My Project／第23回【場所を選ばないHF運用】チューナー内蔵アンテナとお手軽アース｜2020年9月号

My Project

第23回【場所を選ばないHF運用】チューナー内蔵アンテナとお手軽アース

JP3DOI　正木潤一

IC-705は1台でHFバンドからD-STARレピータアクセスまで運用できる、移動運用が主体の当局のようなアパマンハムにとって待望のリグです。バッテリーパックを使用して5W QRP、外部電源を使用して最大10Wという出力も移動運用の可能性を広げます。

さて、IC-705が移動運用に向いているリグとはいえ、たとえば年間を通して全国各地と交信できる7MHzの運用には長いアンテナが必要です。スペースが許せばポールを立ててフルサイズのダイポールやツェップアンテナを張ることもできますが、もっと手軽にHFバンドを運用したいものです。

そこで、徒歩での移動運用に実用的なコンパクトなアンテナ体系を考えました。今回は、バリコンを使用せずインダクタンス・チューニングにより耐電力と小型サイズを実現した、7MHzバンドのアンテナを製作します。また、場所を選ばずアースを取れるアース・シートを紹介します。

目次
可変インダクタンス方式
可動フェライト棒
モノバンドアンテナにチューニング回路を付ける理由
アンテナエレメント
折り畳みエレメント
エレメントの製作
ワイヤーアンテナ
お手軽アース
アースシート
チューナー部の製作
アンテナ基部(マッチング部)の製作
塩ビパイプの加工
M5樹脂ボルトの加工
フェライト棒の組み込み

可変インダクタンス方式

アンテナのマッチング回路にバリコンを使うのは可変容量方式です。入手が比較的容易なポリバリコンはあくまでAMラジオ用のため耐圧が低く、マッチング回路にもよりますが5Wでの連続送信に不安があります。少なくともIC-705のフルパワー(10W)送信には耐えられないと思います。送信出力を低く抑える前提でポリバリコンを使ったとしても、アンテナの基部がコンパクトになりません。耐圧の高いエアバリコンは大きくて重いうえ入手が困難です。耐圧を確保しつつコンパクトに仕上げるため、マッチング回路に容量ではなくインダクタンスを連続的に変化させて整合を取ることにしました。可変インダクタンス方式です。空芯コイルの中でフェライト棒を上下に動かしてインダクタンスを調整、容量分(キャパシタンス成分)は固定値のセラミックコンデンサを使います。アンテナの形式はボトムローディングの短縮アンテナ。7MHzのモノバンドです。

可動フェライト棒

ショートプラグを使って運用バンドを選択するマルチバンドアンテナが市販されています。それらは運用バンドごとにローディングコイルのタップ位置を切り替えてマルチバンドに対応させていますが、インダクタンスを連続的に変えることはできません。後述しますが、SWRは運用環境やアースの取りかたによって大きく変わります。整合状態を調整できる仕組みがあれば、運用場所・周波数ごとにSWRをほぼ“1”にまで落とし込むことができます。

インダクタンスを連続的に変化させるには、コイルの中に入れたフェライトコアの位置を変えます。ダイヤルを回すとアンテナ基部のローディングコイルの中のフェライト棒が上下に動く仕組みです。

＜ローディングコイルの中でフェライト棒を上下にスライドさせてインダクタンスを変化させる＞

モノバンドアンテナにチューニング回路を付ける理由

理想的な環境で調整してSWRを落とし込んだモノバンドアンテナでも、移動運用先で同じ特性は出ません。SWRはアンテナ周辺の環境によって大きく変わるためです。運用場所にある立木や構造物、アースの取りかたや無線機に接続しているケーブルの状態などによってSWRは大きく変わります。とくにアースが貧弱だと無線機から伸びているスピーカーマイクのケーブル、人体もSWRに影響を与えます。スピーカーマイクを顔に近づけたときと離したとき、無線機を操作しているときと無線機から手を離しているとき、いずれもSWRが異なります。

