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2009年7月3日金曜日

【部品】長波136kHz用バー・アンテナ

長波・中波帯用のバー・アンテナ・コイルのはなし
 バー・アンテナ/フェライト・アンテナと言えばトランジスタ・ラジオ専用部品のイメージがあるのでHAMが使うことは滅多にありません。 HAM局は受信するだけでは済まないので、送信にまったく不適当なバー・アンテナなどに着目はしないのでしょう。

 しかし色々な用途があって重宝することがあります。 私が積極的に使った例としては電界強度計の製作があります。 もちろん簡易なものでしたがホイップ・アンテナが不要なので機動的でした。 バー・アンテナはループ・アンテナの一種であって、この場合は電界強度計と言うより『磁界強度計』と言うべきかもしれません。 ずいぶん前になるのですがMobile HAM誌に製作記事を発表したことがありました。
 シールデッド・ループ構造にしたので周囲から静電的な影響を受け難く便利に使えるものでした。

 そのほかにも、フェライト・コアはコモンモード・チョークやバラン用としても使えます。トロイダル・コアと違って開磁型なので磁気飽和しにくいのが長所でしょう。

                   ☆

 ここでは長波帯ラジオ用のバーアンテナを活用し、新HAMバンド:136kHz帯の機動的な受信機への応用を構想してみたいと思います。受信だけとは言え、大きな外部アンテナなしで受信可能なら有用性があると思います。

 写真はコアの長さが100mmのもので、右側の巻き線が中波帯用(531kHz〜1602kHz)、左の巻き線は長波帯用(153kHz〜279kHz)です。 欧州向けトランジスタ・ラジオ用だったのでしょう。長波帯用の巻き線は分布容量が少なくなるような巻き方がしてあります。

コアの長さ120mmのバー・アンテナ
 バー・アンテナと一口に言っても様々なものがあります。構造やサイズは見ればわかりますが、一番のポイントはフェライト・コアの材質にあります。

 たとえばHF帯用の電界強度計を作るなら短波帯に適したものが必要です。 中波止まりのコア材では透磁率:μ(ミュー)が周波数とともに低下し、Qも2MHzあたりを境に急落してしまい不適当だからです。

 既に巻き線してある時は短波帯への適否も何となくわかります。 しかし結局のところ、こればかりは買って調べてみないと正しく判断できないようでした。 HF帯にも良さそうだと思って入手したものの、性能から見て中波帯止まりだったものはパーツボックスに眠ったままです。

 写真のものは、通販で購入したものです。 残念ながら中波帯より上でQはガックリ低下します。 左の巻き線(L=350μH)が中波用、右側の巻き線(L=3.3mH)が長波用でどちらの周波数でも良好でした。 長波付きラジオの受信周波数は幾らか上下に余裕を持たせてあって約140〜300kHzをカバーするようです。

コアの長さ140mmのバー・アンテナ
 バー・アンテナは断面積が大きく長いものほど高感度です。 同一電界内に置いたときバー・アンテナから取り出し得る最大電力はコアの寸法によって決まってしまいます。

 従って、いくら巻き方を工夫しHigh-Qなコイルを作っても、小さなコアでは・コアサイズによる感度の限界が存在します。

 もちろん、サイズばかり大きくてもだめです。 その周波数帯に適したコア材でなければ高性能は望めません。 ノイズフィルタ用コア材には巨大なものが存在しますが、短波帯どころか中波でも性能は良くありません。 それを使ったバーアンテナはサイズは巨大でも性能は期待通りにはなりません。 あくまでもバーアンテナに適したコア材が使ってある条件下で、サイズの論議がある訳です。コア材が良くなければ幾ら大きくても低性能なのです。

 写真のバー・アンテナは、左のセクション巻きになった巻き線が長波帯用です。 右のソレノイド巻きが中波用、そして中央の小さな巻き線は外部アンテナ用リンクです。 比較的大型で高級なラジオに使うものでしょう。 残念ながらこれも短波帯には不適当だったので上記同様にパーツボックスに眠っていました。 入手したのはまさか長波のハムバンドが実現するとは思わなかった頃でした。

