謹賀新年 | BCLアンテナ比較 [アンテナ]
約3ヵ月ぶりの更新です。
活動の主軸がツイッターのほうに移ってしまい、さらにとある事情もあって、ついつい更新をサボッているうちに年を越してしまいました。
いちおうまだブログは続けるつもりでおります。
本年もどうぞよろしくお願いいたします。
さて本題。ツイッターのほうで先行して投稿しましたが、私が自宅で使っているBCL用受信アンテナの実力比較結果(劣悪環境時)についてご紹介します。
自宅は中波の送信所が近い強電界地域で、しかも今の季節は階下や近隣のエアコンによるローカルノイズが激しく、中短波受信を楽しむにはなかなか厳しい環境になっています。
いま稼働しているアンテナは4本ほどありますが、そのうち実用になっているのは自作ループMLA(北神電子サービス BCL-LOOP10)とホイップアンテナ(ApexRadio 303WA-2)の2本です。前者は磁界検出型アクティブ、後者は電界検出型パッシブで、それぞれタイプが異なり、受信バンドによって得意・不得意、一長一短があります。
BCL-LOOP10
(市販Vダイポールの先端をアルミパイプでつないだ三角形ループアンテナ)
303WA-2 (画面中央のホイップアンテナ)
これら2つのアンテナをKiwiSDRのウォーターフォール画面で比較してみます。
まずは常用している自作MLA(BCL-LOOP10)のほうです。
階下のエアコンが動いている状態では、8MHz以下のノイズフロアが高くなります。特に、2MHz付近がかなり持ち上がっているのがわかります。この状態では、中波DXの入門局であるDWNX(1611kHz)は受信できません。中波の低いほうは大丈夫で、693kHzのBangladesh Betarや850kHzのKICYは受信できます。
つづいて、303WA-2のほうです。
303WA-2は普段は非常に静粛なアンテナなのですが、階下のエアコンが動いている状態ではかなり広範囲にノイズフロアが上昇します。このことから、エアコンが出しているノイズは主に電界成分が多い、ということがわかります。特に5.5～8MHz付近の上昇が激しく、この周波数帯は実用になりません。また、中波帯の感度が低いのはこのアンテナのもともとの特性のようです。
次に、特定の周波数での受信状態を比較してみます。
2つの周波数での受信の様子を動画でキャプチャしました。
受信機：Airspy HF+
SDRソフト：SDR-Console ver.3.0.3
2018年12月30日21:44- 7500kHz KTWR
BCL-LOOP10 ⇒ 303WA-2 ⇒ BCL-LOOP10
の順にアンテナを切り替えています。
アンテナを303WA-2に切り替えたとたんに、ノイズフロアが20dB以上ブワッと上がって音楽が聞こえなくなっています。
2018年12月31日17:34- 9765kHz RNZI
BCL-LOOP10 ⇒ 303WA-2 ⇒ BCL-LOOP10 ⇒ 303WA-2 ⇒ BCL-LOOP10
の順に15秒おきにアンテナを切り替えています。
こちらの9MHz帯ではほぼ互角の結果でした。聴感上では差がありませんが、WF画面で見ると、303WA-2の時にわずかにノイズフロアが上がり、周期性のノイズも重畳しているのがわかります。
このように、ローカルノイズが重畳した劣悪環境下では、磁界検出型のスモールループアンテナが有利であることがわかります。
いちおう念のために断っておきますが、今回は劣悪環境下での比較結果です。エアコンが稼働していない季節には、逆にパッシブ型である303WA-2のほうがノイズフロアが低くなる場合が多いです。私のところで5MHz帯のAIR地方局や4930kHzのVOAボツワナなどを聞く時には、303WA-2のほうが良好に受信できます。
以上、年末に行ったBCLアンテナ比較結果でした。
活動の主軸がツイッターのほうに移ってしまい、さらにとある事情もあって、ついつい更新をサボッているうちに年を越してしまいました。
いちおうまだブログは続けるつもりでおります。
本年もどうぞよろしくお願いいたします。
さて本題。ツイッターのほうで先行して投稿しましたが、私が自宅で使っているBCL用受信アンテナの実力比較結果(劣悪環境時)についてご紹介します。
自宅は中波の送信所が近い強電界地域で、しかも今の季節は階下や近隣のエアコンによるローカルノイズが激しく、中短波受信を楽しむにはなかなか厳しい環境になっています。
いま稼働しているアンテナは4本ほどありますが、そのうち実用になっているのは自作ループMLA(北神電子サービス BCL-LOOP10)とホイップアンテナ(ApexRadio 303WA-2)の2本です。前者は磁界検出型アクティブ、後者は電界検出型パッシブで、それぞれタイプが異なり、受信バンドによって得意・不得意、一長一短があります。
BCL-LOOP10
(市販Vダイポールの先端をアルミパイプでつないだ三角形ループアンテナ)
303WA-2 (画面中央のホイップアンテナ)
これら2つのアンテナをKiwiSDRのウォーターフォール画面で比較してみます。
まずは常用している自作MLA(BCL-LOOP10)のほうです。
階下のエアコンが動いている状態では、8MHz以下のノイズフロアが高くなります。特に、2MHz付近がかなり持ち上がっているのがわかります。この状態では、中波DXの入門局であるDWNX(1611kHz)は受信できません。中波の低いほうは大丈夫で、693kHzのBangladesh Betarや850kHzのKICYは受信できます。
つづいて、303WA-2のほうです。
303WA-2は普段は非常に静粛なアンテナなのですが、階下のエアコンが動いている状態ではかなり広範囲にノイズフロアが上昇します。このことから、エアコンが出しているノイズは主に電界成分が多い、ということがわかります。特に5.5～8MHz付近の上昇が激しく、この周波数帯は実用になりません。また、中波帯の感度が低いのはこのアンテナのもともとの特性のようです。
次に、特定の周波数での受信状態を比較してみます。
2つの周波数での受信の様子を動画でキャプチャしました。
受信機：Airspy HF+
SDRソフト：SDR-Console ver.3.0.3
2018年12月30日21:44- 7500kHz KTWR
BCL-LOOP10 ⇒ 303WA-2 ⇒ BCL-LOOP10
の順にアンテナを切り替えています。
アンテナを303WA-2に切り替えたとたんに、ノイズフロアが20dB以上ブワッと上がって音楽が聞こえなくなっています。
2018年12月31日17:34- 9765kHz RNZI
BCL-LOOP10 ⇒ 303WA-2 ⇒ BCL-LOOP10 ⇒ 303WA-2 ⇒ BCL-LOOP10
の順に15秒おきにアンテナを切り替えています。
こちらの9MHz帯ではほぼ互角の結果でした。聴感上では差がありませんが、WF画面で見ると、303WA-2の時にわずかにノイズフロアが上がり、周期性のノイズも重畳しているのがわかります。
このように、ローカルノイズが重畳した劣悪環境下では、磁界検出型のスモールループアンテナが有利であることがわかります。
いちおう念のために断っておきますが、今回は劣悪環境下での比較結果です。エアコンが稼働していない季節には、逆にパッシブ型である303WA-2のほうがノイズフロアが低くなる場合が多いです。私のところで5MHz帯のAIR地方局や4930kHzのVOAボツワナなどを聞く時には、303WA-2のほうが良好に受信できます。
以上、年末に行ったBCLアンテナ比較結果でした。
ΔLOOPXアンテナ 復活 [アンテナ]
現在、中短波用アンテナとしてメインで使っているのは、BCL-LOOP13rev2.0(+フラフープループ)とBCL-LOOP10(+三角ループ)です。どちらも非同調の広帯域ループアンテナで、分配してKiwiSDRサーバにもつないでいます。
これ以前には、同調モードがある「ΔLOOPX」を使っていたのですが、自分の製作スキルの問題からいまひとつ動作不調で、原因究明のためいったんおろしていました。しかし、同調させた時の信号がググッと持ち上がる感触がなんとも良かったことを思い出し、今回ようやく重い腰を上げてメンテナンスと再調整を施しました。
「ΔLOOPX」は、大阪在住の影山OMによって考案・製作されているΔLOOPアンテナシリーズの最新作です。(といっても、もう3年以上経ってるけど)
同調モードのΔLOOP7と非同調モードのΔLOOP9を1つの回路に合体させたもので、両者を切り替えて使用します。差動AMPによって信号が平衡化されているので、室外から室内への信号引き込みは同軸ケーブルではなくLANケーブルを使用します。
[参考サイト1]
ΔLOOPXの概要
最新回路図と製作TIPS(zipファイル)