つまり、SWRを低く保つには運用場所で整合を取れる何らかの仕組みが必要です。エレメントがロッドやワイヤーの場合はエレメント長を調節してSWRを下げますが、ただでさえ短縮しているエレメントをさらに短くするのは勿体ないですね。一方、このアンテナは短縮コイルのインダクタンスを変えることでマッチングを取るのでエレメント長は変わりません。高いQを保ったまま運用周波数に鋭く整合させて貴重なQRPの電力をエレメントに送り込みます。

＜参考: アンテナの重要な要素「物理的強度」＞
この『My Project』では過去に何度かアンテナの製作を紹介しました。その度に触れていますが、アンテナには電気的特性とともに物理的強度が求められます。特にエレメントの長いアンテナの基部には想像よりもはるかに強いストレスが加わります。せっかくの自作アンテナが移動運用先で壊れてしまうと、他のアンテナを使ってQRVできるバンドにQSYするか、運用自体を中止せざるを得ません。このアンテナの基部(マッチング部)には塩ビパイプを使っています。塩ビパイプはABS製のプラスチックケースと比べて遥かに丈夫。耐候性も高く、加工し易い上に安価です。また、塩ビパイプとナット(エレメントを接続するツメ付きナット)はしっかりと熱融着させています。

アンテナエレメント

このアンテナを作る際にエレメントの長さに悩みました。もちろん長ければ長いほど(短縮率が低いほど)良いのですが、利便性と携行性を考えると長すぎても使いづらいと思います。迷った末、ツイッターでアンケートを取ってOM方のご意見を伺いました。

＜ツイッターでのアンケート結果＞

その結果、エレメント長は2.5mに決定しました。回答いただいたOMの方々に感謝します。(ただし、最終的に全長約260cm、折り畳み時39cmとなりました。)

ポータブルHFアンテナには伸縮式のロッドエレメントがよく使われています。2.5mのものが入手できなかったので、エレメントも自作することになりました。

折り畳みエレメント

軍用無線機のアンテナの中には『Whip-a-way (ホイップ・ア・ウェイ)』タイプが使われています。これは、複数の金属パイプによって1本のエレメントが構成されていて、個々のパイプは中に通っているワイヤーによって繋ぎ留められています。ちょうど、ドーム型テントのポールと同じ構造です。この構造は『My Project 2018年6月号』で作った折り畳み式144MHz八木アンテナでも採用しました。

＜米軍の無線機『AN/PRC-77』に取り付けられた“whip-a-way”タイプのアンテナ。
個々のパイプを繋ぎ合わせると約3mのエレメントになる＞

これと同じように、37cmにカットしたアルミパイプを7本連結させ、全長約260cmのエレメントを作りました。折り畳んだときの長さは約39cmです。

＜アルミパイプを使った折り畳み式エレメント。ロッドアンテナよりも軽い＞

エレメントの製作

太さの異なる3種類のアルミパイプを使います。先端にかけて細くなるように配置して、各パイプ同士をスペーサーを介して接続します。パイプ内に通したショック―コードでテンションを掛けてパイプ同士を結合します。

詳しくは図を参照していただきたいのですが、加工が少し多いのでポイントをまとめておきます。
・スペーサーのパイプへの固定は、パイプを少し歪ませてからスペーサーを被せる。
・パイプの太さが変わる箇所では、スペーサーに異なるスペーサーを被せて太さを変換する。
・ショックコードの片側は、結び目を作って基部側のエレメントにM2ネジで固定する。
・もう片側はエレメントの先端部に結び目を作って固定する。
・ショックコードのテンションは、キツくし過ぎると折り畳みにくくなる。

＜エレメントの構成図＞

＜エレメントの組み立て図＞

ワイヤーアンテナ

2.5mのワイヤーを張ってエレメントにすることもできます。ワイヤーの張り方に関係なく、ダイヤルを回してチューニングを取ることができます。エレメントが破損した際の応急手段としても有効です。