 本格的なアンテナを建てるのとは違いバー・アンテナには限界があります。 幾ら大きなコアを使ったからと言っても自ずと限度があります。 長波でやったことはありませんが短波帯でどこまで聞こえるか試したことがありました。 結論から言えばBCLラジオなど比較にならぬほど高感度になりましたが、最後は熱雑音との戦いとなりそこで終わりました。結局、受信性能はラフに張ったワイヤーアンテナに敵いませんでした。

 限界性能から判断して、バーアンテナは本格的な交信用には不十分です。 しかし簡易なテスト用受信機あるいは電界強度を調べる測定器用には有用性があります。 十分な大きさのアンテナが張れない長波帯では、ある程度効果的に使える可能性もあるでしょう。利用価値の低かったバーアンテナも少しは見直されてきた感じがします。

 上記のどれも長波帯のハムバンド:136kHzには良さそうでした。コアの直径は同じようなものですが、少しでも長い写真のこれが中でも一番有望でしょう。代表して評価してみることにしました。

 Qメータで評価しましたが、ディップメータ(GDM)ほか可変周波発振器+オシロスコープで評価することもできます。 オシロスコープはVTVMで代用しても良いでしょう。 要は共振特性がわかれば良いのです。発振器とバーアンテナがなるべく弱い結合なるように配置を工夫します。 その状態で-3dB帯域幅を測定し、中心周波数を除すれば"Q"になると言う原理的な方法で求められます。

 なお、短波帯に使えるバーアンテナは珍しいので必ず適否を調べるべきです。 中波や長波で使えないものに遭遇したことはありませんから、その周波数で使うのならサイズで選んでも十分だと思います。


L=140mm:バー・アンテナ・コイルの評価
 長波用巻き線の共振特性を調べました。中波用の巻き線は一旦外してしまい、長波用巻き線を中央に寄せて測定しています。

 なお、コア上の巻線の場所が端部と中央部ではインダクタンス、Qともに大きく異なります。 従って使う際の巻線位置を想定したうえで調べないと旨くありません。

 なお、巻き線をコアの中央に置くとインダクタンスは最大を示しQも大きくなって性能が最も良い状態になります。

 巻き線方法でバー・アンテナの性能は変わります。 詳しく調べたデータもあるのですが、目的である長波帯では工夫の余地も少ないうえ性能にも極端な差はありません。 従って適当なインダクタンスが得られるならあえて巻き換えなくても元々の巻き線の流用でも十分でしょう。 リッツ線が巻いてあることも多いのですが136kHzでは表皮効果はそれほど大きくないのでUEW線でも十分です。 但し巻き線どうしが密着すると分布容量が増えて、また近接効果と言ってQが下がる現象も起こるので絹巻き線が好まれます。

素晴らしくHigh-Q
 135kHzにおける無負荷Q(=Qu)は540を示しました。この状態でインダクタンスは4.2mHあって約330pFで同調します。

 長波付きトランジスタ・ラジオではBC帯と同じバリコン(ポリ・バリコン)を使う関係でHigh-L/Low-Cになります。
 おまけにたいへんなHigh-Qです。 これらの条件は一般的に共振インピーダンスが高くなって有利なのですが、それも程度問題でしょう。 同調があまりクリチカル過ぎても困るので使い方を工夫しないといけないようです。(ほか2種類のバー・アンテナもHigh-Qでした)

 試行錯誤が必要なので今から構想を書いても仕方ありませんが、バーアンテナから取り出される電力を無駄にしないような設計にすべきでしょう。 周波数が低周波並に低いことからGaAsやHEMTと言った超高周波用デバイスが適当であるとは言ません。 むしろAudio用のデバイスに良いものがありそうです。 このあたり最高性能を極めるには我々にとって未知の周波数なのです。

長波帯ラジオのフロントエンド・デザイン
 スーパーヘテロダイン式で長波受信機を設計してみましょう。
 長波帯受信機の回路は殆どお目にかからないので、半導体を使ったものと真空管式を設計してみました。 140kHz〜310kHzがカバーできるようにしてあります。

 受信周波数範囲を広めにとったのでアンテナ・コイルは分布容量が少なくなるように巻く必要があります。 なお、この受信範囲はEu標準の長波放送バンドです。 136kHzのハムバンド用ではありません。(HAM用の変更法は後述)

