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From Steve's Workbench

18/24MHzロータリーダイポールとエンドフェッドマルチバンドアンテナ

JS6TMW Steve Fabricant (翻訳 JI1GYO 王新華)

ハムの世界では、「無線機はいくつあっても足りない」とよく言われますが、私の場合は、特にアンテナが大好きです。8m×12mの屋根には9本のアンテナを展開中で、さらに4本の移動用を所持しています。今回は最近作った2本のHFアンテナを紹介します。また次号では低コストで効果的なVHF/UHFアンテナを紹介する予定です。

18/24MHz用ロータリーダイポール

6バンドヘックスビームアンテナから14、21、28MHz用八木アンテナに交換した後、18、24MHz帯をカバーするために2線式ダイポールを設置しました。それなりに動作しましたが、屋根からあまり高くなかったので、八木アンテナの上に設置できるロータリーダイポールに交換することにしました。八木アンテナにするには大きすぎる場合、ロータリーダイポールを使用することがあります。八木アンテナより利得が小さく、通常のダイポールと同じ“8の字”放射パターンですが、メインローブを正しい方向になるように回転させることができます。私の場合はロータリーダイポールにしたのは、より高い打ち上げ角を得るための手段でもありました。

マルチバンドダイポールの作り方として、共振トラップが一般的です。トラップワイヤーダイポールの作り方はいくらでも情報がありますが、私は18/24MHzのロータリーダイポールの記事を読んで、すぐに製作に取り掛かったのです。興奮のあまり、夜中の2時まで作業してしまいました。さらに翌朝、コーヒーを飲んでから再び作業に取り掛かりました。

まずはその製作を説明する前に、トラップについて説明しましょう。

トラップアンテナは、並列LC共振回路を用いて、特定の周波数で高いインピーダンスになることで、エレメントの一部を電気的に分離するものです。図1に2バンドトラップダイポールを示します。ダイポールの内側部分は、トラップが共振する周波数付近で半波長となるので、その帯域では70Ω程度の給電インピーダンスとなります。トラップの共振周波数より低い周波数帯では、トラップがコイルとして働き、アンテナの全長が半波長となるため、ここでも低いインピーダンスとなります。


図1. 2バンドトラップダイポール

トラップやエレメントを増やすことで、周波数やバンド数に理論的な限界はありません。トラップが同調すれば自動的にバンドが切り替わるだけでなく、最低周波数帯ではトラップのインダクタンス分により、フルサイズの半波長ダイポールより全長が短くなります。

業務用アンテナのトラップは、設計のために多くの技術者を要しますが、私達アマチュアは自作することもできます。電線と高電圧コンデンサを使えば簡単なトラップができます。トラップの共振周波数は、対象の周波数より少し上で、LとCの値は150~250Ω程度のリアクタンスが必要です。また図2のようにパイプに同軸ケーブルを巻いて共振トラップを作る方法もあります。同軸ケーブル自体のインダクタンスとキャパシタンスによって共振回路を形成します。寸法はオンラインで計算できますが、このタイプのトラップは希望の周波数に調整するのがより困難です。


図2. 同軸ケーブルで作ったトラップ

私はこのようなアンテナを作ったことがなかったので、Phil Salas, AD5Xの「Build a 12/17 Meter Trap Dipole」というオンライン記事を参考にしました。24.5MHzのトラップに必要なインダクタンスとキャパシタンスは、約1.1μH、40pFでした。コイルには、直径1インチ(25.4mm)のグラスファイバーパイプに2mmのアルミの裸線を使いましたが、コイルの材質はPVCでも問題ありません。また、ダイポールの給電部の絶縁部にも同じパイプを使いました。

AD5Xは、高圧コンデンサを購入せずに、40mmの塩ビパイプを誘電体として使用し自作していました。塩ビパイプの内側にぴったりと納まるステンレス製のパイプを用意し、外側にはアルミ製の粘着テープを使用しました。L/Cメーターを使って、内側のステンレスパイプをスライドさせながら、各コンデンサを35pFに調整しました。圧着端子は、ステンレスパイプにセルフタッピングしネジ式の金具でコンデンサに固定しました。図3は、組み立てたトラップを絶縁処理する前の状態です。(今回は、nanoVNAを用いて、24.5MHzで共振するようにコイルのターン間隔を調整しましたが、このようなオープントラップでは、アンテナアナライザーやグリッドディップメーターをコイルに結合することができます。正確な共振周波数は、両方のトラップを同一に製作することよりも重要ではありません。


