C = 0.5uF。Mouser提供的低成本绕线电感为47mH，1kHz时Q值约为9，型号为Fastron Plugable Shielded coil，#434-02-473J，每个1.20美元。通过减小电感量和增大电容量，可以获得更高的对抗串音干扰的选择性。
　　我住的地方距离WOR和WABC分别约9英里和12英里，这两个电台的功率都是50kW。当使用Fig.1的电路并使用1N34A二极管时，施加到电桥上的10V峰-峰值电压足以压制本地无线电台信号的拾取，从而在电流表上显示出清晰的零点。在使用Fig.2的电路时，如果使用零偏置检波二极管、Sound Powered耳机和并联LC滤波器，就可以在信号电压只有1.5V峰-峰值的情况下得到可用的零点。

提示：

• 如果射频信号源的谐波量过多，电桥平衡零点的深度和尖锐度就会降低。这就是为什么我使用正弦波函数发生器来确保低谐波量。如果用函数发生器产生纯正弦波，应确保将对称控制设置为最佳对称状态(电桥微安表的读数最小)。2004年4月，Tom Polk发布了自制的低失真中波信号发生器的说明和电路图，它看起来非常不错，可在以下网址找到http://www.beecavewoods.com/testequipment/sinewave.html。
• 如果被测天线-地线系统的阻抗大于100Ω，则应使用一个大于100Ω的电位器。
• 典型的天线-地线系统在BC波段的低端会呈现几百pF的电容。由于系统中存在串联电感，因此在频率较高时，测得的电容值会升高。当频率足够高时，系统进入串联谐振状态，电桥将无法平衡。要测量在谐振点或高于谐振点的系统串联电阻，可在天线上串联一个高Q值电容器，电容量为100至220pF。这将提高谐振频率，使得电容器-天线-地线电路呈容性，因而可以获得一个零点，并确定电阻分量。电容器用NPO陶瓷或云母电容器都应该没问题。 （译者注：BC波段是美国的中波调幅广播频段，频率范围540kHz～1600kHz。）
• 在我所在的地方，检测到的本地强台信号在仪表满刻度的15%上下波动，但不足以掩盖信号发生器信号的电桥零点。
• 除非连接到J1的信号发生器是由电池供电的(大多数不是)，否则必须在信号发生器的电源线上安装一个共模射频扼流圈。我的方法是将#18电灯线绕成直径为9英吋的线圈，圈数为18圈，用捆扎带固定，然后在一端装上交流电插头，在另一端装上插座。
  

用测量结果能做什么？
　　电桥的主要实用功能是测量和监控天线-地线电路的电阻。这种电阻主要来自物理接地，而不是天线和地线连接线或天线的辐射电阻。天线-地线电阻的任何增加都会降低从天线获取的有效信号功率。当然，任何减少都会增加从天线获取的有效信号功率。如果正确地重新匹配矿石机输入电路，天线-地线系统电阻减少一半可使有效信号功率增加3dB。
　　测量：人们可以尝试不同的接地方式和各种地线并联方案，以找出电阻最小的方案。使用地网接地可以最大限度地提高可用信号功率(音量更大)。
　　监视：正如最近矿石机俱乐部在Yahoo Club上发布的那样：接地电阻会随着时间的推移而增加。这会导致可用信号功率逐渐降低(音量减小)。如果发生这种情况，定期测量可以提醒人们采取措施纠正问题。
　　如果有人要对矿石机进行数学工程设计，还可以做的一件事就是在设计中使用R值和C值作为参数。 参见文章#22。

室内阁楼天线系统的测量结果：
　　我现在的外置天线在阁楼上。水平振子由7股26号铜线(#17 ga.)绞合而成，用绳索悬挂在屋顶下约1.5 英尺处。振子沿着屋顶的走向，与屋顶平行的部份长53英尺，距离地面约24英尺。馈入线连接到水平振子的中心，沿着水平方向与振子成直角延伸9英尺，然后垂直下降到矿石机的位置，距离地面约4英尺。接地系统连接了供水系统和暖气系统。为了实现低电感接地连接，我的每根引线都使用了300Ω的电视扁平电缆，将电缆的两根导线并联焊接使用。增加与交流电插座中性线的连接似乎并不能降低天线-地线系统的电感或电阻。我总是建议尝试在交流电插座中性点上增加一个连接，有时会有帮助。
　　这个天线-地线系统测得的电容在0.5MHz时为295pF，在1.0MHz时为325pF，在1.5MHz时为410pF，在2.0MHz时为660pF。测得的串联电阻分别为17Ω、12Ω、10Ω和14Ω。该天线的等效电抗元件为285pF的电容与12.5uH的电感串联。由于我的接地是由房屋的供水管道和供暖管道并联组成的，因此阁楼水平天线导线的大部分电容都来自管道和屋顶，这不是真正的电阻式接地。我想这就是低电阻和高电容读数的原因，可能是接地系统起到了某种平衡作用。
　　我决定看一下改用非常简单的仿平顶天线能否获得更强的信号拾取能力。为此，我在天线振子的两端和馈入线起始点各连接了一根电视的扁平电缆，电缆各自长约2.5英尺。重新测量的天线-地线系统参数如下：电容在0.5MHz时为430pF，在1.0MHz时为510pF，在1.5MHz时为860pF；串联电阻分别为：15Ω、12Ω和11Ω；等效电抗元件为405pF的电容与14.2uH的电感串联。信号拾取率在710kHz时仅增加了0.8dB，可以忽略不计，我确信这也在实验误差范围之内。
　　人们可能希望将这些等效阻抗组件与IRE (无线电工程师协会)在1938年的《无线电接收机标准》中规定的“标准虚拟天线”进行比较。我的参考资料是Terman的无线电工程师手册，第一版，1943年，第973和974页。在第974页显示了一个相当复杂的天线等效电路。据说，当只对BC波段感兴趣时，可以使用第973页脚注#2中给出的更简单的替代网络。替代网络由200pF电容器、25Ω电阻器和20uH电感器的串联组合构成。Terman指出，这两个天线等效电路在BC波段中具有非常相似的阻抗特性。第974页的阻抗图与200pF电容器、25Ω电阻器和20uH电感器串联组合形成的阻抗不同，尤其是复等效电路中的电阻曲线。简化电路中的25Ω电阻可能是取自复杂电路中位于BC频段的中心的电阻。这个电阻在简化电路中显示为常数，在更复杂的电路中显示为频率的强函数。建议从理论上推导复等效电路，假设接地完美，因此不包括接地返回路径的电阻。接地电路可以很容易地为电路增加15-50Ω或更大的电阻。

文章#20 发布时间：2001-11-24；最新修订：2004-10-16
原文网址 https://kearman.com/bentongue/xtalset/20MeaAGs/20MeaAGs.html