 半導体式の場合、トランジスタ1石の自励式コンバータでも十分実用になります。ここではMixerにDual Gate MOS-FET(3SK73)を使い、Local-OSCにはJ-FET(2SK192)を使いました。少しだけ『通信機』のように設計しました。 FETは入力インピーダンスが高いので、コイルにタップは不要でしょう。 バリコンは最大275pFの等容量2連ポリ・バリコンを使います。
 アンテナ同調回路はかなりハイ・インピーダンスになるので、IFアンプと結合しないよう注意が必要です。 必要に応じてシールドするなど、通信機を作るつもりでやれば問題ありません。 送信アンテナの近傍で使うには必ず保護回路を設けMixerのFETを飛ばさぬように気をつけて下さい。ダイオードを2本使う保護回路でも十分効果的です。

 真空管式は五球スーパのコンバータ回路そのものです。 七極管のコンバータはノイズが云々などと寝言を言うのは現実を知らない人でしょう。 ここはVHF帯ではありませんからきちんとスーパーヘテロダインの調整ができるウデがあれば性能に心配はありません。 こちらは430pFのバリコンを使う設計にしました。従ってコイルのインダクタンスも半導体式とは異なります。

 136kHz帯HAM Bandへの変更ですが、非常に狭いハムバンドなのでこのような本格的なトラッキング設計をしなくても十分です。 従ってごく簡単にできます。 このバンドではRFアンプの必要性は感じないでしょう。 すぐ上にあるBCバンドの放送波は非常に強力ですから混変調を避ける意味で非同調・広帯域な高周波アンプを付けてはいけません。 もし付けるとすれば必ず同調回路形式の「プリセレクタ」にします。

 周波数が低いとは言え、バーアンテナ式の五球スーパを作ったのでは、HAM用としては感度、選択度ともに不十分でしょう。 選択度の良いフィルタを設け、二段以上の中間周波増幅を行なう必要があります。 従って、案外大掛かりな製作になります。  この周波数ではNFはあまり問題にならず、選択度とゲインが十分得られれば良いのでスーパーヘテロダインに限らず、ストレート式(オートダインやダイレクト・コンバージョン式受信機)でも十分実用性があります。

巻き線ストッパー
 バー・アンテナ一般について少しだけ触れておきます。
 コアの上で巻き線を動かすとインダクタンスが変わると書きました。 トランジスタ・ラジオのトラッキング調整は巻き線を動かして行ないます。 調整したらその位置で止まっていないと困るので、このようなクザビ型のストッパーを使います。 

 パラフィンで固めてしまう例もあるようですが、本来は巻き線の位置が加減できるようになっているべきです。 安価なトランジスタ・ラジオでもきちんとトラッキング調整すると驚くほど高感度になります。

巻き線ストッパー(使い方)】
 このように、ボビンとコアの間に差し込んで半固定します。 トランジスタ・ラジオ(スーパーヘテロダイン式)のトラッキングは結構シビアです。 最後はほんのわずかの加減になるのでクサビの入れ方でも変化するくらいでした。 そこまで調整すると6石スーパーも相当高感度なのがわかります。

 6石スーパーと比べると五球スーパーの方が遥かに高感度だという印象を持っているかもしれません。しかし、実際は同等かトランジスタ・ラジオの方が高利得なくらいです。 それはバー・アンテナと言うたいへん不利な『アンテナ』で十分良く聞こえる必要があるからです。 もしバー・アンテナではなく無線用外部アンテナを付ければ聞こえ過ぎて困るほどの感度(ゲイン)があります。6石スーパー侮れずですね。

 バーアンテナは便利ですが比較してたいへん低性能です。 本格的な通信用途にはきちんとしたアンテナが必要ですから、期待しても完全な代替品にはなりません。 しかし、移動運用など機動性を活かす目的にはたいへん面白い素材です。 最大限の性能が発揮できるよう回路的な工夫をして、性能を探求する面白味もありそうです。 まずはバー・アンテナと言う素材から着目してみました。 de JA9TTT/1

                   ☆


バー・アンテナの参考書
"Ferromagnetic-Core Design & Application Handbook"

