From Steve's Workbench ／リモートアンテナチューナーその1 どんな場合にリモートアンテナチューナーを使用するのか?｜2021年12月号

From Steve's Workbench

リモートアンテナチューナーその1
どんな場合にリモートアンテナチューナーを使用するのか?

JS6TMW Steve Fabricant (翻訳 JI1GYO 王新華)

真夏に着手したこのプロジェクトは、秋が深まってくる中で、ほぼ完成しました。今回、この記事では、アンテナの整合に関する理論と、リモートATUを使用することの利点についてご説明します。その2(次号)では、私がリモートATUを作る際に決めた設計上の決定事項と、構造の詳細についてご説明します。このプロジェクトに興味を持ち、本稿をお読みいただければ幸いです。

HF帯で運用している方は、ご使用のトランシーバーにアンテナチューナーが内蔵されていたり、あるいは外付けのユニットをお持ちかもしれません。これらは正確には「アンテナマッチングユニット」と呼ばれています。なぜこのような説明をするのかというと、名前に関係なく人気があるからです。

下の写真の左側には、安価なミニATUがヴィンテージのマニュアルチューナーの上に置かれています。右側には、e-BayからUS$15で購入し、かなり改造したポータブルチューナーと、MFJ-993BのATUがあります。これらはすべて異なって見えますが、アンテナのインピーダンスを送信機のインピーダンスに合わせる機能は同じなのです。なぜATUが使われているのか、インピーダンスマッチングの説明をしていきます。

シャックに設置されたアンテナマッチングユニット

交流回路

全ての電気回路は抵抗(R)、インダクタンス(L)と静電容量(C)は、交流電圧を印可した際に電流の流れに抵抗(インピーダンス)しています。抵抗は直流回路と同じように動作しますが、インダクタとコンデンサにはリアクタンスという特性があります。また抵抗は直流の場合と同様に電力を消費しますが、リアクタンスは電圧に対して交流電流の位相をずらすだけで、電力を消費しないのです。

ATUとアンテナについては近いうちに紹介しますが、ここでは机上で作れるような回路を見てみます(図1)。抵抗は交流電源の周波数に依存しませんが、リアクタンスは周波数に依存します。誘導性リアクタンスは周波数に応じて増加し、容量性リアクタンスは周波数に応じて減少します。また、位相のずれも、誘導性と容量性では逆方向にずれるため、周波数に応じて変化します。グラフでは、横軸にR、縦軸にX_LとX_Cをとっています。この2つが等しくない限り、縦軸には正味のリアクタンスが存在することになり、抵抗とリアクタンスは直角三角形を形成し、インピーダンスZは斜辺の長さであり、横軸との角度が回路の位相のずれとなります。純リアクタンスがゼロの場合、位相のずれはないが、抵抗がゼロの場合、純粋なインダクタンスでは+90度、純粋なキャパシタンスでは-90度の位相のずれが生じることがわかります。

図1 RLC直列回路の特性

リアクタンスは「+jX」または「-jX」という“虚数”で表すので、インピーダンスの式は「Z=R+jX」と書かれることが多いです（「j」は中学で習った不思議なi=√-1と同じです）。X_LとX_Cが等しければ、それらは相殺され、位相のずれはゼロになります。これは共振周波数で発生し、誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスは共役と呼ばれます。

すべての無線通信は、交流エネルギーを伝送線路を通して回路に送り、その回路がエネルギーの一部を自由空間に放射するという特殊な性質を持っていることに基づいています(これをアンテナと呼びます)。優れたアンテナでは、抵抗部分のほとんどが自由空間での放射抵抗となり、アンテナの種類によって異なります。多くの人は、半波長のダイポールの放射抵抗が、その共振周波数で約70Ωであることを知っています。他の周波数や共振周波数でもアンテナは多少のリアクタンスを持ちます。

しかし、アンテナの種類や周波数に関わらず、アンテナを調整するには、アンテナ自体を調整するしかありません。多くの皆さんは特定の周波数でVSWR(定在波比)を低くするために、ダイポールを長くしたり、短くしたりしたことがあるでしょう。シャックの中のブラックボックス(=ATU)は、アンテナ自体を「調整」するものではありません。

では、実際にはATUは何をしているのでしょうか? その答えは、アンテナシステムのインピーダンスを送信機から最大の電力を得るために必要なインピーダンスに変換するインピーダンス整合器です。図2aでは、左側の端子に50Ωの送信機が接続されており、反対側の端子にはアンテナからのフィードラインが接続されています。ネットワークは、1つまたは複数のリアクティブなコンポーネントで構成することができます(図2b)。図2cは、可能なマッチングネットワークの「トポロジー」を示しています。下部に示した単純なトランスの原理は非常によく知られているが、ほとんどのATUはインピーダンスマッチングのために「L」、「T」、または「π」ネットワークに依存しています。どのトポロジーも広範囲のインピーダンスをマッチングすることができ、その選択は特定のマッチングニーズと利用可能なコンポーネントに依存します。完全に自動化されたマッチングユニットは、図2bの下線付きの2つの「L」トポロジーのみを使用します。L字型ネットワークについては、後編で詳しく説明します。

