【Antenna】Making a 30m-Band Whip Antenna

【30mバンドのホイップ・アンテナを作る】

abstract
The 30m band is a new HAM band in Japan; it has been authorised since 1 April 1982.　Only HAMs with an advanced licence can on-air in the 30 m band.　Therefore, few HAM stations on the air are available, so existing antennas are limited. High performance 30m band antennas for mobile use are unlikely.　If not, it is best to build your own. I build high efficiency 30m band antennas. (2024.02.24 de JA9TTT/1 Takahiro Kato)　

【30m Bandとは】
　30mバンドは10.100MHz〜10.150MHzの50kHz幅を持ったHAMバンドです。WARCバンドの一つで日本では1982年4月1日から割り当てられた比較的新しいHAMバンドです。かつてはSSBもオンエアできたのですが現在は狭帯域の電波モードしか許可されていません。　具体的にはCW（無線電信）やF1D（FT-8やJT-65などのデジタルモード）が代表的です。

　7MHz（40m Band）と14MHz（20m Band）の中間にあって海外へもよく飛ぶ周波数ですが２アマ以上の資格が必要なHAMバンドです。　そのためニッチなHAMバンドの扱いであり市販のアンテナは限られているようです。　他のバンドとの抱き合わせ製品はあっても10MHz用のホイップアンテナのようなバンド専用品はほとんど選択肢がありません。

　ニーズがない以上、既製品が少ないのはやむを得ないとして欲しくなるようなメーカー製品がないなら自分で作るしかありません。　どんなアンテナが欲しいかと言えば輻射効率に優れるアンテナです。　モバイル局は50Wに制限されています。そんなモバイル局ではあっても、できるだけ良い（強力な）電波が飛ばせるようなアンテナが欲しいものです。　いくらスマートで体裁が良くても飛ばないものはアンテナにあらず、ダミーロードなんてねえ・・・。（考え方は各局それぞれです・笑）

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　よく飛ぶアンテナは誰しも欲しいでしょう。しかし車載アンテナは走行中の安全を考えて機械的な強度や構造を考えねばなりません。従って自ずから寸法・形状や構造に制限が生じます。それにいくら良く飛ぶとは言っても見た目が大げさで手軽さがなければ商品性はありません。メーカー品は「売れてなんぼ」のものなのでお客さんの購買意欲を誘うような方向へ向かいます。

　CWやデジタルモードを走行しながら運用することはありません。危険なので試みない方が賢明です。　半固定での運用に限定すれば輻射効率を追求する方向のアンテナが作れるかも知れません。　材料や手加工の限界で理想通りは難しいとしても可能な範囲で良いアンテナを目指したいと思います。　望むものが無ければ「自分で作る」ということです。

【なせ30m Band(10MHz）なのか？】
HF帯のメジャーバンドは7MHz帯や14MHz帯です。それに対して10MHz帯はマイナー・バンドなので空いています。従って弱い局でも拾ってもらいやすいです。これが「なぜ」の答えです。　実際に各局運用の様子を見ると昼間は国内が、また早朝や夕刻にはDX局もよく入ってきます。　国内、海外と満遍なく楽しむには向いたバンドと考えてモバイルからHF帯オンジエア最初のバンドに選びました。

【ローディング・コイルが命】
　ジャンク箱の奥深くからエアー・ダックス・コイルを発掘しました。　然るべきボビンに銅線を巻いて「良いコイル」を自作しようと思っているのです。　そのためにはどんな仕様の（インダクタンスの）コイルが必要か知る必要があります。

　まずは既製品のコイルで様子を見ることにしました。　そのためにエアー・ダックス・コイルを使って実測によって必要なインダクタンスを求めたいと思います。

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　初めはそう思っていたのですが、エアー・ダックス・コイルを評価したところ思っていたよりもQが高く高性能だとわかりました。　最終的にはそのままローディング・コイルとして使うことにしました。　ただし機械的な強度に乏し構造なので実装方法に工夫を要します。