 一般に入手可能なラジオ関係の書籍でバー・アンテナについて触れているものは殆どありません。 定量的なデータはあまり載っていないのですが、応用回路など載っています。 バーアンテナを使った受信機やARDF用受信機の製作に役立つ情報がありました。

 W1FB/Doug DeMaw(故人)の執筆です。 フェライトコア全般を扱っていて、JAの『トロ活』には載っていないような情報もあるので『コア好き』にはお薦めできそうな一冊です。もし期待はずれだったらゴメンナサイ。(笑)

 出版元はMFJ Publishing Company,Inc. MFJ-3506:S19.95-・・・ISBNは1891237012のようです。 暫く前にネット書店からではなく、MFJ Enterprises Inc.(←リンク)から直接購入しました。 1996年初版ですが、調べてみたら今でも同じ値段で販売されていました。 米国では結構有名な本のようです。

 なお、Amazon.co.jpでサーチすると1万円以上もする古書がヒットします。間違ってもそれを購入しないようにご注意を。新品が送料込み3千円くらいで買えますので。

                    −・・・−

 粗大ゴミの日には古くて大きな『ラジカセ』が捨てられているのを目にします。大きなバー・アンテナが使ってありそうなので回収してみては如何でしょうか?

(おわり)

(Bloggerの新仕様に対応済み。2017.03.31)

16 件のコメント:

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

こんばんは。

バーアンテナというと最近はインターフェア対策用のイメージが強いです。
私もその目的で長めのバーアンテナを数本持ってます。
でもアマチュア無線用のアンテナとしてのイメージは無いですね。^^;

秋月の電波時計キットを60KHzに対応させるパーツセットに水晶とバーアンテナが入っていますが中波用のアンテナよりも向いているのでしょうか?

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE 高橋さん、こんばんは。

早速のコメント有難うございます。
> インターフェア対策用のイメージが強いです。
トロイダルよりも巻き易くて良いですね。大きめのインダクタンスが得られますのでインターフェア対策用に向いてますね。

> パーツセットに水晶とバーアンテナが入っています・・
少ない巻き数で、大きなインダクタンスが得られるようなコア材が使ってあるようですね。 Qが高いか否かは調べないとわかりませんが、悪くないだろうと想像します。
簡単に136kHzが受信できる『アンテナ』として使えるとFBですね。

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

こんにちは。

フロントエンドの回路図ありがとうございます。^^
Euでは長波放送が普及していた?ので
長波対応のラジオICなどがあるのでしょうか?
長波も中波も同じかもしれませんが。^^
TCA440も対応してるかな?

バーアンテナに付いているくさびの意味を初めて知りました。
でもジャンクのバーアンテナはパラフィンで固められている物が多いです。

>6石スーパーと比べると5球スーパの方が遥かに高感度だと・・
私は最近になって5球スーパを始めて使ったのですが、逆にこんなに大きなアンテナを付けないと聞こえないのかと驚きました。
改めてバーアンテナの大きさに対する性能に感心した覚えがあります。

そういえばラジオ少年にも中波専用ですが140mmのバーアンテナが販売されていますね。。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE 高橋さん、こんにちは。

コメント有難うございます。
> Euでは長波放送が普及していた?・・・
いまもヨーロッパ、ロシア地域(第1地域:Reg.1)だけは、長波帯の放送が許可されています。 日本でもロシア極東地域の長波放送が受信できますね。 アンテナは大変ですが超大電力の送信機が作り易く、波高が長いので大きく回折するために地表波が遠方まで届きます。人口が希薄な広大な国の放送に向いているようです。

> TCA440も対応してるかな?
もちろん、コイルさえ長波用に交換すれば使えますよ。

> 大きなアンテナを付けないと聞こえないのかと・・・
お宅が鉄筋コンクリートのマンションだからでしょうね。拙宅のような木造家屋ですと2〜3mのビニール線でも実用程度に聞こえますよ。(笑)

> ラジオ少年にも中波専用ですが140mmのバーアンテナが・・・
国産では無い(タイ国製?)ようでしたが売っていますね。十分長波帯にも使えると思います。確かリッツ線も売っていますね。それを巻くのも良いと思います。リッツ線は端末処理が面倒なので普通のポリウレタン電線でも大差ないとは思いますが。(笑)

