BJYの備忘録

皆様、いつも当ブログをご覧いただき、ありがとうございます。

今回からしばらくの間、アンテナに関する記事を書いてみたいと思います。
稚拙な文章で申し訳ありませんが、最後まで読んでいただけたら嬉しいです。

まず最初にご紹介するアンテナは、私が今年からHF帯のハイバンドで
DX-QSOメインに使っている、ハンドメイドのワイヤーアンテナです。

このアンテナを、従来のアンテナを用いて簡潔に表現するならば、
「Ｊ型ANTに、もう１本水平エレメントを追加したもの」とか、
「ツェップANTをダブルエレメントにして、片方のエレメントを垂直にしたもの」
と言えます。
しかし、このアンテナは単にこの説明だけに留まらず、数々の特長を持っています。

まずは、全体のイメージ図を示します。



名称に関しては、国内外のwebを一通り検索してみましたが、このアンテナと
同じタイプの類例が見当たらないため、仮称として
と呼ぶことにしました。

◆特長

・(1) HF帯ハイバンド(14/18/21/24/28MHz)向きです。
・(2) 超ローコストで、簡単な構造です。
・(3) 同軸ケーブルで直に給電できます。
・(4) 調整が楽で、しかもSWRが完全に1.0になります。
・(5) 比較的、広帯域です。(SWR＜1.5の帯域幅が広い)

◆性能

・(6) 同一の高さに設置したGPやDPに比べて、電離層反射(DX通信)において
　飛び/受け が優れています。

◆弱点

・(7) 大きさの関係で、10MHz以下の周波数は製作に適しません。
　　逆に高い周波数はUHFの430MHzでも実験済みです。
・(8) 構造上、シングルバンドでしか運用できません。
・(9) λ/4のスタブの部分がオープンフィーダー(はしごフィーダー)であるゆえ、
　　次に掲げる弱点があります。
　・(9-1) はしごフィーダーの製作がやや面倒。(慣れてしまえば問題なし)
　・(9-2) 雨の日はSWRが悪化します。(SWR＜1.5の範囲内ですが)
　・(9-3) はしごフィーダーの部分は金属物からなるべく離す必要があります。

これらを(1)から順番に、補足説明します。

(1)私が今年初めに作ったのは、28MHz用でした。その後、24MHz→21MHz→18MHz→
　14MHzと段々低い周波数にQSYして、各バンドで交信実績を重ねました。その成果は
　素晴しく、これら全てのバンドでDXCC100をCFM、28MHzでWASをCFMしました。
　因みに、全て同一のポール(長さ12m)を使っていますので、ANTトップの高さは12m、
 　つまり、28MHzは給電点が12-5-2.5=4.5mH、24MHzは12-6-3=3mH、21MHzは
　12-7-3.5=1.5mH (!)　いかに低い高さで実用になっているのがお分かり頂けるでしょうか。
(2)基本的にワイヤー(ビニール線と、調整用のアルミ線が少々)だけなので、￥5000で
　お釣りが来ます。
(3)一般にツェップANTはANTカプラー、Ｊ型ANTは200～300Ω(4:1や6:1のバラン)を介して
　同軸ケーブルに給電する方法が本に載っていますが、このANTではバランは一切不要で、
　50Ωの同軸ケーブルで直に給電することに成功しています。
(4)一般にDPなどはエレメントの長さで調整するので、ANTの上げ下げが重労働になります。
　しかしこのANTではエレメントは一切弄らず、スタブの部分で調整するので、手元に
　近い場所で調整作業が可能になります。しかもスタブからは電波の発射は基本的に無い
　ので、調整部分は高さ1mであっても実用になります。
　SWRの調整方法は、後述する手順さえ間違わなければ、2ステップで完了します。
　ただし、ANTアナライザーは必須です。昔ながらの電波を出しながらSWR計だけで
　調整する方法は、このANTにとっては辛いものがあります。
(5)一般にツェップANTやＪ型ANTは、使用可能な周波数帯域が狭いのですが、このANTでは
　それらの欠点を補って広帯域を実現しています。

(6)主に地上波通信を利用するVHFでは、相手局のANTの偏波面によって、GPとDPでは
　信号強度にかなりの差があるので一概には比較ができません。
　一方、主に電離層反射を利用するDX局の場合、電離層反射によって偏波面が変化するので
　GPでもDPでも同じ条件になります。これらのANTを使っている局との比較では、
　私のBJY Specialの方が多少良い成績となっています。(※FT8モードではいつも常連で
　QRVしている局が大勢います。これらの局の中から、私の近隣の(千葉や東京の)局で、
　ANT設備の情報をあらかじめ頭の中にINPUTしておくと、同じDX局をこれらの局と私が
　同時に呼んだ場合に、優劣がわかるようになります)

