135kHz ワイヤーアンテナの製作と調整 by JO2ASQ

  1. はじめに
  2. 既存の測定方法の検討
  3. ロングワイヤーアンテナの概要
  4. コイルの製作
  5. インピーダンスメータの製作
  6. 調整方法
  7. 利得とEIRPの推定(執筆中)

第1章 はじめに

 135kHz帯ではアンテナの短縮率が大きい(帯域が狭い)ため、アンテナの設計や製作がいくら立派でも、マッチングの調整ができなければ、実際の運用は不可能です。135kHz帯はマッチングがきちんと調整されたアンテナで受信すると、人間活動に伴うノイズが驚くほどたくさん聞こえます。

 135kHzをワイヤーアンテナで運用するには、次の4段階の手順が必要と考えています。

  1. インダクタンス可変機構を備えたローディングコイルを作る(場合によってはマッチング回路も)。
  2. エレメント(ワイヤー)を張る。
  3. アースを確保する。
  4. 送信機とのインピーダンス整合(マッチング)を測定する機器により、SWRが下がるよう調整する。

 1.〜3.については、既に多数の文献があります。しかし、4.についての文献は現状で非常に少なく、CQ ham radio誌などの既出記事でも、実用となる情報はほとんど掲載されていません。送信機が準備できても遠距離交信に至らない局の多くは、4.の方法が分からないため立ち止まるケースが多いと推測します。

 以下、ワイヤーアンテナにおいて送信機とアンテナのマッチングを測定する方法について詳しく説明します。 

第2章 既存の測定方法の検討

 HF帯で送信機とアンテナの整合状態を測定する方法として、次の方法があります。

  1. ワンターンランプ、高周波電流計など「出力最大」を確認する方法
  2. SWR計
  3. ノイズブリッジなど、受信機を基準としたインピーダンス測定方法
  4. インピーダンスメーター、アンテナアナライザ、リターンロスブリッジなど、微小信号源を基準としたインピーダンス測定方法

 それぞれ、135kHz帯では次のような特徴があります。

 1. は送信しながらバリオメータ(可変コイル)を調整して、高周波電流が最大になるように調整する方法です。135kHzで1波長以上の交信を成功した局の多くが採用しているようです。共振状態(インピーダンスが純抵抗成分になった時)で50Ωに近いことが別の方法で確認されていることが必要です。アースが不十分な場合や、変形アンテナにチャレンジしたい場合、50Ωから大きく外れることが多く、他の方法と併用する必要があります。送信出力の常時監視、あるいは高周波電流計による出力の絶対値測定(電力目盛りを付ける)できる利点があります。

 2.のSWR計は、調整手段として全く役立ちません。強いて言えば、調整が済んだアンテナで送信する時の動作確認としてのみ有効です。2009年のハムフェアで購入した方が、どのように使用するのか興味があります。1.9MHzの超短縮アンテナをSWR計だけで作ると、このことが理解できます。バンド内の全てでSWRが高い場合、共振周波数がバンドより高いのか低いのか分からず、Lを増減またはエレメント長の長短をどちらの方向に調整するの手掛かりがつかめません。

 3. [→JE3HHT局の製作記事]は、私の持っているI社のリグとの組み合わせでは使用困難でした。300kHz付近で受信機の感度が大きく変わり、ディップ点が分かりません。

 私は4. を最善の方法と考えています。感電や送信機破損の心配が無く実用的です。本稿で詳述します。

第3章 ロングワイヤーアンテナの概要

 ロングワイヤーアンテナの一例を示します。基本的には、自局の環境に合わせて張れるだけのワイヤーを張って、第4章で示すような可変コイルを作り、第5章と第6章の方法で調整すれば、運用可能です。

135KHZLW

 私の移動運用ではワイヤーとして3種類、アースとして5種類の組み合わせを用意しました。(*は私の実験例が少なく性能は不明)

ワイヤーの選択

10m垂直ワイヤ 5m伸縮ポールと5m釣竿を連結。0.75mm2ビニル線。設置スペースを取らないので、都心部ゲリラ運用が可能。1.9〜7MHzと併用可能。135kHzでの利得は低い。
40m逆Lワイヤ 垂直部分5m、0.3mm2ビニル線。1.9/3.5MHzと併用可能。強風時でも使用可能。
200m逆Lワイヤ* 園芸用φ1mmアルミ線を利用した軽量アンテナ。

