Topics from Around the World／バランとは何か｜2021年5月号 - 月刊FBニュース　アマチュア無線の情報を満載

Topics from Around the World

バランとは何か

月刊FB NEWS編集部抄訳

テレビの地デジ化でずいぶんTVIも減少しました。それでも無線機とアンテナとのマッチングが悪く、電子機器に妨害を与えるケースも少なくありません。これは一部には、ダイポールアンテナのような平衡型アンテナに対して、無線機の出力に接続する同軸ケーブルの不平衡ラインとの平衡・不平衡の接続に原因があることもあります。これはバランを挿入することで改善できる場合もあります。今回米国のCQ Amateur Radio magazineにそのバランの理論と製作記事が掲載されていましたので紹介します。

バランとは何か
なぜバランが必要で、どのように作るか
著者: Bob Glorioso/W1IS、Bob Rose/KC1DSQ

バランとは何か

ほとんどのアンテナは給電点を中心に左右のエレメントは、「平衡」となっていますが、それを給電する同軸ケーブルは「不平衡」です。どうすれば、この平衡と不平衡をうまく接続することができるでしょうか。その中間に「バラン」を挿入することをW1ISとKC1DSQが説明しています。

バランは英語では“Balun”と綴ります。そのBalunは、BALanced to UNbalanced の省略形で、アンテナの給電で使われているデバイスの総称です。この記事では、そのバランが何であるか、なぜそれが重要なのか、そしてそのバランをどのように使うかを簡単に説明します。

バランには、チョーク型とインピーダンス変換型の2つの種類があります。それぞれについて簡単に説明します。図1に示すようにチョークコイルのリアクタンスは、アンテナ給電線の一部にアイソレーションを持たせる働きをさせます。コアにワイヤーをバイファイラー巻き、あるいは同軸ケーブルを巻きます。するとコイルは設計周波数で高インピーダンスとなり、コモンモードの電流を制限します。コイルは、出力がアンテナまたは平衡給電線に接続されているときは「電流バラン」と通常呼ばれます。別の例として、このチョークコイルを同軸ケーブルの間、あるいはリグとアンテナの間に挿入すると両端の2つの部分にアイソレーションを持たせることができます。これをUNUN（UNbalanced-to-UNbalanced）と呼びます。

図1 フェライトコアを使ったチョークコイルは電流の流れを制限します

インピーダンス変換バランは、アンテナ給電線システムの一部のインピーダンスを反対側の異なるインピーダンスに一致させます。インピーダンス変換バランには、変圧器タイプと単巻変圧器タイプの2種類があります。

変圧器タイプのバランは、電力変圧器と同じように同一コアに別々のコイルを巻きます。コイルはコア内の磁束を介してのみ接続されるため、入出力は、図2に示したように反対側のコモンモード電流から分離されることになります。出力側の電圧は、各コイルの巻数の比率に比例します。入出力の巻数が1:1で同じである場合、入出力の電圧とインピーダンスは同じです。巻数比が2:1の場合、出力の電圧は入力電圧の2倍になり、出力側のインピーダンスは電圧比の2乗または入力インピーダンスの4倍になります。バランはインピーダンス比で示されるため、これは4:1のバランになります。トランスバランのコアは、入力信号のレベルが大きければ簡単に飽和する可能性があります。そのため、この方法は主に受信アンテナなどの低電力アプリケーションで使用されます。

図2 トランスバランは入出力のアイソレーションとインピーダンス変換をします

単巻変圧器タイプでは、図3のように1つのコアに2つのコイルが直列に巻かれています。2つのコイルの巻数が同じである場合、両方のコイルの両端の電圧は同じです。ほとんどのバランは同じ巻数で巻かれているため、図3のバランの出力は入力の2倍となり、つまりこれは4:1のバランとなります。チョークバランや変圧器バランとは異なり、単巻変圧器自体はほとんど、あるいは全くといってよいほど入出力のアイソレーションは取れません。一部のメーカーはそれを電流バランと呼んでいますが、正確には電圧バランです。

