[アンテナ]我が家のように狭い自宅に設置するBCLアンテナとして、現在のベストは磁界成分を拾うアクティブ微小ループですが、今の季節だと、エアコンなどがまだ本格的に動いておらずローカルノイズが少ないので、むしろ電界成分を拾うパッシブ形ホイップアンテナのほうが受信状態が良くなる場合があります。そんなわけで、我が家でもApexRadioの303WA-2が今の季節は大活躍です。HFローバンドが得意のようです。写真左のアンテナのほうが見た目存在感あるけど、こちらはアマチュア無線144/430MHz用のGPアンテナ。この記事の主役は真ん中のアンテナです。この303WA-2ですが、どうしてこんなにHF帯が良好に受信できるのか動作原理がよくわからない謎のアンテナとして知られています。参考サイト:kerokeronyororoさんこのアンテナのインピーダンスを受信機側(すなわち同軸ケーブル込み)で測定すると、こんな感じになります。303WA-2インピーダンス特性(付属同軸ケーブル10m込み・設置状態)Z=R+jXスミスチャートインピーダンスマッチングは30MHz以下では全く取れておらず、スミスチャートの外周をぐるぐる回るだけになっています。したがって、SWR値だけで評価すると全くダメダメなアンテナということになってしまいます。同軸ケーブルを短くしてみても、以下のような感じで基本的には変わりません。303WA-2インピーダンス特性(同軸ケーブル6m込み・設置状態)Z=R+jXスミスチャート同軸ケーブルの長さに依存して誘導性/容量性の入れ替わり周期(すなわちスミスチャートのぐるぐる回転周期)が変わるだけです。要するに、インピーダンスが50Ωに全く合っていない素子を同軸ケーブル経由で測定した場合の典型的パターンです。したがって、同軸ケーブルを介在するとアンテナ本来の特性が非常に見えにくくなっている状態です。それではということで、303WA-2をダイレクトに測定器(AA-30.ZERO)につないでインピーダンスを見てみます。303WA-2インピーダンス特性(アンテナ単体)Z=R+jXスミスチャートZ=R+jXの縦軸拡大これはずっと前の記事でも紹介したことがありますが、400kHz付近に鋭いピーク(共振点)があるだけで、あとはなんだかよくわからないのっぺらぼーなインピーダンス特性になっています。この特性から察するに、150μHくらいのインダクタと1000pFくらいのコンデンサを組み合わせた並列共振回路が入っているように思われます。(値はかなりテキトー)このインピーダンス特性でどうしてHF帯の電波が良く受信できるのか、理屈がさっぱりわかりませんが、いろいろ考えた末に、下記の点に着目してみました。・400kHzから18MHz近辺の間は容量性になっている長い金属エレメントでできたホイップアンテナなので「インダクタ」のイメージがありますが、実はMF~HF帯に限っては「コンデンサ」に見えている、ということです。ここで「電界成分を拾うアンテナ」「コンデンサ」という2つのキーワードから、もうひとつの不思議なアンテナのことを思い出しました。Whipプリント基板を利用した平行平板をプローブにして空間の電界成分を拾い、下記のアンプでインピーダンス変換しながら受信機に送り込む、という形式のアンテナです。実は、303WA-2もこのアンテナ(PA0RDTミニホイップ)と似たような動作原理なのではないでしょうか。確信を持てる理屈が無いので、あくまでも推測に過ぎませんが、そう考えるといろいろと腑に落ちる気がします。303WA-2もPA0RDTミニホイップも周囲環境の影響を受けやすいアンテナであることが、非常によく似ていると思います。いうことは、上記のアンプ(ソースフォロア+エミッタフォロア)を303WA-2の直下(根元)に入れることができれば、もっと特性を安定させることができるかもしれません。どなたかやってみませんか?(私は工作下手で面倒くさがりなのでたぶんやらないw)ちなみに、303WAをノイズキャンセラ用のアンテナとして利用している人もいらしゃるようです。[アンテナ]前回2/24の記事で各種ループエレメントの比較をしましたが、その続編です。ループ面積的にもインダクタンス的にも最も有利である円形ループを作ってみたいと思っていました。世のアマチュア無線やBCLの諸OM方々は、マグネティックループアンテナ(MLA)と称して、アルミや銅のパイプ・フラットバーを器用に曲げて製作しておられますが、残念ながら私にはそのようなスキルも道具もありません。ホームセンターで買ってきた短いアルミパイプをつなぎ合わせて三角形ループにするのが精いっぱいでした。なんとかお手軽に円形ループを作れないものかと、以前からネタとしてあたためていた、市販のフラフープを利用した円形ループを試しに作ってみることにしました。市販の安いフラフープはポリエチレン製で中が中空になっているので、そこにアルミ線を通してエレメントとします。100円ショップでホビー工作用のこんなアルミワイヤーを見つけました。