ΔLOOP7とΔLOOP9(ΔLOOP10)は、それぞれ基板付き製作本がCQ出版社から出ていましたが、すでに絶版となっています。上記のサイトではユニバーサル基板でΔLOOPXを製作されています。
さらに、これまた大阪在住のpupさん(JG3PUP)が、上記製作本の基板を利用しながら合体させてΔLOOPXを作ることができるアダプター基板(+室内BOX基板)を設計・製作されていました。
[参考サイト2]
ΔLOOP-X アダプターPCBが完成しました。
ありがたいことに、当時この基板を頒布していただけるチャンスに恵まれました。入手したのがちょうど2年くらい前でした。
写真の右が室外AMPユニット、左が室内BOX(pupさん製作)です。AMPユニットの真ん中の茶色い部分が製作本の付属基板2枚、その両脇の黄色い基板がpupさん製作のアダプタ基板です。
ではメンテナンス開始。各基板を接続するビニール線が不必要に長い状態だったので、今回は短く詰め直し、さらに差動AMPのヌル点調整を行いました。前回の調整時はうまくヌル点に追い込めなかったのですが、今回は細かく慎重に行うことで正常に追い込むことができました。てっきりトランジスタの個体ばらつきが大きすぎて調整範囲に入ってないのかと思いましたが、そんなことはなく、トランジスタ交換はせずに済みました。
次に室外に設置します。家のベランダがアンテナだらけで手狭になってきたので、今回は「のぼりベース」と「のぼりポール」を使ってみました。近所のホームセンターで見かけて衝動買いしました。ポールは最大3mまで伸びます。
あらかじめ製作しておいたループエレメント部をのぼりポールの先っちょに取り付けます。その根元にΔLOOXユニットをタッパーに入れて仮止め。頭でっかちすぎて、風で結構ユラユラ揺れてます。一番短い状態ならなんとかなりそうだけど、ポールを上に伸ばすのはちょっと現実的でない感じ。うーん、のぼりベースは失敗だったかも…
設置後の受信状況を見てみました。夕方の7260kHz(モンゴル)で既存のアンテナと比較します。(受信機：Airspy HF+ /SDR-Console)
・ΔLOOPX 非同調モード
・BCL-LOOP13rev2.0
聴感上はまずまず悪くない感触です。ただ、既存のBCL-LOOP13rev2.0と比べると、信号レベルもノイズレベルもたいぶ高いです。BCL-LOOP13のほうは、KiwiSDRでの運用を意識してかなりゲインを抑えた設定にしているので、なおさら目立ちますが、ΔLOOPXのほうはややゲインを取り過ぎかもしれません。
さらに同調モードに切り替えてみました。
・ΔLOOPX 同調モード
同調用のボリウムダイヤルを回して、画面の周波数範囲のレベルが最大になるように調整しました。信号がググッと上がり先ほどの非同調モード時よりもさらにレベルが上がりました。これはなかなかに気持ち良いです。
同調範囲を調べてみると、Low側が2.5～12MHz、High側が11～16MHzぐらいで、影山氏オリジナルのものより上限周波数が低くなっています。
ただやっぱり、信号/ノイズともにレベルが高すぎるかな。聴感上は非同調のBCL-LOOP13のほうが落ち着いて聴ける感じです。
この辺りは各人によって好みが出そうなところですが、私は信号レベルがやや下がってもノイズレベルが低い静かなほうが良いですね。非同調側も同調側も少しゲインを落としたほうが良さそうです。でも、このままでも実用にはなるので、もう少しを様子を見ることにします。
とりあえず、休眠中だったΔLOOPXをうまく復活させることができて一安心です。
これ以前には、同調モードがある「ΔLOOPX」を使っていたのですが、自分の製作スキルの問題からいまひとつ動作不調で、原因究明のためいったんおろしていました。しかし、同調させた時の信号がググッと持ち上がる感触がなんとも良かったことを思い出し、今回ようやく重い腰を上げてメンテナンスと再調整を施しました。
「ΔLOOPX」は、大阪在住の影山OMによって考案・製作されているΔLOOPアンテナシリーズの最新作です。(といっても、もう3年以上経ってるけど)
同調モードのΔLOOP7と非同調モードのΔLOOP9を1つの回路に合体させたもので、両者を切り替えて使用します。差動AMPによって信号が平衡化されているので、室外から室内への信号引き込みは同軸ケーブルではなくLANケーブルを使用します。
[参考サイト1]
ΔLOOPXの概要
最新回路図と製作TIPS(zipファイル)
ΔLOOP7とΔLOOP9(ΔLOOP10)は、それぞれ基板付き製作本がCQ出版社から出ていましたが、すでに絶版となっています。上記のサイトではユニバーサル基板でΔLOOPXを製作されています。
さらに、これまた大阪在住のpupさん(JG3PUP)が、上記製作本の基板を利用しながら合体させてΔLOOPXを作ることができるアダプター基板(+室内BOX基板)を設計・製作されていました。
[参考サイト2]
ΔLOOP-X アダプターPCBが完成しました。
ありがたいことに、当時この基板を頒布していただけるチャンスに恵まれました。入手したのがちょうど2年くらい前でした。
写真の右が室外AMPユニット、左が室内BOX(pupさん製作)です。AMPユニットの真ん中の茶色い部分が製作本の付属基板2枚、その両脇の黄色い基板がpupさん製作のアダプタ基板です。
ではメンテナンス開始。各基板を接続するビニール線が不必要に長い状態だったので、今回は短く詰め直し、さらに差動AMPのヌル点調整を行いました。前回の調整時はうまくヌル点に追い込めなかったのですが、今回は細かく慎重に行うことで正常に追い込むことができました。てっきりトランジスタの個体ばらつきが大きすぎて調整範囲に入ってないのかと思いましたが、そんなことはなく、トランジスタ交換はせずに済みました。
次に室外に設置します。家のベランダがアンテナだらけで手狭になってきたので、今回は「のぼりベース」と「のぼりポール」を使ってみました。近所のホームセンターで見かけて衝動買いしました。ポールは最大3mまで伸びます。
あらかじめ製作しておいたループエレメント部をのぼりポールの先っちょに取り付けます。その根元にΔLOOXユニットをタッパーに入れて仮止め。頭でっかちすぎて、風で結構ユラユラ揺れてます。一番短い状態ならなんとかなりそうだけど、ポールを上に伸ばすのはちょっと現実的でない感じ。うーん、のぼりベースは失敗だったかも…
設置後の受信状況を見てみました。夕方の7260kHz(モンゴル)で既存のアンテナと比較します。(受信機：Airspy HF+ /SDR-Console)
・ΔLOOPX 非同調モード
・BCL-LOOP13rev2.0
聴感上はまずまず悪くない感触です。ただ、既存のBCL-LOOP13rev2.0と比べると、信号レベルもノイズレベルもたいぶ高いです。BCL-LOOP13のほうは、KiwiSDRでの運用を意識してかなりゲインを抑えた設定にしているので、なおさら目立ちますが、ΔLOOPXのほうはややゲインを取り過ぎかもしれません。
さらに同調モードに切り替えてみました。
・ΔLOOPX 同調モード
同調用のボリウムダイヤルを回して、画面の周波数範囲のレベルが最大になるように調整しました。信号がググッと上がり先ほどの非同調モード時よりもさらにレベルが上がりました。これはなかなかに気持ち良いです。
同調範囲を調べてみると、Low側が2.5～12MHz、High側が11～16MHzぐらいで、影山氏オリジナルのものより上限周波数が低くなっています。
ただやっぱり、信号/ノイズともにレベルが高すぎるかな。聴感上は非同調のBCL-LOOP13のほうが落ち着いて聴ける感じです。
この辺りは各人によって好みが出そうなところですが、私は信号レベルがやや下がってもノイズレベルが低い静かなほうが良いですね。非同調側も同調側も少しゲインを落としたほうが良さそうです。でも、このままでも実用にはなるので、もう少しを様子を見ることにします。
とりあえず、休眠中だったΔLOOPXをうまく復活させることができて一安心です。
スモールループアンテナ(3) フラフープループ並列化 [アンテナ]
前回の記事からの続きです。約3ヵ月ぶりになりますが、KiwiSDR用のアンテナとして使用しているフラフープループアンテナの性能改善作業です。今回は、フラフープをもうひとつ追加して「ループの並列化」を行いました。
理論的には、ループの数を増やすと、アンテナゲインが上がりノイズフロアが下がる(つまりS/N改善)効果があるようです。それを実際に体験すべく実験してみました。
参考サイト(1) Wideband Active Small Magnetic Loop Antenna
参考サイト(2) Active antenna overview
今回はこちらのフラフープ(直径80cm)を使用します。ちなみにこのフラフープは「アルインコ(ALINCO)」製です。無線機メーカーとして有名ですが、フィットネス事業なども手掛けており、多角的な事業展開をやっているようです。なんか意外な感じ。