＜M4ネジに対応した丸形端子付きケーブルを取り付けてエレメントにする。(実際には蝶ネジで固定する)＞

＜幹の太い樹木を選び、樹皮へのダメージを防ぐため空のペットボトルを使って木の股に引っ掛ける＞

お手軽アース

このアンテナは電圧給電式ではないのでアースが必要です。波長相応の長さのラジアルを這わせるのが一般的ですが、そこまでスペースを必要としない方法を考えました。

アースシート

自動車のボディーにマグネットシートを貼ることで容量結合により車体アースを取る製品があります。同じように、大地と容量結合させて高周波的にアースを取るシートを作りました。十分な大地間容量を得るには一定の面積が必要ですが、運搬時にはできるだけコンパクトにしたいものです。これは百円ショップで入手したガスコンロ周りに使うアルミシートを使って作った例で、A5サイズ(148×210mm)で4枚に切り取ってグロメットで結合させました。運搬時には4枚を重ねてコンパクトにまとめ、運用時に扇のように広げてA5サイズの約4倍の面積を得ます。これにより、その場ですぐにアースが取れます。

なお、このシートを我が家の床に広げたところ、SWRがほぼ“1”にまで下がりました。梁の鉄筋と容量結合するようです。

＜百円のガスコンロシートで作ったアースシート。地面に広げて大地と容量結合させることでアースを取る＞

＜草を避けた地面かアスファルトやコンクリート上に広げてアースを取る＞

百円のレンジフードは強度的に弱く、何度も使ううちにグロメット部分から裂けていきます。0.3～0.5mm厚のアルミ板を使えば何度使っても消耗せず、使った後水洗いできます　20cm×10cmを4枚使用した物(面積小)と、25cm×22cmを2枚使用した物(面積大)を作ってみました。

＜収納状態でLC-192の底部か背面ポケットに収まるサイズで作るとFB＞

加工はアルミ板に4mmの穴を開けて繋ぎ留めるだけです。導通を保つためにスプリングワッシャーを入れてテンションを掛けておきます。

＜0.3～0.5mm厚のアルミ板を使ったアースシート＞

＜アースシートを使って運用している様子。運用場所を選ばない＞

草が生えている場所では地面とアースシートとのすき間が広がって容量結合が弱くなってしまいます。運用場所が草地や展望台といった地面との容量結合が見込めない場合は、スペースが許す範囲でカウンターポイズを這わせます。1/4λがベストですが、それだけ長いと場所を取るうえに荷物になるので、当局は5m長を1本這わせています。それでもダイヤルチューニングによりSWRはほぼ“1”に下がります。運用場所に応じてアースシートとカウンターポイズを使い分けます。

＜地面が露わになっている場所(左)ではアースシート、草地(右)ではカウンターポイズを使う＞

チューナー部の製作

加工難易度が高い順に作業を進めて、失敗した場合のやり直しが少なくなるようにします。最も難しいのはM5の樹脂ボルトにM2のイモネジを付ける工程です。

＜全体組立図＞

アンテナ基部(マッチング部)の製作

塩ビパイプの側面にネジ穴を設けて樹脂製のボルトを通し、フェライト棒を挟んだゴム製のブッシュをボルトに付けて、ボルトを回すとフェライト棒が上下に動くようにします。塩ビパイプの内側はツルツルしているので、フェライト棒はとても滑らかに動きます。整合点への微妙な調整が可能です。

上部にはエレメントを接続するためのツメ付きナットを熱溶着させ、下部にはフランジ付きBNCコネクター(オス)を付けます。塩ビパイプは安いので、多めに買っておいて気楽に加工に臨みます。

塩ビパイプの加工

＜フランジの付いた塩ビパイプ“ユニオンソケット”＞

1. パイプカッターを使って、ユニオンソケットの上から13mmの部分を切り落とす。

2. フランジ部分の付け根から20mmのところに4.2mmの下穴を開けてからM5のタップでネジ穴を切る。
注意: M5のタップはピッチが0.8のものを使用すること。
M5の樹脂ボルトを通してみて、中の突き当りまでスムーズに入っていくことを確認する。
これがパイプ内部でフェライトコアを上下させるダイヤルとなる。