　このコイルはNo.401016という型番です。　直径が40mmで、太さ（線径）が1.0mmの錫メッキ線を巻線のピッチが1.6mm（=線と線の隙間が0.6mmのスペース巻き）になるように巻けば同等品が作れます。
　30m Bandの短縮型ホイップアンテナを全長が約150cmのセンター・ローディング形式で作る場合、ローディング・コイルのインダクタンスは20μH前後になります。もちろん輻射エレメントの寸法・構造によって幾分かは違ってきますが、大幅に違うことはなくてほぼ近似のインダクタンス値になるはずです。

　エアー・ダックスがなければ同等のインダクタンスが得られるコイルを巻けば良い訳です。　短縮アンテナはコイルが命ですから可能な限りHigh-Qが得られるよう巻きます。　上手に巻くとこのエアー・ダックスよりずっと良いコイルが作れます。

【インダクタンスを求める】
　後ほどの話で出てきますが必要なコイルのインダクタンスは計算することもできます。輻射エレメントの形状寸法などが決まればかなり精度よく求まります。

　初めに計算すれば良かったのですが、いきなり実測でインダクタンスを求めてしまいました。そのような方法でも良いわけです。写真がその様子です。　実験ですのでコイルは裸の状態です。サポートも単にハンダで止めただけなので機械的な強度はまったくありません。

　まずはじめにコイルより下部と上部の輻射エレメントを製作します。　上下ともに最終形状に仕上げるのがポイントです。　上下のアンテナ・エレメントができたら中間にエアー・ダックス・コイルを仮止めして調整開始です。できるだけ最終に近い状態になるようコイルを取り付けておくと仕上げの調整が容易になります。

　共振が確認でき、巻き数が確定できたらコイルのサポート構造を考えることになります。　最初の写真のようにコイル全体をプラ製の容器に収める方法を採用しました。

　コイルは容器のふた部分に接着剤を使って固定しました。　アンテナを付けたまま高速走行できるほどの強度は見込めませんが着脱の繰り返しや少々の風圧くらいで壊れることはないでしょう。　走行しながら使うことは想定していませんが車載アンテナは「しなる」ことを考慮して接合部分に柔軟性を持たせる構造にします。

【タップを変え共振追求】
　タップの位置を変えながら共振周波数が目的の10.125MHzあたりに来るように追い込みます。

　コイルはタップが取り出しやすいように一回おきに凹ませておきます。　順次タップをクリップで掴みながら共振周波数を測定します。（nanoVNAを使いました）

　これでコイル何回分が必要なのか実地でわかります。　No.401016の場合、29回巻きで良いようでした。（注：これは他の要素によって幾らか違ってきます）　今回、コイルはそのまま使ってしまうのでインダクタンス値は知らなくても問題ありません。しかし知っておけば後々役立つので実測しておきました。19.57μHありました。Qu=255でした。後ほど出てきますが、計算で求めたインダクタンス：20.23μHと実測値との誤差は-3%とわずかです。

　オンジエアする前の微調整は上部エレメントの伸縮によって行ないます。　上部のエレメントは6段のロッド・アンテナ（テレスコーピック・アンテナ）を使っています。　コイルを調整して共振点を求める際は完全に伸ばさずに上部エレメント1段の半分相当分だけ縮めておきます。　あらかじめ伸縮両方向の「調整しろ」を確保しておきます。もちろん全部伸ばしておきバンドの低端に合わせると言った方法もアリです。

【インピーダンス・マッチング】
　短縮型アンテナの給電点インピーダンスは50Ωにはなりません。効率の良い短縮アンテナなら必ず低くなるはずです。　このアンテナの場合、おおよそ17Ωくらいが見込まれます。