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

こんにちは。

別冊CQのNo3に「長波誘導無線受信用アンテナの製作」という記事が載っています。
長いバーアンテナを複数本束ねて太さを稼ぎ、コアの端まで巻線を巻いたら中央まで戻るように2重巻きをして外部から見た電気長をゼロにして磁界だけを受信するようにしているそうです。

そういえば松下のBCLラジオにはジャイロアンテナという名前の回転するバーアンテナが付いていましたね。^^

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE 高橋さん、こんにちは。

コメントどうも有難うございます。 バーアンテナは特殊な話題だったようで、なかなかコメントを頂けないようです。高橋さんに大感謝です。(^^)

> 「長波誘導無線受信用アンテナの製作」という記事が・・
その記事は拝見しておりませんが、無線誘導用(方向探知)のアンテナのようですね。 いまはGPSがあるので、無線航法で長波を使うことも無いとは思いますが、バーアンテナ式は航空機などでポピュラーな方法だったようです。 方位角の精度が問題になるので電界に感じるダイポール成分を打ち消すように巻くのでしょうね。面白いと思います。

> ジャイロアンテナという名前の回転するバーアンテナが・・・
方向探知には有益なバーアンテナの指向性も普通のラジオには邪魔です。無指向性の方が使い易いのですが、クーガーはそれを逆手にとって回転式にし、付加価値を付けたのでしょうね。流石にパナソニックです。(笑)

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

この記事は長波で行われている東京メトロや都営地下鉄などの地下鉄の通信をハンディタイプ広帯域受信機で受信するためのバーアンテナです。
説明不足で申し訳ありません。^^;
JJ1GRK 高木OMの記事です。
長波帯ハムバンド解放に備える実験とタイトルには書かれています。

中国製ARDFのキットもバーアンテナでした。
http://ham-ing.net/ardf/pj80manual/pj80photo_intro.htm

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE 高橋さん、了解ですよ!

> 地下鉄の通信をハンディタイプ広帯域受信機で・・
なるほど。 誘導でも違う物だったようですね。Hi Hi

> 中国製ARDFのキットもバーアンテナでした。
短波帯ARDF用はホイップと組み合わせてハート形の指向性にしていますね。 WWIIでドイツ軍が占領地でレジスタンスの無線を探すのに使っていたものと同じ原理だと思います。ドイツ軍のはバーアンテナではなくて本物のループ+ホイップです。 バーアンテナ式だと小型にできるのでFOXハント用には最適ですね。

tani さんのコメント...

JR2ATU澤村です。
拙宅では中波の受信環境が劣悪なので、バーアンテナとバラクタを塩ビパイプに収めたものをベランダに設置してあります。リンクコイルにバラクタのコントロール電圧を重乗して同軸で引き込み、もう一度リンクコイルでバーアンテナに。ラジオの上に乗っけてます。何もないと市販のまともなラジオでも機種差がわかる位なので、「初歩のラジオの世界」ではとても聞こえません。まあ聞くのはナイター中継と非常時(台風、地震等)の時のNHKぐらいですが。たまにラジオ深夜便も………。

TTT/hiro さんのコメント...

JR2ATU 澤村さん、こんばんは。

コメント有難うございます。
> 中波の受信環境が劣悪なので・・・
中波ラジオはどこでも良く聞こえるような錯覚をしておりました。拙宅のあたりでは、むしろ強力過ぎて困るくらいなのですが・・・。(^^;

> バーアンテナとバラクタを塩ビパイプに収めたものを・・
リモート同調の外部アンテナですね。 マンションなどシールドされてしまう場所にも良さそうですね。 昨今、学研のラジオや懐かしい並三ラジオを製作されるOMさんも多いようですが、お住まいによっては良く聞こえなくて、ガッカリされるようです。

> 「初歩のラジオの世界」ではとても・・・
私が『初歩のラジオ』だったころは地方に住んでおりました。幸いローカル AM局があったのでゲルマや1石レフでもその局だけはバッチリ。他は旨くなかったですねえ。あと聞こえたのはモスクワ放送くらい。あれは強かった。(笑)

> たまにラジオ深夜便も………。
私はナガラ族なのでジェネカバ機でNHKを聞きながら・・と言うのも多いです。最近は朝が早いのでラジオ深夜便にお付き合いできません。(^^;;

JO3RJG/kishimoto さんのコメント...