図3. 絶縁処理する前のトラップ

トラップコイルの内側のエレメントは長さ240cmで外径19mmのアルミパイプを使用し、トラップには外径16mmのパイプの端を金ノコで切り込みを入れて、ホースクランプで締めて接続しています(図4)。


図4. パイプは先端に切り込みを入れてホースクランプで接続

トラップコイルの外側の50cmのエレメントも同様にトラップに接続し、内側、外側のエレメントはともに長さを調整することが可能です。トラップとエレメントはセルフタッピングビスで接続しましたが、ビスのサイズと締め付け具合が適切であれば、確実に接触します。DIYショップのパイプには、とても丈夫な表面処理が施されていました。これは長年にわたってパイプの外観を保つことができますが、絶縁体であり除去することは簡単ではありません。幸いなことに今回のパイプの内側にはコーティングが施されていませんでした。もし、コーティングされていないパイプを見つけたら、ぜひ使ってみてください。


図5. テストのためにアンテナを仮設

アンテナをできるだけ高く、金属製のものから離して仮固定し、数mの同軸ケーブルをアンテナアナライザーに接続し調整を行いました。給電部にチョークバランを使用すると、安定した測定値が得られます。まず、24.950MHzでVSWRのディップが出るように、内側のエレメントを均等に調整しました。この共振帯域はかなりブロードです。次に、18.100MHzでVSWRのディップが出るように外側のエレメントを調整しました。これはアンテナを上げると多少変化し、またお互いに影響し合っています。最終的には、23mのRG-213の同軸ケーブルを引き込んだシャック内でVSWRを確認しました(図6)。


図6. 23mの同軸ケーブル端でのVSWR

今はまだ八木アンテナを設置しているマストにロータリーダイポールを載せていないのですが、設置すると仮設時より8mほど高くなります。これまでの素晴らしいシグナルレポートから、新しいダイポールの放射パターンは、先に使用していた2線式ダイポールより優れています。私の経験では、18MHzと24MHzを1本のアンテナで実現するのは難しいですが、このマルチバンドのトラップアンテナなら、パラスティックエレメントがダイポールと似ているので多エレメントの八木アンテナでも取り組めそうです。

任意長のエンドフェッドマルチバンドアンテナ

もう一つの最近のプロジェクトは、SOTA用アンテナを追加することです。2021年10月号で紹介したポータブルマグループアンテナには大きな期待を寄せていました。特に効率の良いバンドでは、最初の実験でうまくいきました。SOTAで使用するには設置面積が小さく(支柱は1本)、かつ軽量であることが利点ですが、風の強い山頂では吹き飛ばされないようにすることと、正確にチューニングすることが困難でした。

では4バンドで良好な性能を発揮し、快適な運用をすることができる「チェアテナ」(バーチカルアンテナ)に頼ってみてはどうでしょう? あるいはDXペディションでホテルのバルコニーからよく機能したトライバンドワイヤーダイポールは? 実はチェアテナパックはかさばるし少し重いです。風が強いと2人で設営しないといけません。ダイポールは軽くて小さいのですが、高い場所に設置する必要があり、どちらも私の新しいμSDR QRPリグで使用できるバンドの全てをカバーしていません(図7)。


図7. 私の新しいリグμSDRとマッチングユニットAT-100

私は、エンドフェッド型アンテナはあまり好きではありませんでしたが、多くのハムは、特に共振型エンドフェッド半波長(EFHW)アンテナが好きです。EFHWは、高調波のバンドで動作し、簡単に設置でき、安価で良い結果が得られるので、今では主流となっています。その原理は、半波長アンテナをどの位置でも給電できることです。端に給電すれば、50オームまでインピーダンスを下げるだけで、簡単に設置することができます。カウンターポイズも必要ですが正しく調整すれば追加のマッチングデバイスは必要ありません。

