Quagi Antenna

Quagi 唸作”ㄎㄨㄚ　ㄍㄧ˙”，它是我所做過最簡單、效率最高的 VHF/UHF Beam Antenna。這支天線是以 Quad 作為反射及輻射元件，而其導波元件則和 Yagi-Uda Antenna 完全一樣，所以稱為 Quagi。

有關 Quagi 的文章最早出現於 1977 年 4 月份的 QST 雜誌，作者為 Wayne Overbeck / K6YNB，介紹他將 VHF Yagi 改裝為 Quagi 的經過並列出 144、222、432 MHz 8 Element Quagi 的尺寸。次年 2 月份，原作者又在 QST 雜誌發表了一篇 432 MHz 15 Element Long Boom Quagi 的文章，這兩篇文章經過整理後被收錄在 The ARRL Antenna Handbook 中，由此可見 Quagi 確有其獨到之處，值得大家一試。

Quagi 的研發過程

這個故事要追溯到 1970 年。在 1970 年 K6YNB 拿了一支號稱有 13.5dBD 的廠製 Yagi 到 West Coast VHF Conference 中量測，實測結果令人大失所望，竟然只有 6.4dBD。作者檢查天線發現並沒有組裝錯誤，就再拿一支同型號的天線去量測，結果也 是只有 6dBD 左右。於是一位老手告訴他問題可能就出在 Gamma Match，因為 Gamma Match 用在 HF 頻段效果還算不錯，隨著頻率升高 Gamma Match 的效率漸漸降低，到 了 144 MHz 效率已經好不到哪裡去了，到了 430 MHz 簡直無法使用。

怎麼辦呢？這支天線〞食知無味，棄之可惜〞，於是作者把輻射元件換成 Square Loop ，而反射元件及導波元件則不做改變，經過量測這支天線的增益變成了 9.8dBD，這樣 的結果實在非常令人振奮，因為理論上一個 Loop 的增益大約為 1 dBD 左右，而另外 多出來的增益則是因為少了 Gamma Match 而使得天線的效率提高的緣故，況且目前只 是把天線的輻射元件換掉而已，如果再將天線的其他部份重新最佳化則應該還有更好的 表現。

於是作者就和他的朋友 WB6RIV 花了一整個夏天的時間，以 Try and Error 的方法尋 找 Quagi 的最佳尺寸（這時候他們已經將輻射元件及反射元件換成了 Square Loop ） ，試想在當時電腦的軟硬體並不發達，在沒有辦法用模擬的狀況下，當然也只能 Try and Error。最後他們做出了 8 Element Quagi，在 144 MHz 方面，Quagi 為他們贏得 了三次天線比賽，而實測量到的增益約為 11.5~14.2 dBD （因為三次比賽所用的參考 天線並非完全相同，所以 3 次量出來的增益並非完全相同）。

Yagi-Uda Antenna、Quad Array 與 Quagi 的比較

一、就結構而言

無疑的，Quad Array 是比 Yagi-Uda Antenna 複雜多了，尤其在 HF 頻段，4 元件的 Quad Array 已經算是浩大的工程了，然而 4 元件 Yagi-Uda Antenna 還算好處理。在 VHF/UHF 頻段，Quad Array 的 Size 雖然不是問題，不過要處理每個元件的支撐卻令人心煩。

二、就匹配而言

單一個 Loop 的阻抗約為 100 Ω，在 Quad Array 中約降為 60~50 Ω左右；單一個 Dipole 的阻抗為 73 Ω，在 Yagi-Uda Antenna 中變為 40~30 Ω左右。由此可知 Quad Array 可以直接饋入，而 Yagi-Uda Antenna 則需要用匹配網路來提昇阻抗，如 Gamma Match、T Match、Hairpin 等，然而這些簡單的匹配網路在 HF 的表現還好，但是在 VHF 以上的頻率就很容易將信號衰減，於是好不容易從天線得來的增益，就被匹配網路 犧牲掉了。因此目前許多廠製的 VHF/UHF 都使用特別的匹配網路，但是製作麻煩，所 以就業餘的觀點來看，在匹配方面 Quad Array 是比較佔優勢的。

三、就增益與天線大小的考量而言

根據研究，2 Element Quad Array 約比 2 Element Yagi-Uda Antenna 多了 1.5 dB 的增 益。若固定天線總長度 (Boom Length)，則 Quad Array 約比 Yagi-Uda Antenna 多了 2 dB 的增益；若天線的的元件數目相同，則 Quad Array 約比 Yagi-Uda Antenna 多了 1 dB 的增益；若兩支天線的增益相同，則 Quad Array 的長度通常只是 Yagi-Uda Antenna 的二 分之一。顯然的，在這方面 Quad Array 是佔了一點點優勢，不過對高增益的天線而言 ，這樣的優勢並不明顯。

