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第十八回 SWR測定、アンテナ直下がベストは本当だった


Dr. FB

アンテナの製作記事を読むと「SWRはアンテナの直下で測定せよ」と説明されています。また、「同軸ケーブルの長さでSWRを調整するな」とも書かれています。ところが、同軸ケーブルの長さを短くしたり、中継ケーブルを使い長くしたりするとSWRメーターの振れが改善するときがあります。「これでヨシ!」とされているアマチュアの方々もおられるようです。今回はSWRの測定を同軸ケーブルの長さに注目して実験をしてみることにします。


図1 よくあるSWRメーターの接続例

SWRの測定の前に知っておかなければならないこと

図1のようにSWRメーターをアンテナから数メーター、あるいは数十メーター離れた無線機に近いところに接続してSWRを測定すると、アンテナの本当のSWRを測定することができない場合があります。

アンテナと伝送路の整合が取れていない場合、同軸ケーブルの長さ(電気長は後述)を周波数のλ/2の整数倍とすることで、アンテナの給電点(アンテナ直下)で測定するSWRの値とほぼ同じ値がその反対側の同軸ケーブル端に現れます。また、同様に同軸ケーブルの長さ(電気長)を周波数のλ/4の奇数倍とすると、アンテナ直下で測定したSWRと無線機側で測定したSWRの値とが一致しない状態も見ることができます。

これは、アンテナの給電点インピーダンスと同軸ケーブルの特性インピーダンスとが合っていないことで、同軸ケーブルに定在波を生じていることが原因です。負荷(この場合アンテナ)と信号源(この場合無線機)間の同軸ケーブルの長さによって、トランシーバー側から見た負荷のインピーダンスが変わって見えるのです。もちろん、負荷が理想的な50Ωのインピーダンスでは、定在波を生じないためこの限りではありません。

この同軸ケーブルの長さとSWR値の変化については多くのアマチュア無線家がその理論を説いておられますので詳しくはそれらを見てください。ここでは、その理論を実験で確かめます。

同軸ケーブルの準備

実験に手ごろな波長の144MHz帯を使って実験を行います。同軸ケーブルの長さでSWR値が変わって見えるため、図2に示す4種類の長さの同軸ケーブルを準備します。

我々はアンテナを製作するとき、下に示す(1)式から波長を求めます。同軸ケーブルの長さを1波長、半波長として求めるときは、下の公式で求めた長さに例えば5D2Vであれば0.67を掛けます。この0.67を同軸ケーブルの「波長短縮率」と呼んでいます。これは、電波の伝搬速度が同軸ケーブルのような導体を伝わるときの速度が空気中や真空中を伝わるときの速度より遅いため生じます。この波長短縮率は、同軸ケーブルの種類によって変わりますので、使用する前に同軸ケーブルのメーカーの仕様書等で調べてください。


145MHzで実験を行うことで、その周波数におけるλ/4、2λ/4、3λ/4、それに1λの同軸ケーブルを準備します。同軸ケーブルの波長短縮率を考慮した長さを「電気長」と呼んでいます。145MHzにおける5D2Vの電気長1λ(=1波長)を求める計算式が下の(2)式です。


同様にλ/4、2λ/4(=λ/2)、3λ/4、4λ/4(=1λ)の長さを求めたものが下の表です。


図2 5D2Vを使用した時の145MHzにおける波長と電気長(波長短縮率67%)

実験(1) 負荷を50Ω、SWRメーターをアンテナ直下に接続

図3に示した接続は、あらゆるアンテナの製作記事に書かれている理想的なSWR測定方法です。つまりSWRメーターをアンテナ直下に接続して測定する方法です。実験では、アンテナは疑似負荷、つまり50Ωのダミーロードを使いました。同軸ケーブルはFUJIKURA製の5D2Vです。

実験結果は、同軸ケーブルの長さを変えて測定しましたが、いずれの場合もSWRメーターの指示値はSWR=1でした。


図3 負荷に50Ωのダミーロードを使用し、SWR計を負荷の直下に接続

実験(2) 負荷を50Ω、SWRメーターを無線機の近傍に接続

図4は、整合が取れたアンテナが同軸ケーブルの長さでSWRの指示値に変化があるかどうかを見た実験です。つまり、SWRメーターは、無線機の近傍にある状態を想定しています。実験結果は、いずれの場合も同軸ケーブルの長さに関係なくSWR=1でした。