アンテナエレメントとして使うのは、100円ショップとホームセンターで買ってきたアルミワイヤです。今回は線径がちょっとだけ太い100円ショップのほうを採用します。このアルミワイヤをフラフープの中に通していきます。フラフープのパーツは中が貫通していないので、ドリルで穴を空けました。パーツは16個もあるので、地味に大変でめんどくさい。
こちらはアルミワイヤを通す前の仮組立状態の絵です。ワイヤを外に引き出すためのジョイントボックスを付けました。16Φのサイズがジャストフィットします。
上の絵のように実際に配置してみました。上のほうが現在運用中のフラフープ、下のほうが今回追加したフラフープです。文字通り並列(パラレル)接続で、各ループの出力を同時にヘッドアンプ(BCL-LOOP13rev2)に入力しています。クロスカップルドループ(Cross Coupled Loop)の形です。
実際に受信してみた感触ですが、悪くはなさそうです。というか、あまり良くなった感じもしない…とりあえず改悪にはなってないので、しばらくこのまま様子を見ることにします。暑い季節になって階下の古いエアコンがガンガン動き出したので、ノイズフロアが上がってちょっと定量的な評価がしにくい状況になっています。また後日にタイミングを見計らって、詳しい性能比較をやってみたいと思います。ひとまず今日はここまで。
理論的には、ループの数を増やすと、アンテナゲインが上がりノイズフロアが下がる(つまりS/N改善)効果があるようです。それを実際に体験すべく実験してみました。
参考サイト(1) Wideband Active Small Magnetic Loop Antenna
参考サイト(2) Active antenna overview
今回はこちらのフラフープ(直径80cm)を使用します。ちなみにこのフラフープは「アルインコ(ALINCO)」製です。無線機メーカーとして有名ですが、フィットネス事業なども手掛けており、多角的な事業展開をやっているようです。なんか意外な感じ。
アンテナエレメントとして使うのは、100円ショップとホームセンターで買ってきたアルミワイヤです。今回は線径がちょっとだけ太い100円ショップのほうを採用します。このアルミワイヤをフラフープの中に通していきます。フラフープのパーツは中が貫通していないので、ドリルで穴を空けました。パーツは16個もあるので、地味に大変でめんどくさい。
こちらはアルミワイヤを通す前の仮組立状態の絵です。ワイヤを外に引き出すためのジョイントボックスを付けました。16Φのサイズがジャストフィットします。
上の絵のように実際に配置してみました。上のほうが現在運用中のフラフープ、下のほうが今回追加したフラフープです。文字通り並列(パラレル)接続で、各ループの出力を同時にヘッドアンプ(BCL-LOOP13rev2)に入力しています。クロスカップルドループ(Cross Coupled Loop)の形です。
実際に受信してみた感触ですが、悪くはなさそうです。というか、あまり良くなった感じもしない…とりあえず改悪にはなってないので、しばらくこのまま様子を見ることにします。暑い季節になって階下の古いエアコンがガンガン動き出したので、ノイズフロアが上がってちょっと定量的な評価がしにくい状況になっています。また後日にタイミングを見計らって、詳しい性能比較をやってみたいと思います。ひとまず今日はここまで。
アンテナ ノイズフロア比較 [アンテナ]
最近、我が家のBCL受信でメインに使っているアンテナ(80cmフラフープループ+BCL-LOOP13rev2)のノイズフロアが上がり気味だったので、各部の点検とゲイン再調整をしてみました。雨ざらしで使ってるので、端子の腐食で接触が悪くなっていたのが原因だったようです。端子をつなぎ直して養生し、ついでにアンプゲインを少し絞り気味に再調整することで、なんとか元のノイズフロアに復活しました。
夕方のRadio Kuwait(15515kHz)を受信してみたのが下の画像です。
受信機：Airspy HF+
ソフト：SDR-Console Ver.3.0β2
アンテナ(1)：80cmフラフープループ + BCL-LOOP13rev2.0
ノイズフロア：-120dBm付近
他のサブのアンテナとの受信比較もしてみます。
アンテナ(2)：1mアルミパイプ三角形ループ + BCL-LOOP10
ノイズフロア：-120dBmよりわずかに低い
アンテナ(3)：303WA-2 ホイップアンテナ
ノイズフロア：-110dBm付近
というわけで、少し恣意的な結果ではありますが、磁界成分を拾う微小ループアンテナ(1)(2)のほうが、電界成分を拾うアンテナ(3)よりも10dBほど低いノイズフロアになっています。これは、ローバンドなど他の周波数帯でも同じような傾向です。
これだけ見ると、ノイズが10dB低いループアンテナのほうが圧勝のような印象ですが、実は肝心の信号レベルも数dB下がっているので、S/Nとしてはさほど大きな差があるわけではありません。
確かに、今回のような夕方のハイバンドでは、ループアンテナのほうがS/Nが良く、了解度が勝っていますが、逆に深夜のローバンドに関しては303WA-2のほうがループアンテナよりも信号ゲインが高くなるので、たとえノイズフロアが高くても、S/Nとしてはわずかに上回り、了解度は303WA-2のほうが良くなります。
アンテナの形式として、微小ループのような磁界成分を拾うタイプのほうが性能的に有利、と一般的に言われており、理論的にも確かにそのとおりなのですが、実際にはいろんな視点で細かく見ていくと、一長一短があることがわかります。
このことはKiwiSDRサーバーを公開するようになってから、かなり痛切に感じるようになりました。長中短波帯(～30MHz)全部をまんべんなくカバーする受信環境を作るのは意外と難しくて骨が折れます。いやあ、奥が深い。でも面白い。
夕方のRadio Kuwait(15515kHz)を受信してみたのが下の画像です。
受信機：Airspy HF+
ソフト：SDR-Console Ver.3.0β2
アンテナ(1)：80cmフラフープループ + BCL-LOOP13rev2.0
ノイズフロア：-120dBm付近
他のサブのアンテナとの受信比較もしてみます。
アンテナ(2)：1mアルミパイプ三角形ループ + BCL-LOOP10
ノイズフロア：-120dBmよりわずかに低い
アンテナ(3)：303WA-2 ホイップアンテナ
ノイズフロア：-110dBm付近
というわけで、少し恣意的な結果ではありますが、磁界成分を拾う微小ループアンテナ(1)(2)のほうが、電界成分を拾うアンテナ(3)よりも10dBほど低いノイズフロアになっています。これは、ローバンドなど他の周波数帯でも同じような傾向です。
これだけ見ると、ノイズが10dB低いループアンテナのほうが圧勝のような印象ですが、実は肝心の信号レベルも数dB下がっているので、S/Nとしてはさほど大きな差があるわけではありません。
確かに、今回のような夕方のハイバンドでは、ループアンテナのほうがS/Nが良く、了解度が勝っていますが、逆に深夜のローバンドに関しては303WA-2のほうがループアンテナよりも信号ゲインが高くなるので、たとえノイズフロアが高くても、S/Nとしてはわずかに上回り、了解度は303WA-2のほうが良くなります。
アンテナの形式として、微小ループのような磁界成分を拾うタイプのほうが性能的に有利、と一般的に言われており、理論的にも確かにそのとおりなのですが、実際にはいろんな視点で細かく見ていくと、一長一短があることがわかります。
このことはKiwiSDRサーバーを公開するようになってから、かなり痛切に感じるようになりました。長中短波帯(～30MHz)全部をまんべんなくカバーする受信環境を作るのは意外と難しくて骨が折れます。いやあ、奥が深い。でも面白い。
303WA-2の動作原理(推測) [アンテナ]
我が家のように狭い自宅に設置するBCLアンテナとして、現在のベストは磁界成分を拾うアクティブ微小ループですが、今の季節だと、エアコンなどがまだ本格的に動いておらずローカルノイズが少ないので、むしろ電界成分を拾うパッシブ形ホイップアンテナのほうが受信状態が良くなる場合があります。そんなわけで、我が家でもApexRadioの303WA-2が今の季節は大活躍です。HFローバンドが得意のようです。
写真左のアンテナのほうが見た目存在感あるけど、こちらはアマチュア無線144/430MHz用のGPアンテナ。この記事の主役は真ん中のアンテナです。
この303WA-2ですが、どうしてこんなにHF帯が良好に受信できるのか動作原理がよくわからない謎のアンテナとして知られています。
参考サイト：kerokeronyororoさん
このアンテナのインピーダンスを受信機側(すなわち同軸ケーブル込み)で測定すると、こんな感じになります。
303WA-2インピーダンス特性(付属同軸ケーブル10m込み・設置状態)