3. 上部にツメ付きナットを当てがい、ハンダごて(30W)を押し当てる。
室温にも依るが、こてを当ててから15秒ほど経つとパイプが溶け始めてゆっくりとナットが沈み始める。2mmほどナットを沈みこませる。
注意: 30W以上のハンダごてを使う場合は急激に溶融が進むので注意してください。

4. 塩ビパイプに台座付きBNCコネクター(オス)を取り付ける。
底部に下穴として2.6mmの穴を開け、M3のタップを使ってネジ穴を切る。(台座の対角の2箇所) 仮付けしてみて、しっかり付いていることを確認する。

5. BNCコネクターを塩ビパイプから取り外し、コンデンサをハンダ付けする。

M5樹脂ボルトの加工

1. 先端から10mmのところにドリルで1.6mmの下穴を開け、M2のタップを使ってネジ穴を開ける。

2. M2のとめネジを通してみて、スムーズに入っていくことを確認したら外しておく。
注意: とめネジを回すには極細六角レンチを使います。

フェライト棒の組み込み

狭い塩ビパイプの中でボルトの先端にブッシュを通す作業です。少しコツが要ります。

1. M5ボルトを塩ビパイプの半ばまで通す。

2. ピンセットでゴムブッシュの両端を掴み、パイプの中のM5ボルトの先端にあてがう。

3. 奥までボルトを回し、ゴムブッシュをボルトにはめる。

4. マイナスドライバーを使ってゴムブッシュをパイプの真ん中あたりまで移動させる。
注意: ゴムブッシュが斜めにならないように整える。

5. 先ほどボルトに開けた2mmのネジ穴にとめネジを入れる。
このとめネジによってボルトの回転範囲を制限して樹脂ボルトがパイプから抜けてしまうことを防ぐ。
樹脂ボルトを一回転させるとインダクタンスが最小値から最大値に変化する。

6. とめネジを回して、ボルトから飛び出ている長さを調整する。
ボルトが中の突き当りの位置にある状態から、左に1回転させて止まる位置に合わせる。

7. フェライト棒をゴムブッシュにあてがい、ボルトを回しながらブッシュの溝に挟む。
ボルトを回すとフェライト棒が滑らかに上下することを確認する。

8. 樹脂ボルトの頭を切り落とし、ツマミを取り付ける。

＜参考: なぜダイヤルにボルトを使うのか？＞
ゴムブッシュを通す軸にただの丸い棒ではなくボルトを使っている理由は、パイプに貫通穴を開けるよりもネジ穴を1つ開けるほうが簡単で精度が高いためです。この方法は、下穴を開けてからタップでネジ穴を切るまでをピンバイスを使って手でおこなえます。パイプに貫通穴を真っすぐ開けるには、しっかりと固定したうえでドリルスタンドなどを使って慎重に作業する必要があります。

コイルを巻く

1. BNCコネクターを塩ビパイプに取り付け、芯線をパイプ外に引き出す。

2. 塩ビパイプの中心付近からUEW線を巻いていく。(37回)
巻き方によってインダクタンスが変わるため、巻き数は37回を目安にして減らしながら様子を見てください。

3. 巻き終わりをラグにハンダ付けしてM4スペーサーと供締めする。

4. コイルがほどけないようにコイル部分に熱収縮チューブを被せる。

使用部材について

部材選びと加工方法の検討においては機械的強度と耐候性を考慮しました。
・フェライト棒を挟んで上下させるゴムブッシュにはタカチの『NG-79-1』を使っていますが、これは『EPDM(エチレンプロピレンジエンゴム）』という耐候性の高い素材で出来ています。耐熱性が150℃とのことなので、夏の酷暑の中でチューナー部が直射日光を受けて熱くなっても大丈夫なはずです。
・ダイヤルの軸に使っている樹脂ボルトはポリカーボネート製なので、耐熱性と機械的強度を兼ね備えています。
・本来『ツメ付きナット』は、木材に打ち込んでボルトを取り付けられるようにするための部品です。ステンレスと塩ビを強力に接着させる手段が無いので、ハンダごてで熱を加えて溶着させることにしました。
・2mのエレメントではパイプの上辺まで沈み込ませただけで強度は十分なのですが、2.5mのエレメントでは風に煽られた際に外れてしまいました。そのため、パイプの上面から2mmほどまでナット沈み込ませ、4方向から押して樹脂でナットの端を包むような加工を施しました。