共振しているアンテナは特別なものではありませんが、非共振と非効率を同列に扱う間違ったアマチュアがいます。共振していようがいまいが、RF電流が流れればどんな導体でも放射します。もちろん、アンテナの形状や寸法、地上からの高さなどがアンテナの性能を決定します。しかし、単純なワイヤーアンテナを比較するだけなら、設置やマッチングのしやすさ、コモンモード電流、コストなど、現実的な要因でどちらが「ベスト」かが決まってしまうかもしれません。EFHWには、特にきちんと調整してそのまま設置できる固定設置の場合、実に有利な点がありますが、私見では任意長のエンドフェッドにはそれ以上のものがあると思います。

任意長のエンドフェッドワイヤーは、一見するとEFHWと似ていますが、技術的にはかなり異なります。共振していないワイヤーアンテナの給電インピーダンスは、およそ200~1200Ωの間になります。9:1ステップダウン“unun”(アンバランス-アンバランス・トランス)はこの範囲を22-130Ωまで下げ、内部または外部アンテナチューナーで簡単にリグに合わせることができます。

というのも、対象となる帯域で適切な範囲のインピーダンスを持つ電線を使用しなければならないからです。アメリカのPalomar Engineering社のビデオには、多くの例を含む優れた説明があり、同社が販売するアンテナに関する確かな情報を提供しています。彼らは9:1のununも販売していますが、それらは非常に簡単に作ることができます(図8)。HF帯の場合、使用するフェライトコアは、パワーレベルに応じた大きさの-2や-6が一般的で、構造は重要ではありません。


図8. 9:1 ununの回路

初めて自作をする人にとっては、この2つのアンテナの違いも妙な心理になるものです。EFHWを作るには、49:1のununを用意し、特定の長さのワイヤー(通常3.5や7MHzの半波長)を接続します。特定の長さのカウンターポイズも必要です。これに対して任意長ワイヤーエンドフェッドアンテナは、どのバンドでも半波長にならない長さが必要です。初心者の方は、図9のような図表を見ながら、どのように最適な長さを選べばよいのか悩んでしまいます。共振する“禁制”の長さを避けるのは簡単ですが、残りの長さはすべて同じように機能するのでしょうか?


図9. “禁制”のアンテナ長を黒帯で示しています(長さはcm単位)

私の経験ではそうではないので試行錯誤が必要かもしれませんが、少なくとも運用したい最低帯域の1/4波長以上のワイヤーから始めるとよいでしょう。カウンターポイズや同軸ケーブルの長さも問題です。非常に具体的な長さから「関係ない」まで様々なアドバイスがありますが、ワイヤーの展開の仕方は長さに比べて比較的影響が小さいようです。私は最初に最も短い推奨長(8.8mと10.7m)を試しましたが、いくつかのバンドでうまくマッチングがとれませんでした。そこで、次の推奨長(12.5m)にすると、すべてのバンドでチューナーを使ったマッチングをとることができました。

電線の主要部分が高ければ、ほとんどどんな構成でも大丈夫です。図10は、私が現地でこのアンテナをどのように使用したかを示しています。9:1 ununの給電点はかなり低く、3mの同軸ケーブルを地上に敷設してトランシーバーとATUに接続しています。また、テントの杭に短いアース線をつけて、エレメント線を固定しています。逆V字型の構成は、中間部に長い釣り竿を使い、短い竿に傾斜させています。オートチューナー出力にチョークバランを使用すると、一部のバンドでのチューニングを助けます。


図10. 逆V字型として屋外で設置

任意長ワイヤーエンドフェッドは、決して新しいアンテナ設計でもなければ、革新的なアンテナ設計でもないことを強調しておきます。それどころか、移動でも固定でも、最も古く、最も実績のあるアマチュア用アンテナの1つです。オートチューナーを使えば、瞬時にバンドを切り替えられますが、チェアテナよりも持ち運びやセッティングの負担がずっと軽くなります。私の折りたたみ式マグループほど巧妙ではありませんが、チューニングに超敏感なわけでもありません。今のところ、運用した結果は上々です。この任意長ワイヤーエンドフェッドアンテナは、私のお気に入りのSOTA用アンテナになるかもしれません。

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