Z=R+jX
スミスチャート
インピーダンスマッチングは30MHz以下では全く取れておらず、スミスチャートの外周をぐるぐる回るだけになっています。したがって、SWR値だけで評価すると全くダメダメなアンテナということになってしまいます。
同軸ケーブルを短くしてみても、以下のような感じで基本的には変わりません。
303WA-2インピーダンス特性(同軸ケーブル6m込み・設置状態)
Z=R+jX
スミスチャート
同軸ケーブルの長さに依存して誘導性/容量性の入れ替わり周期(すなわちスミスチャートのぐるぐる回転周期)が変わるだけです。要するに、インピーダンスが50Ωに全く合っていない素子を同軸ケーブル経由で測定した場合の典型的パターンです。したがって、同軸ケーブルを介在するとアンテナ本来の特性が非常に見えにくくなっている状態です。
それではということで、303WA-2をダイレクトに測定器(AA-30.ZERO)につないでインピーダンスを見てみます。
303WA-2インピーダンス特性(アンテナ単体)
Z=R+jX
スミスチャート
Z=R+jXの縦軸拡大
これはずっと前の記事でも紹介したことがありますが、400kHz付近に鋭いピーク(共振点)があるだけで、あとはなんだかよくわからないのっぺらぼーなインピーダンス特性になっています。
この特性から察するに、150μHくらいのインダクタと1000pFくらいのコンデンサを組み合わせた並列共振回路が入っているように思われます。(値はかなりテキトー)
このインピーダンス特性でどうしてHF帯の電波が良く受信できるのか、理屈がさっぱりわかりませんが、いろいろ考えた末に、下記の点に着目してみました。
・400kHzから18MHz近辺の間は容量性になっている
長い金属エレメントでできたホイップアンテナなので「インダクタ」のイメージがありますが、実はMF～HF帯に限っては「コンデンサ」に見えている、ということです。
ここで「電界成分を拾うアンテナ」「コンデンサ」という2つのキーワードから、もうひとつの不思議なアンテナのことを思い出しました。
PA0RDT Mini Whip
プリント基板を利用した平行平板をプローブにして空間の電界成分を拾い、下記のアンプでインピーダンス変換しながら受信機に送り込む、という形式のアンテナです。
実は、303WA-2もこのアンテナ(PA0RDTミニホイップ)と似たような動作原理なのではないでしょうか。まだ確信を持てる理屈が無いので、あくまでも推測に過ぎませんが、そう考えるといろいろと腑に落ちる気がします。303WA-2もPA0RDTミニホイップも周囲環境の影響を受けやすいアンテナであることが、非常によく似ていると思います。
ということは、上記のアンプ(ソースフォロア+エミッタフォロア)を303WA-2の直下(根元)に入れることができれば、もっと特性を安定させることができるかもしれません。どなたかやってみませんか？
(私は工作下手で面倒くさがりなのでたぶんやらないw)
ちなみに、303WAをノイズキャンセラ用のアンテナとして利用している人もいらしゃるようです。
参考サイト：ApexRadio 303WA
写真左のアンテナのほうが見た目存在感あるけど、こちらはアマチュア無線144/430MHz用のGPアンテナ。この記事の主役は真ん中のアンテナです。
この303WA-2ですが、どうしてこんなにHF帯が良好に受信できるのか動作原理がよくわからない謎のアンテナとして知られています。
参考サイト：kerokeronyororoさん
このアンテナのインピーダンスを受信機側(すなわち同軸ケーブル込み)で測定すると、こんな感じになります。
303WA-2インピーダンス特性(付属同軸ケーブル10m込み・設置状態)
Z=R+jX
スミスチャート
インピーダンスマッチングは30MHz以下では全く取れておらず、スミスチャートの外周をぐるぐる回るだけになっています。したがって、SWR値だけで評価すると全くダメダメなアンテナということになってしまいます。
同軸ケーブルを短くしてみても、以下のような感じで基本的には変わりません。
303WA-2インピーダンス特性(同軸ケーブル6m込み・設置状態)
Z=R+jX
スミスチャート
同軸ケーブルの長さに依存して誘導性/容量性の入れ替わり周期(すなわちスミスチャートのぐるぐる回転周期)が変わるだけです。要するに、インピーダンスが50Ωに全く合っていない素子を同軸ケーブル経由で測定した場合の典型的パターンです。したがって、同軸ケーブルを介在するとアンテナ本来の特性が非常に見えにくくなっている状態です。
それではということで、303WA-2をダイレクトに測定器(AA-30.ZERO)につないでインピーダンスを見てみます。
303WA-2インピーダンス特性(アンテナ単体)
Z=R+jX
スミスチャート
Z=R+jXの縦軸拡大
これはずっと前の記事でも紹介したことがありますが、400kHz付近に鋭いピーク(共振点)があるだけで、あとはなんだかよくわからないのっぺらぼーなインピーダンス特性になっています。
この特性から察するに、150μHくらいのインダクタと1000pFくらいのコンデンサを組み合わせた並列共振回路が入っているように思われます。(値はかなりテキトー)
このインピーダンス特性でどうしてHF帯の電波が良く受信できるのか、理屈がさっぱりわかりませんが、いろいろ考えた末に、下記の点に着目してみました。
・400kHzから18MHz近辺の間は容量性になっている
長い金属エレメントでできたホイップアンテナなので「インダクタ」のイメージがありますが、実はMF～HF帯に限っては「コンデンサ」に見えている、ということです。
ここで「電界成分を拾うアンテナ」「コンデンサ」という2つのキーワードから、もうひとつの不思議なアンテナのことを思い出しました。
PA0RDT Mini Whip
プリント基板を利用した平行平板をプローブにして空間の電界成分を拾い、下記のアンプでインピーダンス変換しながら受信機に送り込む、という形式のアンテナです。
実は、303WA-2もこのアンテナ(PA0RDTミニホイップ)と似たような動作原理なのではないでしょうか。まだ確信を持てる理屈が無いので、あくまでも推測に過ぎませんが、そう考えるといろいろと腑に落ちる気がします。303WA-2もPA0RDTミニホイップも周囲環境の影響を受けやすいアンテナであることが、非常によく似ていると思います。
ということは、上記のアンプ(ソースフォロア+エミッタフォロア)を303WA-2の直下(根元)に入れることができれば、もっと特性を安定させることができるかもしれません。どなたかやってみませんか？
(私は工作下手で面倒くさがりなのでたぶんやらないw)
ちなみに、303WAをノイズキャンセラ用のアンテナとして利用している人もいらしゃるようです。
参考サイト：ApexRadio 303WA
スモールループアンテナ(2) フラフープループ製作 [アンテナ]
前回2/24の記事で各種ループエレメントの比較をしましたが、その続編です。
かねてから、ループ面積的にもインダクタンス的にも最も有利である円形ループを作ってみたいと思っていました。世のアマチュア無線やBCLの諸OM方々は、マグネティックループアンテナ(MLA)と称して、アルミや銅のパイプ・フラットバーを器用に曲げて製作しておられますが、残念ながら私にはそのようなスキルも道具もありません。ホームセンターで買ってきた短いアルミパイプをつなぎ合わせて三角形ループにするのが精いっぱいでした。
なんとかお手軽に円形ループを作れないものかと、以前からネタとしてあたためていた、市販のフラフープを利用した円形ループを試しに作ってみることにしました。
市販の安いフラフープはポリエチレン製で中が中空になっているので、そこにアルミ線を通してエレメントとします。
100円ショップでホビー工作用のこんなアルミワイヤーを見つけました。直径2mmと3mmのものです。もっと太いほうが性能的には有利ですが、まあしょうがないか。
続いて、本題のフラフープ。100円ショップにもあるとの情報が事前にあったのですが、地元の100円ショップには置いてありませんでした。しょうがないので同じ建物内のメガド〇キホーテで購入しました。直径80センチで、16個のパーツをつなぎ合わせて作るやつです。パーツの穴が片側だけ貫通していないタイプだったので、1つ1つハンドドリルで穴を開ける作業が必要になりました。地味に時間がかかってメンドクサイ…
穴を開けた後は、アルミワイヤーを中に通しながら組み立てて輪っかにしていきます。アルミワイヤーが微妙に短くて、寸足らずになってしまったのですが、リード引き出し用のビニール線を長めにすることで帳尻を合わせました。
途中の写真を撮るのを忘れてしまったので、いきなり完成後の絵です。こんなふうに設置しました。16Φの塩ビパイプのジョイントパーツと相性が良くてスッポリとはまる太さでした。これは使える…