アースの選択

自動車ボディアース 性能は低い。デモ運用専用。
100mラジアル 0.5mm2のビニル線。この程度のラジアルを張ると、利得の上昇がはっきり感じられる。
200mラジアル* 100mラジアルを2本直列。
金属板アース* 135kHzでは最も実用的と思われる。検討中。
水中投げ込みアース アルミ線(φ1mm×18m ダイソー105円)を水中に投げ込む。簡単にできてかなり効果が高い。

 135kHzでは、ラジアルの動作がHFと違います。HFの場合、自動車ボディアースや簡単なラジアルでも、大地に対するインピーダンスが低くなり、完全導体アースに近い動作をします。135kHzでは、通常の移動運用で用いるサイズのラジアルでは大地に対するインピーダンスが高いために、地面に直接置いたワイヤーでも、アースではなく、非接地エレメントに近い動作をします。ラジアルといっても地上高のごく低いエレメントの一部として動作し、ラジアルを長くするほど利得が上がると推測されます。

第4章 コイルの製作

135KHZCOIL コイルは「インダクタンスを連続的に可変できる」ことが絶対条件です。多くの文献ではバリオメーター(可動コイルを回転させることで主コイルとの結合度を変え、インダクタンスを可変にする)を使っています。これは製作が難しいので、私はスペース巻きコイルにミノ虫クリップでタップを取る方式を採用しました。

 10mのワイヤーを135kHzで共振させるには約20mHのコイルが必要と見積もられるので、「主コイル20mH+可変コイル1mH」の構成にしました。実際はコイル間の配線等の影響で、最大17mH程度で10mワイヤーにマッチングできました。

 製作の材料・方法は、これにとらわれる必要はありません。インダクタンスが同調範囲にあり、巻線の電気抵抗が小さいものであれば何でもOKです。インダクタンスはMMANAなどを使って理論値を計算するか、LCRメーター(インダクタンス測定器)で測定します。

【主コイル】

最大直径42cm、容積30リットルのポリエチレン製漬物樽に、φ1mmポリウレタン線を220回密着巻き。1mH間隔でタップを取る。タップの部分は線をねじってハンダメッキ。ポリウレタン線は約200m使用

 1mH

36T

 6mH

101T

 11mH

 148T

 16mH

189T

 2mH

53T

 7mH

111T

 12mH

157T

 17mH

197T

 3mH

67T

 8mH

121T

 13mH

165T

 18mH

205T

 4mH

79T

 9mH

130T

 14mH

173T

 19mH

213T

 5mH

 90T

10mH

 139T

 15mH

181T

 20mH

 220T

【無段階可変コイル】

最大直径27cm、容積5リットルのポリエチレン製漬物樽に、φ1mm園芸用アルミ線を74回スペース巻き。巻線は自在ブッシュ(詳細はこちら)で保持。透明アクリル板をスペーサーで固定し、巻数の位置にマークを付ける。

 0.1mH  16T  0.6mH  50T
 0.2mH  25T  0.7mH  56T
 0.3mH  32T  0.8mH  62T
 0.4mH  38T  0.9mH  68T
 0.5mH  44T  1.0mH  74T

 コイルのインダクタンスはMMANAにより求めた理論値であり、実測を行っていません。そのため、例えば主コイルのタップの間隔が1mHより広い場合、可変コイルでカバーできない範囲が現れます。その場合、ワイヤーの長さを変えるか、片方のコイルの結線を逆にして2個のコイル間の結合度を変える方法を考えています。現在まで、そこまでシビアな状況は発生していません。 

 重そうに見えますが、実際は非常に軽く、風が吹くと簡単に倒れます。中に重石を入れると良いかもしれません。コイルの下にある物体は、鉄製の「植木鉢スタンド(ダイソーで入手)」です。