図3 ドットは、コイルがコアに同じ方向に巻かれていることを示します

ハムの間でバランはアンテナには欠かせないデバイスのようです。送信時の高周波やけどやリグあるいは外部からのノイズに悩まされるような体験は、その後バランの使用につながる主な動機となっているようです。バランが重要であるといった理由は他にもあります。たとえばダイポールは、運用するバンドの1/4波長のエレメント2本に同軸ケーブルを直接接続して給電することができます。この場合の放射パターンは、ほとんどアンテナに対して左右対称であると思っているハムもおられると思いますが、高周波に対する表皮効果もあるのでこれは当てはまりません。同軸ケーブルには物理的に中央、シールド線の内側、シールドの外側の3つの導体があります。同軸ケーブルの外側はダイポールの片方のエレメントに接続されているため、同軸ケーブルの外側を逆流する電流は1/4波長のエレメントを流れる電流と同じように放射される可能性があります。

アンテナに期待通りの性能を持たせるには、同軸ケーブルのシールド線をケーブルの芯線から分離する必要があります。給電線としている同軸ケーブルの一部をコイル状に巻き、同軸ケーブルの外側(シールド線)の一部をインダクタとして機能させると高周波電流(RF)のシールド線への流れを妨げる単純なアイソレータを作ることができます。これを物理的に行う方法を説明する記事がいくつかあります。例えば160メーターバンドで動作するチョークコイルを作ることはできますが、たいへん長い同軸ケーブルが必要です。仮にできたとしてもコイル部はたいへん重く電気的性能も限られているため、十分な効果が得られないかも知れません。それでも給電線とエレメント間のインターフェースとしてこのチョークコイルを使用すると、アンテナは不平衡である同軸ケーブルを通して平衡アンテナとして使用することができます。

これは他のアンテナでも役立ちます。たとえば、ダイポールアンテナの給電にラダーラインやオープンワイヤなどの平衡フィーダーが使用されている場合、リグのコネクタ部分は不平衡ですからこのチョークコイルを介することで給電部の平衡側とアイソレーションを持たせることができます。この記事で説明する1:1バラン、チョーク、またはUNUNは、1.8〜54MHzで優れたアイソレーションを持つバランとして機能します。

インピーダンスマッチング

バランは、50Ωの同軸ケーブルによる給電から、給電点がダイポールアンテナのように中間にないようなオフセンター給電(OCF)アンテナに至るまでインピーダンスマッチングのデバイスとして使用されます。このOCFアンテナの給電点のインピーダンスは条件によって異なりますが、多くの場合、高インピーダンスで200Ωぐらいあります。そのアンテナを50Ωの同軸ケーブルで給電するには4:1のインピーダンス変換が必要です。インピーダンスマッチングを行うバランの中には、入出力に良好なアイソレーションを持つものと、そうでないものがあります。バランは幅広いインピーダンスのマッチングを取ることができます。例えば1:1、4:1、9:1のバランであれば、ほとんどのハムのニーズをカバーすると思います。1:1バランの次にこの記事で紹介する4:1のバランは、1.8〜54MHzのほとんどのアンテナの給電で使うことができます。

ハイブリッドバランは、同軸ケーブルに接続する1:1電流バラン/チョークバラン/ UNUNに接続された4:1電圧バランで構成されています。この組み合わせは、電圧バランがインピーダンスマッチングとして動作し、1:1バランがフィードラインとアンテナとの間にアイソレーションを持たせるように動作するためOCFアンテナに適しています。また、昔、テレビアンテナの給電に使ったリボンフィーダーのようなオープンワイヤやラダーラインなどの平衡給電ラインを同軸ケーブルに接続する場合にも役立ちます。アイソレーションは、RFをフィードラインから遠ざけることやフィードラインがアンテナのチューニングとパフォーマンスの影響を受けないようにすることが重要です。