直径2mmと3mmのものです。太いほうが性能的には有利ですが、まあしょうがないか。続いて、本題のフラフープ。100円ショップにもあるとの情報が事前にあったのですが、地元の100円ショップには置いてありませんでした。しょうがないので同じ建物内のメガド〇キホーテで購入しました。直径80センチで、16個のパーツをつなぎ合わせて作るやつです。パーツの穴が片側だけ貫通していないタイプだったので、1つ1つハンドドリルで穴を開ける作業が必要になりました。地味に時間がかかってメンドクサイ...穴を開けた後は、アルミワイヤーを中に通しながら組み立てて輪っかにしていきます。アルミワイヤーが微妙に短くて、寸足らずになってしまったのですが、リード引き出し用のビニール線を長めにすることで帳尻を合わせました。途中の写真を撮るのを忘れてしまったので、いきなり完成後の絵です。こんなふうに設置しました。16Φの塩ビパイプのジョイントパーツと相性が良くてスッポリとはまる太さでした。これは使える...設置する前に、前回と同様、ループエレメントのインピーダンスを測定しました。緑色の線がリアクタンスです。誘導性から容量性への変化点である自己共振周波数が18MHz付近です。前回の三角形ループが16MHz付近だったので上がっています。周囲長が短くなったぶんだけ上がったのだと思われます。三角形:3m)インダクタンスの部分を抜き出したグラフが下の図です。前回のグラフに追記して各種ループエレメントを比較します。前回同様、5MHzを例にした具体的なインダクタンス値は以下のとおりです。[μH]前回最も低かった三角形ループ(アルミパイプ)をかわして、わずかながらフラフープ円形ループのインダクタンスが下回りました。したがって今までの中で最良、ということになります。これも周囲長が短くなったことが有利に働いたことになるかと思われます。続いて、実際の受信信号の比較です。以下のような2つの組合せのアンテナを並べて設置し、アンテナ切替器で切替えながら了解度を比較しました。rev2.0深夜の5MHz帯を聞きました。(A)(B)ともに聴感上は非常に良好で、大きな差は無くほぼ互角な感じです。ノイズフロアはわずかに(B)の円形ループのほうが低い(と言っても1~2dBの差)です。了解度については(A)の三角形ループのほうが良い気がしました。(B)から(A)に切り替えた瞬間にググッと信号が持ち上がる感触があります。言っても本当にわずかな差です。ここまで来ると、ループエレメントの差以外にアンプのゲイン差とか設置場所のわずかな条件の違いなどが加味されてくるので、本当の姿はよくわからなくなってきます。評価環境の限界ですね。終了間際ただ、確実に言えるのは、100円ショップ等で材料をそろえたフラフープループアンテナでも十分に実用になる、ということです。これは自分的には大きな収穫です。今後は、フラフープループをもうひとつ作り、ループエレメントの並列化をやってみたいと思います。[アンテナ]我が家での中短波帯受信環境をさらに改善しようと、いま主力で使っているマグネティックループアンテナについて調べ始めました。いろいろな先人たちが研究しているようで、ありがたいことにその偉大な方たちの書いた様々な文献をネット上で読むことができます。ここ数週間、その文献やWebサイトを読み漁ってみて、ちょっともうお腹いっぱいになってきましたが、このアンテナの性質・特徴みたいなものが、おぼろげながら理解できるようになってきました。その結果を書くだけでもかなり長くなりそうなので、それはまた別の機会にしておいて、とりあえず2例だけ参考URLリンクを貼っておきます。読んできて、「マグネティックループアンテナ」と称するのは少し語弊があることに気付いたので、以後は「スモールループアンテナ」と呼ぶことにします。今回はループエレメントについていろいろな考察・実験をしてみました。このアンテナの基本動作は「ループの中を通過する電磁波の磁界成分をピックアップして誘導電流を発生させる」ことです。したがって、受信感度を良くするためには「少ない磁界成分(磁束)でより多くの電流を誘起させる」ようなループが必要となります。そこで、以下の重要な関係式が登場します。反比例する」ということになります。したがって、誘起電流を大きくするためには(A)「ループ面積を大きくする」もしくは(B)「ループのインダクタンスを小さくする」ことが求められます。この2つは相反する事象なので、(A)(B)を同時に実現するのは単純には難しいことです。面積を大きくしようとすると、ループの長さ(周囲長)も伸びてしまうので、結果的にインダクタンスが増えてしまいます。その辺は、すでに世の中のすごい人たちがあの手この手の絶妙なアイデアで工夫しており、ある一定の対策というか結論が出ているようです。できる範囲で自分でもいろいろと試してみることにしました。ここでは、ループエレメントの形状・材質を変えてインピーダンスを測定し、実際の受信も行って比較してみました。