 コイル製作のヒント

第5章 インピーダンスメーターの製作

 インピーダンスメーターとして下図の回路を製作しました。参考:「自作電子回路テキスト、大久保忠著、CQ出版社、p.88」

ImpmeterImpmeter_2

 ホイートストンブリッジ等で使われている「被測定物を含む抵抗4本の接続」ではなく、トロイダルコアを利用した中点タップ付きトランスを使って部品数を少なくしてあります。インピーダンスの測定値を示す基準抵抗として、500ΩAカーブのボリウムにテスターで測定した目盛りを付けました。200ΩBカーブも使用可能です。50Ω近辺の調整がしやすいので私は500ΩAカーブが好みです。

 メーターが振り切れない程度に信号源の出力を調整して、周波数と抵抗値を徐々に変えていき、メーターの振れが0になった点が共振周波数、ボリウムの読みがインピーダンス(純抵抗値)です。

 インピーダンスメータの信号源として、次の条件を満たすものが必要です。

 私は次の方法を試しました。

  1. 中波帯スーパーヘテロダイン受信機の局部発信機を改造したLC発振回路
  2. ウィーンブリッジ発振回路
  3. DDS(秋月電子、貴田電子設計)
  4. 発振回路用のIC・モジュール(ICL8038、MAX038、XR-2206CPなど)
  5. ファンクションゼネレータ

FREQCOUNTER 結果は…

  1. バリコンの可変範囲の制約のため、周波数の可変範囲が十分に得られません。周波数を変えた場合の振幅の変化が大きく、全く実用になりません。
  2. 1MHz近くになると振幅が小さくなり不安定。OPアンプやFETの周波数限界か。
  3. 出力調整付きバッファアンプを付ければ使用可能。クリック付きロータリーエンコーダの操作が面倒でした。
  4. ファンクションゼネレータ用のICL8038は2電源が必要で、電池を電源とするには向きません。秋月電子で手に入るXR-2206CPに期待。現在製作中。
  5. 全ての条件を満たす最終手段。ただしAC100V電源が必要で、大きくて重い。

ということで、4.が完成するまではファンクションゼネレータを移動運用に持参しています。周波数調整の分解能は、可変抵抗器1回転で100kHz〜1MHzまで変化すれば十分です。

 入手容易な周波数カウンタとして、貴田電子設計の製品や、秋月電子通商で扱っている周波数カウンタ付きDMM(これは安価)があります。

6. 調整方法

  1. 1.8または1.9MHz付近に共振すると思われる値にコイルを設定して、HF帯のアンテナアナライザかSWR計で、SWRが下がることを確認します。断線によるトラブルを回避するため、この手順から始めています。
  2. 給電線をインピーダンスメータにつなぎ替え、インピーダンスメータでディップする(メーターの指示値が小さくなる)[注]ことを確認します。
  3. コイルのインダクタンスを少しずつ上げていき、ディップ点が下がることを確認します。自己共振などにより現れる無関係なディップと混同しないように、インダクタンスを計画的に下げていき、真のディップ点を確実に追いかけます。
  4. エレメントが長い場合、135kHz付近になると、インダクタンスの変化に対する共振周波数の変化が非常に小さくなります。例えば40mエレメントで135kHz付近では、およそ0.1mH/kHz の変化率、つまり0.1mHのインダクタンス変化(5m漬物樽スペース巻きで7〜8回巻き)に対して約1kHz動くようになります。いったん共振周波数を決めればコイルのインダクタンスの微小変化は特性に影響しにくく、極めて安定な動作をします。ただしエレメントの変化(風による揺れ等)には大きく影響されます。
  5. 135kHz帯でメーターの指針の振れがほぼ0になる点が見つかったら調整完了。給電線をリグにつなぎ替えます。インピーダンスが50Ωから大きく外れた場合、トランスによるインピーダンス変換で50Ωに合わせる方法もあります。私はFT240#43によるトランスを用意しています。

注:「ディップ点」の本来の意味は「ディップメーターのエネルギーが共振回路に吸収されることで指針の振れが小さくなる」ことです。ここでは「インピーダンスの虚数成分が0になり、ブリッジ回路の検流計の振れが0になる」意味で便宜的に使っています。

7. 利得とEIRPの推定

(執筆中)


初版 2010年2月26日,

[JO2ASQ]