この記事では1:1の電流バラン、4:1のバランおよびその組み合わせであるハイブリッドバランの作り方と使用方法について説明します。バランの説明については、「Understanding, Building and using Baluns and Ununs」、Jerry Sevick/W2FMI (SK)を参照してください。また、この本はUS CQ magazineから入手できます。

1:1バラン

1:1のバランは、同軸ケーブルがアンテナの一部としてそこから電波が放射されないようにするため外部導体(シールド線)とアンテナとの間にアイソレーションを持たせる役目をします。つまり、アンテナを真に平衡状態に保ち、シャック内にRFの回り込みが発生しないようにします。UNUNは、同軸ケーブルが建物に引き込まれる部分でよく使用され、同軸ケーブルのシールド線に誘導されたRFが建物内に入るのを防ぎます。このバランは、ダイポール、ビームアンテナなどの平衡型アンテナの給電と同軸ケーブルの不平衡給電を変換させます。以下に1:1バラン/チョーク/ UNUNの作り方を、順を追って説明します。

テフロン®(PTFE)同軸ケーブルは、そのサイズ、低損失、電力伝送能力および高電圧に対する絶縁性が優れています。トロイダルコアに巻き付けた同軸ケーブルは、放射ワイヤー(エレメント)と同軸ケーブルの間で大きなインダクタンスを持つようになります。それによってアンテナと同軸ケーブルのシールド間に電気的にアイソレーションを持つようになります。

写真E、写真Fの2つのバランから分かるように、アンテナエレメントをバランの両側の端子に取り付けて「センターインシュレーター」として、または2つのSO-239(M型メス)を取付けた方は、フィードラインの任意の場所に挿入してアイソレーションを持たせるようにできます。

ここで説明するバランは、トロイダルコアの巻き数に応じた最低周波数から上は50MHzまで動作します。表1(Table1)に作成に必要なパーツリストを示します。写真A〜Dは、その製作の手順に役立つと思います。

表1 1:1バランのパーツリスト(原文のまま掲載)

写真A 1:1チョークバランの製作。結束バンドを緩く取り付けます。
写真B 最初の2ターンの巻き方。
写真C 右側に6ターン、左側に1ターンを巻いた状態。
写真D 12ターンの1:1バラン完成。

1. 必要な巻き数は、使用したい最低周波数によって異なります。

2. 3.5MHzの場合は12ターン、1.8MHzの場合は16ターンにします。(写真Dは12ターンの場合を示しています)

3. 140-43のトロイダルコアの対角線上に2本の結束バンドを緩く取り付けます。(写真A)

4. 同軸ケーブルの端を下側の結束バンドに通します。(写真B)

5. 同軸ケーブルがトロイダルコアの中心を通過するたびに、それが一周しなくても1ターンとします。写真Bは2ターンを示しています。

6. 同軸ケーブルをトロイダルコアにさらに4ターンまたは8ターン巻き付けます。6ターン目または8ターン目は、トロイダルコアを斜めに横切り、その6ターン目または8ターン目で巻きを完了します。(写真C)

7. 同軸ケーブルの巻きはこれで完了です。(写真D)

8. 左側の最後の巻きは、トロイダルコアの下側から出ます。結束バンドを締めて同軸ケーブルを固定します。

9. ボックス内のSO-239(M型コネクタ)やアンテナ端子とするアイボルト、または次のハイブリッドバラン構成の4:1のバランに接続するために同軸ケーブルは十分な長さを確保しておく必要があります。

10. 1:1のバランをケースに入れる方法として通常、不平衡の同軸ケーブルからバランを通過して平衡型のダイポールのエレメントに接続するタイプの写真EとRFを同軸ケーブル等のフィードラインでブロックするためのインラインバラン写真Fがあります。