設置する前に、前回と同様、ループエレメントのインピーダンスを測定しました。
緑色の線がリアクタンスです。誘導性から容量性への変化点である自己共振周波数が18MHz付近です。前回の三角形ループが16MHz付近だったので上がっています。周囲長が短くなったぶんだけ上がったのだと思われます。(円形：約2.5m 三角形：3m)
インダクタンスの部分を抜き出したグラフが下の図です。前回のグラフに追記して各種ループエレメントを比較します。
前回同様、5MHzを例にした具体的なインダクタンス値は以下のとおりです。
(1) 三角形ループ (ビニール線)：4.52 [μH]
(2) 三角形ループ(アルミパイプ)：3.59 [μH]
(3) 正方形ループ(アルミパイプ)：5.24 [μH]
(4) フラフープループ(アルミ線)：3.17 [μH]
前回最も低かった三角形ループ(アルミパイプ)をかわして、わずかながらフラフープ円形ループのインダクタンスが下回りました。したがって今までの中で最良、ということになります。これも周囲長が短くなったことが有利に働いたことになるかと思われます。
続いて、実際の受信信号の比較です。以下のような2つの組合せのアンテナを並べて設置し、アンテナ切替器で切替えながら了解度を比較しました。
(A) 三角形ループ(アルミパイプ) + BCL-LOOP10
(B) フラフープ円形ループ(アルミ線) + BCL-LOOP13 rev2.0
深夜の5MHz帯を聞きました。(A)(B)ともに聴感上は非常に良好で、大きな差は無くほぼ互角な感じです。ノイズフロアはわずかに(B)の円形ループのほうが低い(と言っても1～2dBの差)です。ただ、了解度については(A)の三角形ループのほうが良い気がしました。(B)から(A)に切り替えた瞬間にググッと信号が持ち上がる感触があります。とは言っても本当にわずかな差です。
ここまで来ると、ループエレメントの差以外にアンプのゲイン差とか設置場所のわずかな条件の違いなどが加味されてくるので、本当の姿はよくわからなくなってきます。評価環境の限界ですね。
3月4日 AM2:30ごろ バンド全体
3月4日 AM2:30ごろ 4970kHz AIR Shillong局 終了間際
ただ、確実に言えるのは、100円ショップ等で材料をそろえたフラフープループアンテナでも十分に実用になる、ということです。これは自分的には大きな収穫です。
今後は、フラフープループをもうひとつ作り、ループエレメントの並列化をやってみたいと思います。
かねてから、ループ面積的にもインダクタンス的にも最も有利である円形ループを作ってみたいと思っていました。世のアマチュア無線やBCLの諸OM方々は、マグネティックループアンテナ(MLA)と称して、アルミや銅のパイプ・フラットバーを器用に曲げて製作しておられますが、残念ながら私にはそのようなスキルも道具もありません。ホームセンターで買ってきた短いアルミパイプをつなぎ合わせて三角形ループにするのが精いっぱいでした。
なんとかお手軽に円形ループを作れないものかと、以前からネタとしてあたためていた、市販のフラフープを利用した円形ループを試しに作ってみることにしました。
市販の安いフラフープはポリエチレン製で中が中空になっているので、そこにアルミ線を通してエレメントとします。
100円ショップでホビー工作用のこんなアルミワイヤーを見つけました。直径2mmと3mmのものです。もっと太いほうが性能的には有利ですが、まあしょうがないか。
続いて、本題のフラフープ。100円ショップにもあるとの情報が事前にあったのですが、地元の100円ショップには置いてありませんでした。しょうがないので同じ建物内のメガド〇キホーテで購入しました。直径80センチで、16個のパーツをつなぎ合わせて作るやつです。パーツの穴が片側だけ貫通していないタイプだったので、1つ1つハンドドリルで穴を開ける作業が必要になりました。地味に時間がかかってメンドクサイ…
穴を開けた後は、アルミワイヤーを中に通しながら組み立てて輪っかにしていきます。アルミワイヤーが微妙に短くて、寸足らずになってしまったのですが、リード引き出し用のビニール線を長めにすることで帳尻を合わせました。
途中の写真を撮るのを忘れてしまったので、いきなり完成後の絵です。こんなふうに設置しました。16Φの塩ビパイプのジョイントパーツと相性が良くてスッポリとはまる太さでした。これは使える…
設置する前に、前回と同様、ループエレメントのインピーダンスを測定しました。
緑色の線がリアクタンスです。誘導性から容量性への変化点である自己共振周波数が18MHz付近です。前回の三角形ループが16MHz付近だったので上がっています。周囲長が短くなったぶんだけ上がったのだと思われます。(円形：約2.5m 三角形：3m)
インダクタンスの部分を抜き出したグラフが下の図です。前回のグラフに追記して各種ループエレメントを比較します。
前回同様、5MHzを例にした具体的なインダクタンス値は以下のとおりです。
(1) 三角形ループ (ビニール線)：4.52 [μH]
(2) 三角形ループ(アルミパイプ)：3.59 [μH]
(3) 正方形ループ(アルミパイプ)：5.24 [μH]
(4) フラフープループ(アルミ線)：3.17 [μH]
前回最も低かった三角形ループ(アルミパイプ)をかわして、わずかながらフラフープ円形ループのインダクタンスが下回りました。したがって今までの中で最良、ということになります。これも周囲長が短くなったことが有利に働いたことになるかと思われます。
続いて、実際の受信信号の比較です。以下のような2つの組合せのアンテナを並べて設置し、アンテナ切替器で切替えながら了解度を比較しました。
(A) 三角形ループ(アルミパイプ) + BCL-LOOP10
(B) フラフープ円形ループ(アルミ線) + BCL-LOOP13 rev2.0
深夜の5MHz帯を聞きました。(A)(B)ともに聴感上は非常に良好で、大きな差は無くほぼ互角な感じです。ノイズフロアはわずかに(B)の円形ループのほうが低い(と言っても1～2dBの差)です。ただ、了解度については(A)の三角形ループのほうが良い気がしました。(B)から(A)に切り替えた瞬間にググッと信号が持ち上がる感触があります。とは言っても本当にわずかな差です。
ここまで来ると、ループエレメントの差以外にアンプのゲイン差とか設置場所のわずかな条件の違いなどが加味されてくるので、本当の姿はよくわからなくなってきます。評価環境の限界ですね。
3月4日 AM2:30ごろ バンド全体
3月4日 AM2:30ごろ 4970kHz AIR Shillong局 終了間際
ただ、確実に言えるのは、100円ショップ等で材料をそろえたフラフープループアンテナでも十分に実用になる、ということです。これは自分的には大きな収穫です。
今後は、フラフープループをもうひとつ作り、ループエレメントの並列化をやってみたいと思います。
スモールループアンテナ(1) エレメント比較 [アンテナ]
我が家での中短波帯受信環境をさらに改善しようと、いま主力で使っているマグネティックループアンテナについて調べ始めました。すでにいろいろな先人たちが研究しているようで、ありがたいことにその偉大な方たちの書いた様々な文献をネット上で読むことができます。ここ数週間、その文献やWebサイトを読み漁ってみて、ちょっともうお腹いっぱいになってきましたが、このアンテナの性質・特徴みたいなものが、おぼろげながら理解できるようになってきました。
その結果を書くだけでもかなり長くなりそうなので、それはまた別の機会にしておいて、とりあえず2例だけ参考URLリンクを貼っておきます。
Wideband Small Receiving Loop Simplified
WSMLのループ・インダクタンス特性と S/L比。
いろいろ読んできて、「マグネティックループアンテナ」と称するのは少し語弊があることに気付いたので、以後は「スモールループアンテナ」と呼ぶことにします。
今回はループエレメントについていろいろな考察・実験をしてみました。
このアンテナの基本動作は「ループの中を通過する電磁波の磁界成分をピックアップして誘導電流を発生させる」ことです。したがって、受信感度を良くするためには「少ない磁界成分(磁束)でより多くの電流を誘起させる」ようなループが必要となります。そこで、以下の重要な関係式が登場します。
「ループの誘起電流：I はループの面積：S に比例し、また、ループのインダクタンス：L に反比例する」ということになります。
したがって、誘起電流を大きくするためには
(A)「ループ面積を大きくする」もしくは
(B)「ループのインダクタンスを小さくする」ことが求められます。
ただし、この2つは相反する事象なので、(A)(B)を同時に実現するのは単純には難しいことです。面積を大きくしようとすると、ループの長さ(周囲長)も伸びてしまうので、結果的にインダクタンスが増えてしまいます。その辺は、すでに世の中のすごい人たちがあの手この手の絶妙なアイデアで工夫しており、ある一定の対策というか結論が出ているようです。