はじめまして、BCLをメインにやっております。18cmのバーアンテナを9本束ね、1SV149で遠隔同調後2SK241で増幅したアンテナで中波を聞いてます。こんなアンテナでも北米の中波局が聞こえますので良いです。
長波帯ハムバンドも受信に関してはバーアンテナが良いと思います。

TTT/hiro さんのコメント...

JO3RJG 岸本さん、こんばんは。

コメント有難うございます。
> 北米の中波局が聞こえますので良いです。
実際に中波帯のBCLに使って好成績が得られているようですね。そのような例を以前から興味深く拝見致しておりました。

ハムの136kHzの場合は、なにしろパワーが小さいので北米やEuが簡単に聞こえるとは思えませんが、比較的近距離なら可能性もあると思っております。 バーアンテナでしたら移動受信も容易ですから、自局のテスト電波の確認にも良いのではないかと考えています。機動性重視でコンパクトに製作すると良いでしょうね。

またお気軽にコメントお願いします。

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

こんばんは。

バー・アンテナの参考書もあちらにはあるんですか、さすがですね。^^

いま規格がわかるバーアンテナはあさひ通信ぐらいしか入手出来ないと思うのですが、AMラジオが作られる限りはどこかが製造しているのでしょうから今後もしばらくは入手出来るかな?

短いコアを接着して長くしても同じ効果が得られるのでしょうか?
それならばコアを接着してロ型のアンテナを作れば効率が上がりそうです。Hi

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE 高橋さん、こんばんは。

いつもコメント有難うございます。
> あちらにはあるんですか、さすがですね。^^
日本でもプロ向けのトランジスタラジオ設計本に詳しい資料があった筈ですがとっくに絶版でしょうねえ。(^^)

米国はなかなか絶版にしないようなので、特殊な分野の本もニーズがある限り続くようですね。磁気コア関係の本は他にもあります。トロ活が無くなっても心配は無用でしょう。(笑)

> 接着して長くしても同じ効果が・・・
どうしても多少のギャップができるので、一体物と完全に同じではありませんが、束ねる効果はありますね。

> ロ型のアンテナを作れば効率が・・・
閉磁型に近くなるのでコイルとしての効率はアップしますね。ただ、外の磁束(電波)がコアの中を通り抜けにくくなるので感度はガタ落ちしてしまいそうですよ。hi hi

セラミックスなので焼きにくくなるのでしょうが、野球のバットくらいのコアが手に入れば面白そうです。重そうですけど。(笑)

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

>一体物と完全に同じではありませんが・・
「アマチュア無線アイデア百科」にバーアンテナのコアがケースに入らないときには折ってL型にしても良いと書かれていたので。
でも考えればそんなに綺麗に折るのは難しいですね。
落とすと簡単に折れますが。Hi

>閉磁型に近くなるのでコイルとしての効率はアップしますね・・
たしかに、それではトロイダルコアと同じでした。^^;

>バットくらいのコアが手に入れば・・
最大のコアはどれくらいの大きさなのでしょう?
こればかりは自作するわけにもいかないですし、特注はコストがかかりすぎるので手に入る物で何とかしないといけないのが残念ですね。

TTT/hiro さんのコメント...

高橋さん、さっそくのRes有難うございます。

> ケースに入らないときには折ってL型にしても良いと・・
たぶん、割ってL型に接着するとインダクタンスも変化してしまうと思いますが、ケースのサイズに短くしまうよりはずっと良いのでしょうね。流石にアイディア百科です、hi

> 最大のコアはどれくらいの大きさなのでしょう?
軍用の物に大きなのがあるらしいのですが・・・たまたまジャンクがあれば別ですが手に入らないでしょう。 1本10万円と言われても困るので特注は非現実的でしょうねえ。 陶芸釜で焼ければ面白いと思うのですが・・・フェライトは茶碗のような訳に行かないでしょう。(笑)