使いかた

まず、無線機にアースシートかカウンターポーズを接続してアースを取ります。

運用周波数に合わせ、ダイヤルを回して雑音がもっとも大きくなる位置に合わせます。次に送信中に無線機のSWR表示を確認します。SWRが高ければ送信しながらダイヤルを回して再度調整します。もし、それでもSWRが下がらない場合はアースが足りていない(カウンターポイズが短いorアースシートが小さい)、コンデンサの値かコイルの巻き数が間違っている可能性があります。

本来であればこういった作業は室内ではなく周囲に何も無い広い場所で行います。しかし、このアンテナはインダクタンスの可変範囲が広いので、環境による特性への影響を補正することができます。当局の場合は鉄筋コンクリートの室内でおこないました。(ただし、エレメントが金属ラックや大きな導電体に近づかないようにします) 屋外に出すとチューニング位置が変わりますが、SWRはほぼ“1”に下げられました。

＜IC-705のSWR測定機能を使うと便利＞

エレメントとアンテナ基部(マッチング部)はM4ネジで結合させているので、M4ネジが使われているロッドアンテナも使えます。短縮コイルを挿入すれば、効率は落ちますが2.5m未満のエレメントでも運用できます。

＜手元にあった140cmのロッドアンテナ。M4ネジに適合しているので延長コイルを付けて使える＞

＜M4樹脂スペーサーを使った延長コイルの例＞

他バンドへの展開

コイルの巻き数とコンデンサの値を変えれば他のバンドに対応したアンテナを作ることもできます。また、フェライト棒を2本使えばインダクタンスの変化量を大きくすることができるので、マルチバンドに対応させられるかもしれません。

＜フェライト棒を2本にすればインダクタンスの変化量を増やせられる＞

使用感

このアンテナは出力10Wでも使えるので、エレメントの短さを出力で補うことができると思います。

実際に何度か移動運用で使ってみました。職場に持って行って昼休みに屋上で運用できるくらいですから、「手軽に使える」と言えると思います。ただ、コロナ禍や梅雨時期と重なったこともあり、運用が短時間に限られ、まだあまり交信実績は出ていません。8月9日時点では、いずれも大阪から「長野県東御市レポート59 @10W」、「岐阜県揖斐川町レポート59 @10W」の2局と交信できており、IC-705の実運用で使用できることは確認できています。(追記：9/19 宮城県気仙沼市レポート59 @5W)

最後に

自宅での調整でSWRを落としきり、いざ移動地で運用しようとするとSWRが高い…という経験はあると思います。アンテナは特定の条件で整合回路の定数(インダクタンスと容量)が設定・調整されているので、運用する環境によって整合点がズレます。たいていの場合は運用場所でSWRを見ながらエレメント長を調整することになりますが、短縮エレメントを短くするのは抵抗があります。今回のアンテナは、エレメント長を変えたりコイルのタップ位置を変更したりせずに整合させられます。

また、HF帯のノンラジアルアンテナは、短縮エレメントで消費しきれなかった高周波エネルギーは必ずどこかで熱として消費されます。やはり、できるだけ良好なアースを取ることが高周波エネルギー効率よく放射するようです。アースとして、運用場所にある鉄柵や金網、側溝のグレーチングを利用できるかもしれませんが、使うものによってSWRは変わってきます。そんなときでもこのアンテナはインダクタンスを変えられるので、大抵の場合整合が取れます。運用場所のスペースが許す場合は、ツェップアンテナやフルサイズのダイポールを使って低出力運用。手軽に運用したい場合は今回のように短縮エレメントで10W運用という風に使い分けるのがFBだと思います。

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