とりあえず、できる範囲で自分でもいろいろと試してみることにしました。
ここでは、ループエレメントの形状・材質を変えてインピーダンスを測定し、実際の受信も行って比較してみました。
(1) 三角形ループ(ビニール線)
これまで長いこと現役で使ってきたエレメントです。ホームセンターでアース線として売ってるビニール線(VSF 1.25mm^2)を長さ1メートルの塩ビパイプに通して固定したものです。
(2) 三角形ループ(アルミパイプ)
最近製作して別の記事でも登場しているアルミパイプのループです。1メートル長・15ミリ径の中空パイプをステン金具でつないで正三角形にしています。
(3) 正方形ループ(アルミパイプ)
さっきの(2)三角形ループにもう1辺足して正方形にしています。写真は実際の仮設置後のものですが、大地に対して45度傾けてるので、見た目は「ひし形」です。
まずは、それぞれのループ面積を計算しておきます。それぞれ1辺1メートルなので、
正三角形：(1/2)*(底辺)*(高さ)=(1/2)*(1)*(1 *(1/2)*√3)=√3/4=0.433 m^2
正方形：(1辺)*(1辺) = 1.000 m^2
となります。したがって、冒頭の関係式から考えると、面積としては正方形のほうが4/√3 = 2.31倍だけ有利になるはずです。
次に、インピーダンス測定の結果です。
測定器は以前の記事で紹介したインピーダンスアナライザ AA-30.ZEROです。
青線が|Z|：インピーダンス、赤線がR：抵抗成分、緑線がX：リアクタンス成分です。(Z = R + jX、|Z| = √(R^2 + X^2)
(1) 三角形ループ(ビニール線)
(2) 三角形ループ(アルミパイプ)
(3) 正方形ループ(アルミパイプ)
これを見ると、(1)は15MHz付近、(2)は16MHz付近、(3)は13MHz付近で緑色のリアクタンスが大きく変化しています。これが「自己共振周波数」で、この周波数より下では誘導性リアクタンス、上では容量性リアクタンスを示す結果になっています。ということは、磁界成分をピックアップする「マグネティックループ」として動作するのは、実はこの周波数以下だけということになります。自己共振周波数が意外と低いところにあるというのが新しい発見でした。
上の絵だとごちゃごちゃして見にくいので、誘導性リアクタンス(インダクタンス)の部分だけ抜き出し、直列→並列変換したのが下のグラフです。
これを見ると、インダクタンス値は全帯域で (2) < (1) < (3)の順に小さくなっていることがわかります。グラフにして視覚的にみると一目瞭然ですね。
具体的な数値を書くと、例えば5MHzでは
(1) 三角形ループ (ビニール線)：4.52 [μH]
(2) 三角形ループ(アルミパイプ)：3.59 [μH]
(3) 正方形ループ(アルミパイプ)：5.24 [μH]
となっています。このことから、インダクタンスの観点では
・ビニール線とアルミパイプではアルミパイプのほうが4.52/3.59 = 1.26倍有利
・三角形と正方形では三角形のほうが5.24/3.59 = 1.46倍有利
ということが言えます。
ということは、先ほどの面積の観点との合わせ技で誘起電流の優劣を考えると、三角形ループよりも正方形ループのほうがが2.31/1.46 = 1.58倍だけ有利になりそうです。
最終的に、受信感度は良い順に(3) → (2) → (1)というふうに予想できますね。
では、実際にKiwiSDRにそれぞれのアンテナエレメントをつないで受信した結果を以下に示します。エレメントの交換の都合とかローカルノイズ発生の関係ですべて同じ日にはできなかったのですが、夜間の5MHz帯で信号が出ていない周波数を選んでノイズフロアレベルを測定しました。(NarrowAM 帯域幅5kHz)
アンプはBCL-LOOP13re2.0を使用しています。
(1) 三角形ループ (ビニール線)：-110dBm
(2) 三角形ループ(アルミパイプ)：-113dBm
(3) 正方形ループ(アルミパイプ)：-107dBm
ということで、実際の受信結果は良い順に(2) → (1) → (3)となりました。聴感上の了解度でもはっきり差が出ます。試しに、信号が強い割に変調が浅くて聞き取りにくいAIR Shillong局(4970kHz)を受信してみると、(2)が最も聞き取りやすいです。
ビニール線とアルミパイプの比較では、順当にアルミパイプが良くなりましたが、三角形と正方形の比較では、予想に反して三角形のほうが良い結果となりました。結果だけから言うと、今回は面積の大小よりもインダクタンスの大小のほうが支配的だった、という結論になりそうです。何か計算に入っていない要素があるのかもしれません。
アンテナの世界は理論と実際が合わないことが多いそうなので、一筋縄ではいかないです。
正方形ループにはちょっと期待していましたが、結果はダメでしたね。これで、今のところ三角形ループが最良とわかったので返り咲きとなりました。また別の次の一手を考えることにします。
[今後の予定]
・100円ショップの材料で円形ループエレメントを作る(現在進行中)
・ループエレメントの並列化(構想計画中)
・同軸ケーブルを使ったシールドループエレメント(構想計画中)
その結果を書くだけでもかなり長くなりそうなので、それはまた別の機会にしておいて、とりあえず2例だけ参考URLリンクを貼っておきます。
Wideband Small Receiving Loop Simplified
WSMLのループ・インダクタンス特性と S/L比。
いろいろ読んできて、「マグネティックループアンテナ」と称するのは少し語弊があることに気付いたので、以後は「スモールループアンテナ」と呼ぶことにします。
今回はループエレメントについていろいろな考察・実験をしてみました。
このアンテナの基本動作は「ループの中を通過する電磁波の磁界成分をピックアップして誘導電流を発生させる」ことです。したがって、受信感度を良くするためには「少ない磁界成分(磁束)でより多くの電流を誘起させる」ようなループが必要となります。そこで、以下の重要な関係式が登場します。
「ループの誘起電流：I はループの面積：S に比例し、また、ループのインダクタンス：L に反比例する」ということになります。
したがって、誘起電流を大きくするためには
(A)「ループ面積を大きくする」もしくは
(B)「ループのインダクタンスを小さくする」ことが求められます。
ただし、この2つは相反する事象なので、(A)(B)を同時に実現するのは単純には難しいことです。面積を大きくしようとすると、ループの長さ(周囲長)も伸びてしまうので、結果的にインダクタンスが増えてしまいます。その辺は、すでに世の中のすごい人たちがあの手この手の絶妙なアイデアで工夫しており、ある一定の対策というか結論が出ているようです。
とりあえず、できる範囲で自分でもいろいろと試してみることにしました。
ここでは、ループエレメントの形状・材質を変えてインピーダンスを測定し、実際の受信も行って比較してみました。
(1) 三角形ループ(ビニール線)
これまで長いこと現役で使ってきたエレメントです。ホームセンターでアース線として売ってるビニール線(VSF 1.25mm^2)を長さ1メートルの塩ビパイプに通して固定したものです。
(2) 三角形ループ(アルミパイプ)
最近製作して別の記事でも登場しているアルミパイプのループです。1メートル長・15ミリ径の中空パイプをステン金具でつないで正三角形にしています。
(3) 正方形ループ(アルミパイプ)
さっきの(2)三角形ループにもう1辺足して正方形にしています。写真は実際の仮設置後のものですが、大地に対して45度傾けてるので、見た目は「ひし形」です。
まずは、それぞれのループ面積を計算しておきます。それぞれ1辺1メートルなので、
正三角形：(1/2)*(底辺)*(高さ)=(1/2)*(1)*(1 *(1/2)*√3)=√3/4=0.433 m^2
正方形：(1辺)*(1辺) = 1.000 m^2
となります。したがって、冒頭の関係式から考えると、面積としては正方形のほうが4/√3 = 2.31倍だけ有利になるはずです。
次に、インピーダンス測定の結果です。
測定器は以前の記事で紹介したインピーダンスアナライザ AA-30.ZEROです。
青線が|Z|：インピーダンス、赤線がR：抵抗成分、緑線がX：リアクタンス成分です。(Z = R + jX、|Z| = √(R^2 + X^2)
(1) 三角形ループ(ビニール線)
(2) 三角形ループ(アルミパイプ)
(3) 正方形ループ(アルミパイプ)