図4 負荷に50Ωのダミーロードを使用し、SWR計を無線機の直前に接続

実験(3) 負荷を187Ω、SWRメーターをアンテナ直下に接続

実験(3)と実験(4)が、我々が普段使っているアンテナや同軸ケーブルとほぼ同じような状態にあるケースです。つまり、アンテナのSWRが1でなく、1.5や2といった状態です。

SWRが3といったケースは稀と思いますが、今回の実験ではSWR≒2~3の状態を疑似的に作り実験を行いました。負荷は、1.5kΩの抵抗を8本並列に接続して自作したものです。抵抗値はテスターで測定するとR=187Ω、インピーダンスをインピーダンスブリッジで測定するとZ=120Ωでした。

図5に測定の概略図とSWRの測定値を示しました。SWRメーターをアンテナ直下に接続してSWRを測定しています。想定した通り、概ねSWRは、2.5~3の値を示しています。(図5に記載のSWR値を参照ください)本来、SWRを負荷の直下で測定すると理論ではSWRメーターと無線機間の同軸ケーブルの長さに関係なく一定のはずですが、実測では0.5もの差が出ています。これは、後日の検証課題とします。


図5 整合の取れていない負荷を使用し、SWRメーターを負荷の直下に接続

実験(4) 負荷を187Ω、SWRメーターを無線機の近傍に接続

この実験(4)が今回の説明のキーポイントです。つまり、自作したアンテナをそのまま屋根に上げ、適当な長さの同軸ケーブルで給電する。SWRメーターは無線機の近くに接続し、自作したアンテナのSWRをそこで測定する。よくあるケースです。

実験(3)で見たようにあらかじめSWR=2~3の負荷を接続していますので、SWRメーターの指示値は、それくらいの値を示せば正解となります。同軸ケーブルの長さが10cm、λ/2、1λのときのSWR値は、それぞれSWR=2.1、SWR=2.8、SWR=2.5となりました。つまり、λ/2の整数倍の長さの同軸ケーブルを使用したときは、同軸ケーブルの負荷端の状態が反対の無線機側にそのまま出てくることがこの結果から分かります。

逆に同軸ケーブルをλ/4、3λ/4の長さにしてSWRを測定すると今回の実験ではSWRはそれぞれSWR=1.4とSWR=1.5となりました。実際のSWRは実験(3)でSWR=3となっているにも関わらず、これらの長さではSWR≒1.5となり「これくらいであれば良しとするか」としてアンテナの調整を終了すると実際は同軸ケーブルに定在波が乗っていることになり、無線機の出力が十分アンテナから輻射されないという結果を招くことになります。

この実験(4)で、λ/4、3λ/4のSWR値は比較的一定ですが、λ/2の整数倍のときのSWR値にはSWR=2.1、SWR=2.8、SWR=2.5とばらつきがあります。本来はアンテナ直下のSWR値がそのまま出てくるはずですが、製作した同軸ケーブルの長さの精度にも原因がありそうです。


図6 整合の取れていない負荷を使用し、SWRメーターを無線機の近傍に接続

まとめ

前述しましたように実験(4)が今回のキーポイントです。つまり、意識的にSWR=3程度の負荷を接続してSWRを計測すると実験(3)では、予想通りSWRメーターの振れは3近くになりました。(下表最右列) ところがキーポイントの実験(4)では、同軸ケーブルの長さによりSWR=3近くを示しているときと、それより低い値を示しているときがありました。(下表中央の列) つまりSWRメーターをシャックの中に置き、アンテナのSWRをそこで測定するのは、同軸ケーブルの長さによって指示値が変わるということです。


図7 実験(3)、実験(4)のまとめ

一本の同軸ケーブルの先端にはマルチバンドのアンテナが接続されている状態では、常に同軸ケーブルの長さを電気長λ/2の整数倍にするといったことも現実的ではありません。

実験(3)で分かったようにSWRはアンテナ直下で測定することがベストといえます。無線機の近くに置いたSWRメーターでSWRが仮に極端ですが3を示したとしても、アンテナ設置時にアンテナ直下でSWRが1.5であったなら、理論的には何らそのメーターの指示値に一喜一憂することはないのです。

とはいえ、現実は厳しく無線機の近くに置いたSWRメーターで3を示しますと、実際は無線機のファイナルトランジスタを不整合による破壊から防ぐために無線機の機能の一つであるAPC(Automatic Power Control)が動作します。そうなると無線機の送信出力が低下するため、アンテナ自体の整合が取れていたとしても、パワーが制限されることになり、アマチュアには大きな問題です。アンテナ直下でSWRを低下させることはもちろんですが、無線機側でもアンテナチューナーやアンテナカプラー等で見た目のSWR低下も十分考慮する必要があります。

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