インピーダンス・マッチングにはいくつかの方法があります。
（１）マッチングトランスを使う方法：透磁率の大きなフェライトコアを使いオート・トランス形式のマッチングトランスを作ります。広帯域な特性が得られるため、オート・アンテナチューナがRigに内臓される以前はよく使われました。
（２）インピーダンスマッチング回路を設ける方法：アンテナチューナと同じ考えですが、コンデンサ：Cとインダクタ：Lを使ったタイプはインダクタをローディングコイルの一部に含める方法で簡略化できます。単に給電点にコンデンサを付けるだけで済みます。（写真の方法）
（３）何もつけない方法：Rigに内臓のオート・アンテナチューナに頼るか、外付けの直下型チューナを使います。　ただしRig内蔵のチューナはリアクティブな負荷に対する整合範囲が狭くてうまく行かないことがあるようです。

　ここでは（２）の方法を採用しました。　Blogに計算式を書くと嫌がられるので省きますがアンテナ関係の書籍に計算方法が出ています。　追加になるインダクタンスは約0.4μHですからローディング・コイル（約20μH）に含めることは容易です。根元に入れるマッチング用コンデンサは計算では433pFですが近似値の470pFにします。耐圧500Vのディップド・マイカ・コンデンサを使いました。コンデンサは給電点に直接ハンダ付けします。（最終的には自己融着テープで覆って防水対策しました）

【トップ・エレメント】
　ローディング・コイルから上部のエレメントはロッド・アンテナを使っています。6段の伸縮式で完全に伸ばすと101.5cm（ネジ部含む）あります。ずいぶん前のHAMフェアで調達したものです。拙宅の長期在庫品（不良在庫品とも言う）だった物を使いました。

　先端には金属製の「コマ」が付いています。短縮アンテナの場合、良いコイルを使いしかも接地抵抗が低いと非常にHigh-Qなアンテナになります。
　そのようなアンテナでは10W程度でも先端部が非常に高電位になり尖っているとコロナ放電することがあります。「コマ」が付いていれば大丈夫な場合も多いのですが更に容量冠も付けると放電対策には効果的です。（放電が始まるとSWRが悪くなります）

　大型の容量冠はアンテナ短縮にも効果があって好都合です。円環を数本のスポークで保持する構造が一般的です。この製作例では構造を簡単にする目的で８の字型の容量冠を設けました。　手持ちのテフロン被覆銀メッキ線：φ1.0mmを使いました。被覆を剥いで要所をハンダ付けして固定しました。　できたらバネ性のある材料の方が好ましくて、燐青銅の細線にメッキしたものが手に入れば理想的です。

　写真の部分がロッド・アンテナの1段分に相当します。この部分の伸縮で共振周波数は約470kHz上下できました。（10MHz付近で）

【10MHz Whip AntennaのSWR特性】
　写真は10MHz ホイップ・アンテナのSWR特性です。（黄色のトレース）

　10.0MHzを中心に上下500kHz幅で観測しています。　10.110MHzがSWRのボトムでSWR=1.3程度になりました。
　インピーダンス・マッチング回路をもう少し追い込むと更にSWRを下げられるでしょう。しかしまずまずと言ったところでしょうか。

　このアンテナは全長1.5mの超短縮型で・・・短縮率は80%でフルサイズの20%の長さしかありません。　原理上このようなアンテナが狭帯域な特性になるのはやむを得ません。

　10MHz帯のバンド幅はたったの50kHzですが微調整なしではフルにカバーできません。　従ってオンジエアする際は先端を伸縮させ共振周波数を微調整します。　CWあるいはデジタルモードに合わせ先端をわずかに伸縮すれば常にベストな状態でオンジエアできます。　先端部に目印を付けておいたので素早くセットできます。

【アンテナは飛ばなくては・笑】
　送信に使うアンテナは良く飛ばなくては価値がありません。聞こえるだけではダメです。

　さっそく近所の空き地へ移動してテスト目的にオンジエアしてみました。
　写真は自局電波の飛びがわかるPSKRと言うサイトの画面キャプチャです。これは10.136MHzのFT-8モードでCQを出した際の反応です。時刻は日没の30分ほど前で、トランシーバの送信パワーは50Wです。