これを見ると、(1)は15MHz付近、(2)は16MHz付近、(3)は13MHz付近で緑色のリアクタンスが大きく変化しています。これが「自己共振周波数」で、この周波数より下では誘導性リアクタンス、上では容量性リアクタンスを示す結果になっています。ということは、磁界成分をピックアップする「マグネティックループ」として動作するのは、実はこの周波数以下だけということになります。自己共振周波数が意外と低いところにあるというのが新しい発見でした。
上の絵だとごちゃごちゃして見にくいので、誘導性リアクタンス(インダクタンス)の部分だけ抜き出し、直列→並列変換したのが下のグラフです。
これを見ると、インダクタンス値は全帯域で (2) < (1) < (3)の順に小さくなっていることがわかります。グラフにして視覚的にみると一目瞭然ですね。
具体的な数値を書くと、例えば5MHzでは
(1) 三角形ループ (ビニール線)：4.52 [μH]
(2) 三角形ループ(アルミパイプ)：3.59 [μH]
(3) 正方形ループ(アルミパイプ)：5.24 [μH]
となっています。このことから、インダクタンスの観点では
・ビニール線とアルミパイプではアルミパイプのほうが4.52/3.59 = 1.26倍有利
・三角形と正方形では三角形のほうが5.24/3.59 = 1.46倍有利
ということが言えます。
ということは、先ほどの面積の観点との合わせ技で誘起電流の優劣を考えると、三角形ループよりも正方形ループのほうがが2.31/1.46 = 1.58倍だけ有利になりそうです。
最終的に、受信感度は良い順に(3) → (2) → (1)というふうに予想できますね。
では、実際にKiwiSDRにそれぞれのアンテナエレメントをつないで受信した結果を以下に示します。エレメントの交換の都合とかローカルノイズ発生の関係ですべて同じ日にはできなかったのですが、夜間の5MHz帯で信号が出ていない周波数を選んでノイズフロアレベルを測定しました。(NarrowAM 帯域幅5kHz)
アンプはBCL-LOOP13re2.0を使用しています。
(1) 三角形ループ (ビニール線)：-110dBm
(2) 三角形ループ(アルミパイプ)：-113dBm
(3) 正方形ループ(アルミパイプ)：-107dBm
ということで、実際の受信結果は良い順に(2) → (1) → (3)となりました。聴感上の了解度でもはっきり差が出ます。試しに、信号が強い割に変調が浅くて聞き取りにくいAIR Shillong局(4970kHz)を受信してみると、(2)が最も聞き取りやすいです。
ビニール線とアルミパイプの比較では、順当にアルミパイプが良くなりましたが、三角形と正方形の比較では、予想に反して三角形のほうが良い結果となりました。結果だけから言うと、今回は面積の大小よりもインダクタンスの大小のほうが支配的だった、という結論になりそうです。何か計算に入っていない要素があるのかもしれません。
アンテナの世界は理論と実際が合わないことが多いそうなので、一筋縄ではいかないです。
正方形ループにはちょっと期待していましたが、結果はダメでしたね。これで、今のところ三角形ループが最良とわかったので返り咲きとなりました。また別の次の一手を考えることにします。
[今後の予定]
・100円ショップの材料で円形ループエレメントを作る(現在進行中)
・ループエレメントの並列化(構想計画中)
・同軸ケーブルを使ったシールドループエレメント(構想計画中)
KiwiSDRでアンテナ比較 [アンテナ]
手元にある中短波用アンテナの種類がかなり増えてきました。このブログでまだご紹介してないものを含めるとけっこうな数があります。まあ、買っては試し、作っては試しを繰り返してこうなったわけですが…
今回は、現在の主力のアンテナ4種について、KiwiSDRで受信比較をしてみました。
まずは0～30MHz全帯域の状況です。
(1) 10mビニール線ロングワイヤー + Magnetic Longwire Balun(カプラ型)
全体的にノイジーです。4MHz近辺と12MHz近辺でさらにノイズレベルが上がってますね。この付近でちょうどインピーダンス的に整合が取れてるのかもしれません。
(2) ApexRadio 303WA-2
いまおそらく国内で一番売れてるBCL用アンテナでしょう。パッシブ型なので一部の帯域を除いてノイズレベルはそこそこ低くて静かです。4MHz以下がかなりノイジーですが、中波放送帯の3倍波付近が盛り上がってるところを見ると、これはアンテナのせいではなくて、KiwiSDRの入力アンプが飽和してるのだと思います。中波帯を落とすフィルタ(HPF)を入れればマシになりそうです。
(3) BCL-LOOP10 + アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)
全体的にかなり静かで信号レベルもしっかりしています。12～17MHz付近のハイバンドが若干ノイジーですが、ループエレメントの自己共振周波数がこの近辺にあり、インピーダンス変動が影響しているかもしれません。
(4) BCL-LOOP13 rev2.0 + アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)
全体的にノイズレベルがかなり低く静かです。ゲインを控えめにしているので、信号レベルがちょっと細いですが、気になるほどではありません。中波帯を落とす軽めのフィルタを入れています。
次に、この時間に良好に受信できるRadio Kuwait(15515kHz)での受信比較です。
(1) 10mビニール線ロングワイヤー + Magnetic Longwire Balun(カプラ型)
ノイズレベル：-107dBm
信号レベルも低いので、聞いててちょっとザラザラ感があります。
(2) ApexRadio 303WA-2
ノイズレベル：-110dBm
ノイズが低く、信号レベルもそこそこあるので実用になります。この周波数近辺がこのアンテナのベストポジションかもしれません。
(3) BCL-LOOP10 + アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)
ノイズレベル：-104dBm
信号レベルは太いですが、ノイズがちょっと高いですね。一番不利な周波数帯を選んてしまったので、別の周波数ではまた評価が違ってくるでしょう。
(4) BCL-LOOP13 rev2.0 + アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)
ノイズレベル：-110dBm
アクティブアンテナなのに、ノイズレベルがパッシブ型の303WA-2と同じです。信号レベルもそこそこ高いので、了解度はかなり良いです。
以上です。全体的な印象として、この4種の中ではBCL-LOOP13rev2.0が最も了解度が良いアンテナと言えそうです。ただ、バンドによって一長一短があるので、受信する周波数に応じて使い分ける、というのが一番良い運用方法でしょう。
アクティブ同調型のΔLOOPXも、はやいところ調整整備して仲間入りさせよう…
今回は、現在の主力のアンテナ4種について、KiwiSDRで受信比較をしてみました。
まずは0～30MHz全帯域の状況です。
(1) 10mビニール線ロングワイヤー + Magnetic Longwire Balun(カプラ型)
全体的にノイジーです。4MHz近辺と12MHz近辺でさらにノイズレベルが上がってますね。この付近でちょうどインピーダンス的に整合が取れてるのかもしれません。
(2) ApexRadio 303WA-2
いまおそらく国内で一番売れてるBCL用アンテナでしょう。パッシブ型なので一部の帯域を除いてノイズレベルはそこそこ低くて静かです。4MHz以下がかなりノイジーですが、中波放送帯の3倍波付近が盛り上がってるところを見ると、これはアンテナのせいではなくて、KiwiSDRの入力アンプが飽和してるのだと思います。中波帯を落とすフィルタ(HPF)を入れればマシになりそうです。
(3) BCL-LOOP10 + アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)
全体的にかなり静かで信号レベルもしっかりしています。12～17MHz付近のハイバンドが若干ノイジーですが、ループエレメントの自己共振周波数がこの近辺にあり、インピーダンス変動が影響しているかもしれません。
(4) BCL-LOOP13 rev2.0 + アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)
全体的にノイズレベルがかなり低く静かです。ゲインを控えめにしているので、信号レベルがちょっと細いですが、気になるほどではありません。中波帯を落とす軽めのフィルタを入れています。
次に、この時間に良好に受信できるRadio Kuwait(15515kHz)での受信比較です。
(1) 10mビニール線ロングワイヤー + Magnetic Longwire Balun(カプラ型)