三角形ループ(ビニール線)これまで長いこと現役で使ってきたエレメントです。1.25mm^2)を長さ1メートルの塩ビパイプに通して固定したものです。三角形ループ(アルミパイプ)最近製作して別の記事でも登場しているアルミパイプのループです。1メートル長・15ミリ径の中空パイプをステン金具でつないで正三角形にしています。正方形ループ(アルミパイプ)さっきの(2)三角形ループにもう1辺足して正方形にしています。写真は実際の仮設置後のものですが、大地に対して45度傾けてるので、見た目は「ひし形」です。それぞれのループ面積を計算しておきます。2.31倍だけ有利になるはずです。次に、インピーダンス測定の結果です。AA-30.ZEROです。青線が|Z|:インピーダンス、赤線がR:抵抗成分、緑線がX:リアクタンス成分です。正方形ループ(アルミパイプ)これを見ると、(1)は15MHz付近、(2)は16MHz付近、(3)は13MHz付近で緑色のリアクタンスが大きく変化しています。この周波数より下では誘導性リアクタンス、上では容量性リアクタンスを示す結果になっています。いうことは、磁界成分をピックアップする「マグネティックループ」として動作するのは、実はこの周波数以下だけということになります。自己共振周波数が意外と低いところにあるというのが新しい発見でした。上の絵だとごちゃごちゃして見にくいので、誘導性リアクタンス(インダクタンス)の部分だけ抜き出し、直列→並列変換したのが下のグラフです。(3)の順に小さくなっていることがわかります。グラフにして視覚的にみると一目瞭然ですね。[μH]となっています。1.46倍有利ということが言えます。1.58倍だけ有利になりそうです。(1)というふうに予想できますね。実際にKiwiSDRにそれぞれのアンテナエレメントをつないで受信した結果を以下に示します。エレメントの交換の都合とかローカルノイズ発生の関係ですべて同じ日にはできなかったのですが、夜間の5MHz帯で信号が出ていない周波数を選んでノイズフロアレベルを測定しました。帯域幅5kHz)アンプはBCL-LOOP13re2.0を使用しています。聴感上の了解度でもはっきり差が出ます。Shillong局(4970kHz)を受信してみると、(2)が最も聞き取りやすいです。ビニール線とアルミパイプの比較では、順当にアルミパイプが良くなりましたが、三角形と正方形の比較では、予想に反して三角形のほうが良い結果となりました。結果だけから言うと、今回は面積の大小よりもインダクタンスの大小のほうが支配的だった、という結論になりそうです。何か計算に入っていない要素があるのかもしれません。アンテナの世界は理論と実際が合わないことが多いそうなので、一筋縄ではいかないです。正方形ループにはちょっと期待していましたが、結果はダメでしたね。これで、今のところ三角形ループが最良とわかったので返り咲きとなりました。別の次の一手を考えることにします。[アンテナ]手元にある中短波用アンテナの種類がかなり増えてきました。このブログでまだご紹介してないものを含めるとけっこうな数があります。買っては試し、作っては試しを繰り返してこうなったわけですが...今回は、現在の主力のアンテナ4種について、KiwiSDRで受信比較をしてみました。0~30MHz全帯域の状況です。Balun(カプラ型)全体的にノイジーです。4MHz近辺と12MHz近辺でさらにノイズレベルが上がってますね。この付近でちょうどインピーダンス的に整合が取れてるのかもしれません。303WA-2いまおそらく国内で一番売れてるBCL用アンテナでしょう。パッシブ型なので一部の帯域を除いてノイズレベルはそこそこ低くて静かです。4MHz以下がかなりノイジーですが、中波放送帯の3倍波付近が盛り上がってるところを見ると、これはアンテナのせいではなくて、KiwiSDRの入力アンプが飽和してるのだと思います。中波帯を落とすフィルタ(HPF)を入れればマシになりそうです。アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)全体的にかなり静かで信号レベルもしっかりしています。12~17MHz付近のハイバンドが若干ノイジーですが、ループエレメントの自己共振周波数がこの近辺にあり、インピーダンス変動が影響しているかもしれません。アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)全体的にノイズレベルがかなり低く静かです。ゲインを控えめにしているので、信号レベルがちょっと細いですが、気になるほどではありません。中波帯を落とす軽めのフィルタを入れています。Kuwait(15515kHz)での受信比較です。Balun(カプラ型)ノイズレベル:-107dBm信号レベルも低いので、聞いててちょっとザラザラ感があります。303WA-2ノイズレベル:-110dBmノイズが低く、信号レベルもそこそこあるので実用になります。