図2 (上:2a、左下: 2b、右下: 2c) アンテナインピーダンスマッチングネットワーク

さて、現実の無線局の状況に戻ってみましょう、おそらく4つの重要な構成品を設置していることでしょう。

1. トランシーバー

無線機に50Ωの負荷をつけると「終段アンプに対して最良の状態」と言われることがありますが、実際には、ダメージを与えないように、最近のトランシーバーの多くは保護回路を備えています(IC-7300ありがとう!)。負荷インピーダンスをソースインピーダンスに一致させる理由は、一般的にインピーダンスが等しいときに最大の電力が伝達されるからです。これは電子工学の基本的な事実であり、“直流から可視光”まで適用されます。

これを説明するために、図3の単純な直流回路を見てみましょう。電源V_Sは、R_Sの内部抵抗を持っています。これは、普通の単四電池や、(非レギュレーションの)直流電源などです。電圧V_Sは20V、内部抵抗は100Ωとします。負荷抵抗R_Lを取り付けて、回路を分圧器にします。R_Lはどのような抵抗でも構いませんが、この抵抗ができるだけ高温になるようにしたいので、いくつかの抵抗を試してみます。負荷抵抗で消費される電力を計算すると(W=E²/RまたはW=I²R)、ソース抵抗と同じ値の抵抗(100Ω)が、他の値よりも多くの電力を消費することがわかります(図4)。簡単な計算で、ソースとロードの抵抗値が等しいときには、常に最大のパワーが伝達されることが証明できます。ミスマッチが大きければ大きいほど、負荷に伝わる電力は少なくなります。

図3 電源が内部抵抗を持つ単純な分圧器

図4 抵抗に伝達される直流電力

送信機のような交流電源の場合、原則直流と同じですが、異なるのは複素インピーダンスZ_L=R_L+jX_Lを持つソースから負荷に最大のパワーを伝達するためには、ソースが等しくも反対のリアクタンスZ_S=R_L-jX_Lを持たなければならないことです。最近のトランシーバーは、フルパワー時に終段アンプのソースインピーダンスが約50Ωになるように設計されています。これよりはるかに高い、または低いインピーダンスが接続された場合、出力はフルパワーよりも小さくなり、これは出力パワーメーターで確認することができます。

2. アンテナシステム

アンテナシステムは、任意の周波数において一定のインピーダンス(Z)を持っています。それは、高かったり低かったり、反応する部分があったりなかったりします。アンテナの入力インピーダンスを知る最良の方法は、それを直接測定することです。アンテナアナライザの中にはこれが可能なものがあり、たとえばNanoVNAネットワークアナライザはその機能と低価格で非常に人気があります。アンテナを給電点で測定するのは通常不便ですが、ある周波数でちょうど1つ以上の電気的半波長である給電線では、その周波数でほぼ同じインピーダンスを表示します。

アンテナがまだ机上や想像の中にしかない場合は、設計ソフトを使って設計することができます。これらのプログラム(EZ-NECやMMANA-GALなどが有名)では、アンテナを描いたり、既存のデザインを変更したりすることができ、放射パターン、帯域幅、電流分布、特に入力インピーダンスなど、さまざまな結果を計算することができます。また使用するバンドに限らず、あらゆる周波数で計算することができます。

3. 給電線

送信機からの電力をアンテナに送るのが給電線ですが、この給電線自体には、周波数によって変化しない特性インピーダンスがあります。現在、アマチュア無線で使用している給電線としては、特性インピーダンスが50Ωの同軸ケーブルが主流です。この給電線は一定の条件の下で、アンテナのインピーダンスを送信機側に反映します。主に、インピーダンスが抵抗のみで、給電線の特性インピーダンスと同じであることです。そして、アンテナは給電線にマッチします。定在波比(VSWR)とは、線路に沿った最も高い電圧または電流と最も低い電圧または電流の比のことです。VSWRは、アンテナのインピーダンスが変化するため、周波数によって変化します。ここでは、設計ソフトMMANA-GALを使用して、7MHz帯のポピュラーな逆Vダイポールでこれを実証しました。下の表を見ると、7MHz帯と21MHz帯では計算上のインピーダンスとVSWRは予想通り低く、他のバンドでは非常に高い値を示しています。