ノイズレベル：-107dBm
信号レベルも低いので、聞いててちょっとザラザラ感があります。
(2) ApexRadio 303WA-2
ノイズレベル：-110dBm
ノイズが低く、信号レベルもそこそこあるので実用になります。この周波数近辺がこのアンテナのベストポジションかもしれません。
(3) BCL-LOOP10 + アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)
ノイズレベル：-104dBm
信号レベルは太いですが、ノイズがちょっと高いですね。一番不利な周波数帯を選んてしまったので、別の周波数ではまた評価が違ってくるでしょう。
(4) BCL-LOOP13 rev2.0 + アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)
ノイズレベル：-110dBm
アクティブアンテナなのに、ノイズレベルがパッシブ型の303WA-2と同じです。信号レベルもそこそこ高いので、了解度はかなり良いです。
以上です。全体的な印象として、この4種の中ではBCL-LOOP13rev2.0が最も了解度が良いアンテナと言えそうです。ただ、バンドによって一長一短があるので、受信する周波数に応じて使い分ける、というのが一番良い運用方法でしょう。
アクティブ同調型のΔLOOPXも、はやいところ調整整備して仲間入りさせよう…
BCL-LOOP13rev2.0 稼働開始(2) [アンテナ]
昨日の記事の続きです。BCL-LOOP13が無事動き始めましたが、不具合対策のために受信ゲインを最小に絞ったままでした。ノイズフロアが非常に低いのは良いのですが、信号レベルも低くなって、ちょっと物足りない感じになっているので、ゲインを調整してみることにしました。
このアンテナは2通りのゲイン調整方法があります。基板内のボリウム抵抗を回して調整するか、もしくは電源電圧を変えることによってもゲインが変わります。電源については、手持ちのACアダプタ(6V)による運用にしたいので、今回は基板のボリウムを回してゲインを調整します。
近隣のKiwiSDRサーバーをちょっとお借りして、ノイズレベルと信号レベルを参考にしながら調整しました。こうやって他所の受信環境がカンニングできるのはイイですね(笑)
でも、他所と比較して、ウチの受信環境のS/Nがいかに貧弱なのかが実感できて、ちょっとヘコみます…
今回はついでに、ループエレメントの変更も行いました。ビニール線からアルミパイプへの変更です。今までもう1本のアンテナアンプΔLOOPXのほうに付けていたものをBCL-LOOP13に変更する形になります。(上の写真)
地上高も今までよりちょっと高くなりました。
こちらは、今までのビニール線のループエレメント。こちらには既存のΔLOOPXを取り付けました。アンプとエレメントを入れ替える形になったので「正副交替」ですね。
BCL-LOOP13での受信状況ですが、今のところ発振などは再発せずに順調に動いています。信号とノイズとのバランスが取れたのでさらに了解度は上がると思います。ただ、他所と比べてしまうと劣りますが…
このアンテナは2通りのゲイン調整方法があります。基板内のボリウム抵抗を回して調整するか、もしくは電源電圧を変えることによってもゲインが変わります。電源については、手持ちのACアダプタ(6V)による運用にしたいので、今回は基板のボリウムを回してゲインを調整します。
近隣のKiwiSDRサーバーをちょっとお借りして、ノイズレベルと信号レベルを参考にしながら調整しました。こうやって他所の受信環境がカンニングできるのはイイですね(笑)
でも、他所と比較して、ウチの受信環境のS/Nがいかに貧弱なのかが実感できて、ちょっとヘコみます…
今回はついでに、ループエレメントの変更も行いました。ビニール線からアルミパイプへの変更です。今までもう1本のアンテナアンプΔLOOPXのほうに付けていたものをBCL-LOOP13に変更する形になります。(上の写真)
地上高も今までよりちょっと高くなりました。
こちらは、今までのビニール線のループエレメント。こちらには既存のΔLOOPXを取り付けました。アンプとエレメントを入れ替える形になったので「正副交替」ですね。
BCL-LOOP13での受信状況ですが、今のところ発振などは再発せずに順調に動いています。信号とノイズとのバランスが取れたのでさらに了解度は上がると思います。ただ、他所と比べてしまうと劣りますが…
BCL-LOOP13rev2.0 稼働開始 [アンテナ]
年明けから製作開始していたBCL-LOOP13rev2.0基板ですが、本日ようやく完成にこぎつけ、アンテナとして設置・稼働し始めました。
実はいろいろスッタモンダありまして、一発動作とはいかず、ここ1週間ばかり作者様と相談しながら原因調査と対策をしていました。(ありがとうございました > 作者様)
部品実装後にバイアス電圧が時々おかしくなる現象があり、おそらく発振していたんだと思います。ちょっと欲張ってオリジナルよりも電流を増やし過ぎたのが原因かなと思い、少し控えめな電流設定にしたところ、基板単体としては正常動作するようになりました。(各部の電圧は下の写真の手書き数字のとおり)
ケースはタカチのYM-80に入れてみました。基板ジャストサイズなので部品どうしが干渉して組立しにくくなる失敗をちょっとやらかしました。本当は少し大きめのケースを使うほうが良かったかもしれません。
さらに防水用のケースに入れます。下の3つの穴からBNC同軸ケーブル、ループエレメントの(+)側、(-)側を通して接続します。
さああと一息だ、と思いながらアンテナを仮設置して動作確認してみたところ、先ほどの発振現象が再発し、何も受信できない状態になってしまいました。ここに来てまたかよ～とガックリしましたが、気を取り直して原因調査と対策。
とりあえずゲインを絞るために電源電圧を12Vから6Vへ下げました。ACアダプタを使用しています。これは不具合が無くてももともと後からやるつもりだったことなので特に問題なし。さらに、入力側の浮遊容量を少なくするために、エレメントからの接続線(上の写真の黄色いビニール線)をケースから少し離すようにしました。上の写真ではくっついた状態です。
この2つの策が有効だったようで、発振現象は無くなり、正常に受信できるようになりました。ようやく、アンテナとしての完成です。いやぁ、長かった…
現在、このアンテナはKiwiSDRサーバーに接続中です。
ゲインを抑えているので、受信レベルとしてはちょっと控えめですが、そのぶんノイズフロアが低くて非常に静かなアンテナですね。了解度が上がり、SDRと相性が良いと思います。作った甲斐がありました。
(注)上の受信画面はまだ近所の古いエアコンが動いてる時間帯のものなのでちょっとノイズフロアが高いかも
実はいろいろスッタモンダありまして、一発動作とはいかず、ここ1週間ばかり作者様と相談しながら原因調査と対策をしていました。(ありがとうございました > 作者様)
部品実装後にバイアス電圧が時々おかしくなる現象があり、おそらく発振していたんだと思います。ちょっと欲張ってオリジナルよりも電流を増やし過ぎたのが原因かなと思い、少し控えめな電流設定にしたところ、基板単体としては正常動作するようになりました。(各部の電圧は下の写真の手書き数字のとおり)
ケースはタカチのYM-80に入れてみました。基板ジャストサイズなので部品どうしが干渉して組立しにくくなる失敗をちょっとやらかしました。本当は少し大きめのケースを使うほうが良かったかもしれません。
さらに防水用のケースに入れます。下の3つの穴からBNC同軸ケーブル、ループエレメントの(+)側、(-)側を通して接続します。
さああと一息だ、と思いながらアンテナを仮設置して動作確認してみたところ、先ほどの発振現象が再発し、何も受信できない状態になってしまいました。ここに来てまたかよ～とガックリしましたが、気を取り直して原因調査と対策。
とりあえずゲインを絞るために電源電圧を12Vから6Vへ下げました。ACアダプタを使用しています。これは不具合が無くてももともと後からやるつもりだったことなので特に問題なし。さらに、入力側の浮遊容量を少なくするために、エレメントからの接続線(上の写真の黄色いビニール線)をケースから少し離すようにしました。上の写真ではくっついた状態です。
この2つの策が有効だったようで、発振現象は無くなり、正常に受信できるようになりました。ようやく、アンテナとしての完成です。いやぁ、長かった…
現在、このアンテナはKiwiSDRサーバーに接続中です。
ゲインを抑えているので、受信レベルとしてはちょっと控えめですが、そのぶんノイズフロアが低くて非常に静かなアンテナですね。了解度が上がり、SDRと相性が良いと思います。作った甲斐がありました。
(注)上の受信画面はまだ近所の古いエアコンが動いてる時間帯のものなのでちょっとノイズフロアが高いかも