この周波数近辺がこのアンテナのベストポジションかもしれません。アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)ノイズレベル:-104dBm信号レベルは太いですが、ノイズがちょっと高いですね。不利な周波数帯を選んてしまったので、別の周波数ではまた評価が違ってくるでしょう。アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)ノイズレベル:-110dBmアクティブアンテナなのに、ノイズレベルがパッシブ型の303WA-2と同じです。信号レベルもそこそこ高いので、了解度はかなり良いです。全体的な印象として、この4種の中ではBCL-LOOP13rev2.0が最も了解度が良いアンテナと言えそうです。バンドによって一長一短があるので、受信する周波数に応じて使い分ける、というのが一番良い運用方法でしょう。[アンテナ]昨日の記事の続きです。BCL-LOOP13が無事動き始めましたが、不具合対策のために受信ゲインを最小に絞ったままでした。ノイズフロアが非常に低いのは良いのですが、信号レベルも低くなって、ちょっと物足りない感じになっているので、ゲインを調整してみることにしました。このアンテナは2通りのゲイン調整方法があります。基板内のボリウム抵抗を回して調整するか、もしくは電源電圧を変えることによってもゲインが変わります。電源については、手持ちのACアダプタ(6V)による運用にしたいので、今回は基板のボリウムを回してゲインを調整します。近隣のKiwiSDRサーバーをちょっとお借りして、ノイズレベルと信号レベルを参考にしながら調整しました。やって他所の受信環境がカンニングできるのはイイですね(笑)でも、他所と比較して、ウチの受信環境のS/Nがいかに貧弱なのかが実感できて、ちょっとヘコみます...今回はついでに、ループエレメントの変更も行いました。ビニール線からアルミパイプへの変更です。今までもう1本のアンテナアンプΔLOOPXのほうに付けていたものをBCL-LOOP13に変更する形になります。(上の写真)地上高も今までよりちょっと高くなりました。こちらは、今までのビニール線のループエレメント。こちらには既存のΔLOOPXを取り付けました。アンプとエレメントを入れ替える形になったので「正副交替」ですね。BCL-LOOP13での受信状況ですが、今のところ発振などは再発せずに順調に動いています。信号とノイズとのバランスが取れたのでさらに了解度は上がると思います。[アンテナ]年明けから製作開始していたBCL-LOOP13rev2.0基板ですが、本日ようやく完成にこぎつけ、アンテナとして設置・稼働し始めました。実はいろいろスッタモンダありまして、一発動作とはいかず、ここ1週間ばかり作者様と相談しながら原因調査と対策をしていました。作者様)部品実装後にバイアス電圧が時々おかしくなる現象があり、おそらく発振していたんだと思います。欲張ってオリジナルよりも電流を増やし過ぎたのが原因かなと思い、少し控えめな電流設定にしたところ、基板単体としては正常動作するようになりました。(各部の電圧は下の写真の手書き数字のとおり)ケースはタカチのYM-80に入れてみました。基板ジャストサイズなので部品どうしが干渉して組立しにくくなる失敗をちょっとやらかしました。本当は少し大きめのケースを使うほうが良かったかもしれません。防水用のケースに入れます。下の3つの穴からBNC同軸ケーブル、ループエレメントの(+)側、(-)側を通して接続します。さああと一息だ、と思いながらアンテナを仮設置して動作確認してみたところ、先ほどの発振現象が再発し、何も受信できない状態になってしまいました。ここに来てまたかよ~とガックリしましたが、気を取り直して原因調査と対策。ゲインを絞るために電源電圧を12Vから6Vへ下げました。ACアダプタを使用しています。これは不具合が無くてももともと後からやるつもりだったことなので特に問題なし。入力側の浮遊容量を少なくするために、エレメントからの接続線(上の写真の黄色いビニール線)をケースから少し離すようにしました。上の写真ではくっついた状態です。この2つの策が有効だったようで、発振現象は無くなり、正常に受信できるようになりました。アンテナとしての完成です。いやぁ、長かった...現在、このアンテナはKiwiSDRサーバーに接続中です。ゲインを抑えているので、受信レベルとしてはちょっと控えめですが、そのぶんノイズフロアが低くて非常に静かなアンテナですね。了解度が上がり、SDRと相性が良いと思います。作った甲斐がありました。fractional_n最近のコメント大きな前進でした。ありがとうござい..おお、問題解決できて良かったです。..早速試してみました。「Compat..今回は勝手なお願いにもかかわらずご..すみません、私もNMEAのフォーマ..QUAと申します。”需要があるとも思えないの..ありがとうございます。