(7)10MHzだと垂直エレメントが15mにもなり、これをある程度の高さに上げるとなると
　実用的ではありません。430MHzの実験は単純にλ/4のスタブがHFと同じ450Ωの
　はしごフィーダーで作れるかどうか興味があったので家の中で作ってみましたが、
　ちゃんと動作して室内ANTでも実用になりました。ただ144MHzや430MHzは、他に
　もっと簡単で高性能なANTが沢山ありますので、このANTはあくまで実験用です。
(8)マルチバンド化は究極のテーマです。エレメントの方は周波数毎のトラップコイルで
　何とかなりますが、問題はスタブです。ATUを使えば解決できるかもしれません。
(9-1)はしごフィーダーに使うセパレータをあらかじめ加工しておけば、製作が楽になります。
(9-2)小雨であればあまり変化しませんが、大雨であれば1.5を超えることもあります。
(9-3)金属製のマストやカーボン釣り竿のマストは適していません。
　グラスファイバー製のマストであればベストです。

◆動作原理

このアンテナを作る上で基礎にした２種類のANTを、以下に簡単に紹介します。

Ｊ型ANTは、アンテナハンドブック等の本に、VHF用のANTとして紹介されています。
ツェップANTは、HF用のANTとして大昔から存在する、End-Fed(端給電)のANTです。
この２つのANTが、実は動作原理が同一であることは、以前の記事(第45話)で紹介しました。

ツェップANTは、エレメントをダブル(２対)にすることで、電流位相が揃ったコリニア
動作になり、利得がUPすることが知られています。
ただ、８の字指向性はシングルに比べるとビームがシャープになり、回転機構にしないと
相手局の方向によっては思ったような利得が得られません。
また、水平系のANTのため、地上高が低いと打ち上げ角が高くなり、DXに適しません。

一方、Ｊ型ANTの方は、エレメントが垂直で、なおかつGPに比べて電流腹が高い位置に
あるため(※給電高さを同一とした場合)、地上高が低くてもDX向きのANTになります。

余談になりますが、Ｊ型ANTの紹介記事ではたいがい、"構造が簡単な割には良く飛ぶ"
と書いてあるだけで、何故良く飛ぶのか、その理由については言及していませんが、
私のこれまでの実験結果から、「電流腹の位置が高いこと」「エレメントが垂直であること」
が大きな理由だと感じます。

今回ご紹介するANTは、ダブルツェップANTとＪ型ANTの"いいとこ取り"をしたANTです。
つまり、エレエメントをダブルにしたことで利得がUPするのと、片方のエレメントを
垂直にしたことで電流腹が高くなり、ビームは８の字ではなくほぼ無指向性になるため、
DX向きの「八方美人」のANTだと言えます。

◆給電方法

給電方法については、ツェップANTではλ/4のスタブとは規定しておらず、昔の本では
たいがいオープンフィーダーを延々と送信機の後ろまで引っ張って来て、ANTカプラで
整合を取るやり方で紹介されています。
※現在主流の「ツェップライク」ANTは給電方法が全く異なりますので、割愛します。

Ｊ型ANTでは明確にλ/4のスタブ(末端を短絡したショートスタブ)を規定していて、
その末端近くで同軸ケーブルを直に給電しています。

私もＪ型ANTの方式を模倣し、調整には同軸ケーブルの給電位置やスタブの長さを
カット&トライしてSWRを追い込んでいましたが、結構時間がかかりました。
(これについては第46話に詳細な説明があります)
Ｊ型ANTを実験している方の方々のwebも拝見しましたが、私と同様に皆さん調整には
苦労されている様子でした。

何回か実験を繰り返しているうちに、"スタブ全体の長さはλ/4ぴったりの長さに
しておいて、短絡位置を調整するショートバーをつけたら良いのではないか？"
と頭の中で閃きました。スタブの長さは、短縮率を考えたら常識的にλ/4より短く
なることが予想されますし、仮に設置高が低いため低い周波数で共振していたと
しても、周波数を上げるためには同軸ケーブルの位置とショートバーの位置を
内側にずらせば良いので、調整範囲は必ずλ/4の長さの範囲内に収まるはずです。

さっそく実践でやってみたところ、これが大成功でした！
スタブの長さを固定化したことにより、スタブのカット＆トライ作業から解放され、
(1)同軸ケーブルの給電位置をスライドして中心周波数でSWRのディップ点を探し、
(2)ショートバーの位置をスライドしてSWRの最低点を求める
という2つの手順で短時間に調整が終了するようになりました。
しかも1度調整点をマークしておいて、次回同じANTを再設置した際に、マーク位置に
同軸ケーブルとショートバーを繋げば、無調整で低SWRになることがわかりました。
つまりこのやり方は高い再現性があることが証明されました。

さらに、実験の過程で、エレメントをダブルにした効果により、SWRが更に低くなる
(SWR=1.0)のと、SWR＜1.5の範囲の帯域幅が広くなる(シングルに比べほぼ倍になる)
ことを発見しました。

※この考察については、少々理屈っぱくなりますので後の記事で改めて書くことにします。

次回は、このアンテナの製作編です。各バンド毎にデータを用いてご紹介する予定です。

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