図5 7MHz帯逆VダイポールでHF各バンドのインピーダンスの計算値

すべての給電線は、アンテナに到達するまでにいくらかのRF損失があります。一般的に、細い同軸ケーブルは太い同軸ケーブルよりも損失が大きく、周波数が高くなるほど、またVSWRが大きくなるほど損失が大きくなります。損失の少ないハシゴフィーダや、Heliaxのような高価なケーブルもあります。損失は、導体の抵抗、誘電体の損失、そして「反射」損失(インピーダンスの不整合のためにアンテナに伝達されない電力)によるものです。私は、TLDetailsという給電線用の非常に便利な計算ページをPCにブックマークしています。これは、ほとんどの種類の給電線について、あらゆる周波数と長さの損失とインピーダンス変換をすばやく計算します。ぜひ、TLDetailsを使ってみてください。あなたも必要だと思うことでしょう。

4. ATU

トランシーバーの中には、オートアンテナチューナー(ATU)を内蔵しているものがあり、50Ω以外の負荷を接続しても出力が低下しないものがあります。これらの内蔵チューナーは、通常、最大でも3:1より小さなVSWRを補正することしかできません。外部チューナーは、内蔵ATUがない場合や、G5RVのような「妥協した」アンテナや、スペースに制限のある多くのハムが使用するエンドフェッドワイヤなど、より広い範囲のインピーダンスをマッチさせる必要がある場合に使用します。ATUと送信機の間の給電線のVSWRは、非常に低くなるように簡単に調整できます。大電力に対応し、かつ全自動のATUでも、最近ではかなり安価になり、アンテナ切り替えスイッチまで内蔵しているものもあります。これらは外部チューナーがHF帯のシャックで最も人気のあるアクセサリーである理由です。

図2に戻ると、自動アンテナチューナーの多くは、L型ネットワークのトポロジーを用いて広い周波数範囲のインピーダンスを整合させ、最大10種類の異なるサイズのLとCを並列に切り替えて、ほぼすべての必要な合計値を作ることができる。インピーダンスに合わせた設定を素早く行うために、論理回路やアルゴリズムを採用しているほか、周波数測定機能やメモリー機能を備えているものもあります。一方、マニュアルチューナーの多くは、大容量の可変コンデンサやインダクタを用いた「T型」や「π型」のトポロジーを採用しています。これらは周波数とインピーダンスの範囲が広く、大電力を扱うことができます。もしパソコンを使う時間があれば、「T-network Tuner Simulator」をダウンロードして、自分のATUを設計してみてください。私は「eBay」の安価なQRPチューナーを改造する際に使用しました。また、パソコン上での自動チューナーの動作を見てみたいという方は、“L-Tuner Simulator 1.2”をダウンロードしてみてください。

図6 アンテナマッチングシミュレーター
(上: 手動T-ネットワーク　下: 自動L-ネットワークATU）

比較的安価なデバイスで、アンテナの機能を向上させることができますか? 答えは「はい」です、しかし必ずしもそうではありません。ネットワークでのわずかな電力損失を除けば、主な欠点は、送信機とチューナー間のVSWRが低くても、ATUとアンテナ間のVSWRが高くなってしまうことです。これは必ずしも重要なことではなく、シャック内でのVSWRが高いことによる問題は、たいていの場合直すことができます。とはいえ長い給電線と高いVSWRは、特に高いバンドで高い損失を引き起こす可能性があります。TLDetailsは、私たちのアンテナシステムで何が起こりうるかを理解するのに役立ちます。上の例の逆Vアンテナと、比較的短い(20m)RG-58/Uケーブルを使って、計算された電力損失を図7に示します。

図7 20mのRG-58/Uケーブルにおける7MHzの逆VダイポールでのRF電力損失

全てのバンドで低損失を期待できませんが、中には本当にひどい損失もあります! 逆Vダイポールは、時に唯一のHF帯アンテナであり、ほとんどのバンドで良好な放射器となります。例えば、3.5MHz帯では、非常に有用な放射パターンを持っていますが、フィードラインの損失は、Sメーター4つ分以上に相当します。28MHzでは、11.6dBの損失があるため、フィードラインへの100Wの電力が、アンテナでは7Wにしかなりません。

5. リモートチューナーによる解決策

インピーダンスマッチングユニットを運用デスクからアンテナの近くに移動すれば、送信機までの長い伝送路でもVSWRを非常に低くすることができ、フィードラインの損失もほとんどなくなります。図8にレイアウトの比較を示します。

図8 シャックとアンテナに設置されたアンテナマッチングユニット

リモートマッチングユニットは、オートチューナーの技術が完成してから実用化されたものですが、堅牢性や耐候性が求められるため、デスクトップ型に比べてかなり高価なものとなっています。100～300W程度のものはUS$300前後、ハイパワーに対応したものはUS$900～1400程度です。私は、中程度の出力で、1つのアンテナを2つのバンドに合わせられるものが欲しかったのです。ジャンクボックスにビンテージパーツがたくさんあったので、精巧なデジタル制御はせずに、リモートチューナーを自作ることにしました。下の写真のタワーに取り付けられている白い箱がそのリモートアンテナチューナーです。

次号ではこのリモートアンテナチューナーの設計と構造についてご説明します。では、73また来月!

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