写真E 1:1 600Wアンテナバラン　　　写真F 1:1 600Wインラインバラン

4:1バラン

4:1のバランは、Variac®(Variable AC Power Supply)で使用されているような単巻変圧器と同じような構成で、図4の場合、電圧を2倍にステップアップします。電圧が2倍に上昇することは、インピーダンスは電圧の2乗で上昇することでインピーダンス変換は4:1になります。ほとんどの電圧バランは、インピーダンス変換を行い、アイソレーションまたはコモンモード除去には対応していません。以下で説明する4:1のバランは、オフセンター給電(OCF)アンテナで使用されているシングルコアのグアネラ(Guanella)バランです。シングルコアのグアネラバランは、電流バランとも呼ばれますが実際には電圧バランであり、単独で使用するとアイソレーションがそれほど取れないため、それが問題になることがあります。

その解決策として、コモンモード除去を備えた2個のコアのグアネラバランが有効です。それでもシングルコアGuanellaは、同軸ケーブルとアンテナエレメントとが十分にアイソレーションを確保している場合、アンテナの左右のエレメントに生ずる電圧を同じ電圧に保つことができるスグレモノのバランです。この4:1バランがGuanellaバランとフィードラインの間に配置されている場合、最低の設計周波数で動作するOCFには、電流バランが絶対に必要であることがわかりました。これは、シングルコアの持つ特性と1:1バランのアイソレーションを利用しています。これがOCFアンテナに最も効果的であることがわかりました。

OCFアンテナに加えて、一部のアンテナチューナーでは、平衡ライン、オープンワイヤ、あるいはラダーラインをチューナーに接続するためにこの4:1のバランが使用されています。一般的には、屋外にある同軸ケーブルが家の壁または窓から引き込まれリグに接続されるような場合、平衡ラインを不平衡の同軸ケーブルに接続するようなときに使われます。4個のコイルを直列に接続したバランを図4に示します。

図4 4:1バランの回路図

入力電圧V1は、2つのコイルで1/2に分割され、各コイルにV1/2が発生します。すべての4つのコイルは同じ巻数で同じコア上にあるため、各コイルの両端に発生する電圧は同じV1/2となります。したがって、出力電圧は各コイルの電圧の合計ですから2V1となります。また、インピーダンスは電圧の2乗であるため、出力インピーダンスは入力のインピーダンスの4倍になることが分かります。私たちがよく使用する50Ωの給電線に対して200Ωの出力となります。

4:1バランの製作

4:1のバランのアイソレーションには限度があるので1:1のバランあるいはチョークバランと一緒に使用する必要があります。表2にパーツリストを掲載しています。写真G〜Jは、その製作の手順を示しています。

写真G 4:1電圧バランの最初の2ターンの巻き方。
写真H 右側のコイルが完成。
写真I 左側のコアの最初の2ターンの巻き方。
写真J 完成した3.5MHz、4:1電圧バラン。

繰り返しますが、巻き数は使用する最低周波数によって異なります。 3.5MHz以上の場合は6ターン、1.8MHz以上の場合は8ターン巻きます。

1. トロイダルコアに2本の結束バンドを向かい合わせに緩く取り付けます。

2. 600W以上のパワーを入れるような場合、赤色、緑色のワイヤーをそれぞれ18インチ(約46cm)、また1500W以上の場合は、それぞれ24インチ(61cm)を準備します。

3. 2本のワイヤーを揃えて巻くため、ワイヤーにビニールテープあるいは収縮チューブで3～4インチ(7～10cm)ごとに固定していきます。

4. 写真のようにワイヤーの色を揃えて巻くようにします。右側の巻線は右側に緑色、左側の巻線は左側に緑色のワイヤーを配置します。

5. ワイヤーがトロイダルコアの中心部を通過するたびに1ターンとします。写真Gは2ターンを示しています。

6. 結束バンドでワイヤーを固定してコイルを巻くときにトロイダルコアの外側に数インチのワイヤーを残しておきます。

7. トロイダルコアにワイヤーが4ターンあるいは6ターンが通るスペースを確保し、トロイダルコアの下部から出ているワイヤーと結束バンドでワイヤーをトロイダルコアに固定します。(写真H)