　こんな超短縮アンテナですが北米、オセアニアそして東欧方面にも届いているようです。　もちろんコンディションにも助けられていますがあまりにも輻射効率が悪いとちらほらしかレポートが上がってきません。　全長わずか1.5mのアンテナですがそこそこの飛びが期待できそうです。　　これくらい飛んでくれればよく飛ぶアンテナとして満足できます。

　今さらですが、このアンテナは「接地」が重要です。もし給電点の直近で良好なボディーアースができていないなら「磁石アース板」（←参照リンク）を併用します。　このオンジエアでも磁石アース板：800pFの物を2枚使いました。

【先に計算すべきでした】
　センターローディング形式の短縮アンテナを計算するPCソフトを使っています。　アンテナ関係の書籍など参考にして目的とするアンテナの計算に特化したものです。　電卓での計算を補助する程度のもので元はプログラム電卓用でした。

　計算の主目的はローディング・コイルのインダクタンス値を求めることにあります。　簡易なソフトですが計算で得られたインダクタンス値は実際とよく合うのでアンテナ作りに重宝しています。　25年ほどまえモバイルからHF帯にオンジエアしようと思ったときアンテナ製作にかなり苦労しました。問題はローディング・コイルに皆目見当がつかないことでした。それでインダクタンス値を算出するソフトを作りました。　今回の製作でも先に計算しておけば試行回数をいくらか減らせたはずでした。

　ほかにコイル計算のソフトも使います。形状寸法・巻数からインダクタンスを計算するものと、逆に必要なインダクタンスに対する最適寸法と巻数を決めるものです。短縮アンテナにはコイルが付きものなのでこうしたソフトが役立ちます。　コイルの関係はネット上にも計算してくれるサイトがあって利用すると便利です。

　車載用に限らず短縮アンテナの製作は手探りになりがちですが可能な計算は行なってなるべく根拠に基づいて作りたいと思っています。もちろん最後の詰めはカット＆トライになりますけど。hi hi

【30m Bandホイップ・アンテナのまとめ】
　各部をバラバラに説明したので分かり難かったと思います。まとめのために手書きのイラストを載せます。どんな形状のアンテナを作ったのかわかり易く伝われば幸いです。なお、上部が94cmとなっているのはやや縮めて使うことを想定しています。

　モバイル用のアンテナを手作りするHAMがいなくなったためかHAM雑誌では製作記事を見かけなくなったようです。
　適当な材料さえあれば手作りでメーカー製より輻射効率の良い・・・良く飛ぶアンテナが作れます。　自分の手を動かして飛びを楽しむHAMがもうちょっと増えてほしいものです。

　このアンテナの寸法・形状はおもに手持ちの部材に合わせて決まったものです。拙宅の物置を探してたまたま見つけた材料で作りました。手持ちのジャンクも活用しました。　従って寸分違わずまったく同じように製作されることをお勧めするものではありません。

　寸法を示すことでおおよそどんなものを作れば30mバンドのアンテナとして機能するか明確にできたらこのBlogの目的は達成できたと思います。

　ぜひご自身の部品事情に合わせたアレンジでVY-FBなアンテナを製作されて下さい。さらに工夫することで、より良く飛ぶアンテナが作れるでしょう。

　アンテナの手作りには苦労や悩みも付きものですが、良く飛ぶアンテナが出来上がったときの満足感はなかなか大きいものです。 　アンテナは無線通信の核心に迫る技術分野ですからなかなか面白い世界です。奥深い領域でもあります。　そして好き勝手な形式のアンテナを次々試して遊べるなんてアマ無線局だけの特権です。（左はアンテナ取り付けのイメージ図）　次回Blogでは40m Band / 7MHz用のホイップ・アンテナを作ります。　　ではまた。de JA9TTT/1

（つづく）fm