四、就增益與製作的難易度而言

任何 Beam Antenna 都有一個現象，那就是剛開始的幾個元件可以使增益增加很快，但 到了一定數目以後增益的增加就很慢，也就是說為了增加一點點增益，往往要增加很多 元件才辦得到，這會使得天線變得又長又重，尤其 Quad Array 更是明顯。所以當元件 數目少的時候，Quad Array 較佔優勢；元件數目多的時候，Yagi-Uda Antenna 較佔優勢， 兩者可說是各有優劣。

Quagi 以 Square Loop 做為反射及輻射元件，以 Yagi-Uda Antenna 的方式來做導波元件 ，所以它有 Yagi-Uda Antenna 結構簡單、製作容易的優點，也有 Quad Array 直接饋入、 沒有匹配損耗的好處；在增益方面，他比 Quad Array 低一些，比 Yagi-Uda Antenna 高一 點，但和 Quad Array 複雜的結構比起來，Quagi 算是一個非常划算的設計。

Quagi 的製作

Quagi 的外觀和尺寸如圖和表一到表三所示。

• 依照這個圖所架設，其場型為水平偏波。
• 表一為 8 Element Quagi 各元件長度。 Reflector 和 Radiator 的數據是週長，Boom 是指支撐天線元件的主桿長度，也就是 Reflector ~ D6 的距離。
• 表二是各元件之間的距離，最下面一行 Stack Spacing 是指並列兩支 Quagi 時，兩支天線的最佳距離。
• 表三為 432MHz 15 Element Quagi 從 D7 ~ D13的長度與距離，而前面的 8 個元件如表一所列。

製作重點如下：

• 以上數據乃是原作者經多次實驗所得到的最佳組合，若想要得到最好的效果，請使 用相同的材料和尺寸來製作，若使用不同的材料，則您可能要自行調整一些數據才 能使天線發揮最佳的效果。
• 天線的主桿 (Boom) 必須使用不導電材質，如木棍、塑膠管等。使用木棍最為方便 。
• 反射及輻射元件要用線徑為 2.0mm 外面有塑膠絕緣皮的電線製作，而且不能把絕 緣皮剝除。如果你用更粗的電線或鋁管，則長度可能要短一點；若用相同線徑的裸 線或漆包線，則長度就要長一點。
• 表列反射元件及輻射元件的長度是指銲接後的總長度，所以在剪電線及銲接的時候 必須考慮銲接重合部份的長度。總之就是盡量將誤差控制在 3mm 以內最好。
• 導波元件用直徑 3mm 的銅棒、鋁棒、不銹鋼棒或漆包線都可以。
• 如果你使用方形木棍來做為天線主桿，建議您用”ㄇ”型夾線釘來固定導波元件最 方便。
• 請注意饋電點的那個邊是與導波元件平行的。若導波元件與地面平行，那麼就是水 平偏波；若導波元件與地面垂直，那麼就是垂直偏波。
• 理論上，饋電方式應採平衡式饋入，實際上並不講究這點。你可以將同軸電纜或Ｍ 座直接銲在饋點上，重點是把握第 4 點的原則。
• 輻射元件及反射元件的 Square Loop 不須刻意折得很漂亮沒關係。
• 調校時若發現 SWR 最低點不在原來的設計頻率時，適度地修剪輻射元件的長度即 可。
• 若諧振頻率已經調整好但 SWR 稍稍偏高，則可以把輻射元件稍稍折成〞ㄑ〞形來 調整。

使用經驗

一旦你做完並調整好你的第一支 Quagi，你就會發現它的製作實在太簡單了，以後大概 不到 1 小時就可以再複製一支。

我曾經製作過一支 432 MHz 9 元件的 Quagi 用來參加 85 年的 Field Day 通信比賽 ，僅利用 3W 的功率即可由新竹通聯至臺南、南投、臺中、臺北，並且和臺北 20mW 的 電台完成通聯，可見 Quagi 的收發特性均佳。而我的朋友 Daniel 所使用的 432 MHz 8 元件 Quagi，裝在屋頂上已經兩年了，其主桿（木條）仍未腐蝕斷裂，可見木頭的耐 候性並不如我們想像的差。

再次強調 Quagi 有製作簡單、材料便宜、高效率的優點，不管您是製作定向天線的高 手或菜鳥，您將發現 Quagi 將是您的最愛，如果您正想要自做定向天線，不要考慮了 ，就是它。