8. トロイダルコアの残りの半分についてもこの手順を繰り返し、今度はトロイダルコアの下部から巻き始めます(写真I)。写真のように左側に緑色のワイヤーはそのままにします。トロイダルコアにワイヤーを6〜8ターン巻きつけた後、トロイダルコアの上部にワイヤーを固定します。(写真J)

ハイブリッドバランの配線と取付け

上記の1:1バランで指定されたハードウェアを使用し、写真Kと写真Lを参考にします。

写真K 同軸ケーブルの外被を剥がす　　　　　　　写真L 完成したバランの結線

1. カッターナイフを使って1:1の電流バラン/チョークの同軸ケーブルの両端を写真Kのように処理します。

2. 同軸ケーブルのシールド線部にはんだメッキを施し、ワイヤーストリッパーでケーブルの上部3/4インチ(約20mm)を剥ぎ取ります。

3. カッターナイフを使い芯線の絶縁体の端から約1/4インチ(約6mm)の絶縁体を引き抜きます。

4. 芯線とシールド線にはんだメッキを施します。

5. バランの入力(50Ω)端にある4本の短いワイヤーから被覆を約3/8インチ(約10mm)を剥がします。

6. 写真Lにある4:1のバランで、赤色の2本のワイヤーと1:1のバランの芯線と一緒にはんだ付けします。また2本の緑色のワイヤーと1:1のバランのシールド線も同様に一緒にはんだ付けします。

7. バランの出力側の赤色と緑色のワイヤーは、長さが1インチ(25mm)ぐらいにカットし、それらの被覆を剥がしてはんだ付けします。他の赤色と緑色のワイヤーは、バランケースの出力端子に接続されるのでそのままにしておきます。

8. 同軸ケーブルの入力と2つの出力コネクタを取り付ける位置を決定した後、図5のように配線し、トロイダルコアは写真Lのように配置します。

図5 ハイブリッドバランの配線図

表2 4:1バランのパーツリスト(原文のまま)

ケーシング

写真MとNに示したように、できあがったバランをケーシングする方法はいろいろあります。ケーシングするケースによっては、底にはボスが出ているものがあります。工具を使用してボスを取り除き、両面フォーム付の両面テープを使用してトロイダルコアを取り付けるためのスペースを増やします。

写真M バランを90°ずらして取付　　　写真N 1.5kWハイブリッドバラン

バランはトロイダルコアを使ってさまざまな方法で製作することができます。製作は、写真Mのようにトロイダルコアを90°回転させるか、少なくとも1インチ(25mm)程度離して、トロイダルコア間の結合を最小限に抑えることが重要です。密に結合されたコイルは、アンテナの性能に影響を与える可能性があります。

写真M、Nのようにリング端子を通してアンテナワイヤーを接続することができます。写真Mの右側に示すようにニッパーでターミナル端子を切断するとアンテナワイヤーの取り付けが簡単になります。

この記事がバランの重要性と機能を理解するのに役立ち、またバランを用いることでアンテナシステムを最大限に活かされることを願っています。

<資料>
1. GM3SEK <https://tinyurl.com/y6jpaclr>
2. The Ugly Balun, <https://www.hamuniverse.com/balun.html>
3. Sevick, W2FMI (SK), Understanding, Building & Using Baluns &Ununs, <https://tinyurl.com/ubw5e9p>
4. G3TXQ Common Mode Analysis <https://tinyurl.com/y642d8sr>
5. Multiband Off-Center Fed Dipoles for 160 & 80 Meters, Bob Rose, KC1DSQ, and Bob Glorioso, W1IS, CQ Amateur Radio, June 2020, p.42

<掲載の許可>
本記事は、米国CQ Amateur Radio magazineより同誌2021年1月号の上記記事の翻訳、掲載の承諾を得ています。レイアウトは、FB NEWSの誌面構成に沿って変更しています。

Reprinted with permission from the January 2021 issue of CQ Amateur Radio magazine. www.cq-amateur-radio.com.

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