2024年3月25日月曜日

【Antenna】Making a 40m-Band Whip Antenna

40mバンドのホイップ・アンテナを作る

abstract
I have built a 40m Band Whip Antenna. This antenna is designed to enjoy HAM by carrying a radio station in a car and moving it around. This antenna has the same structure as the 30 m band antenna introduced in two previous Blogs. Of course, the resonant frequency is different. The construction was easy as I used some parts specially designed for whip antennas. The finished antenna sounds good and radiates well. (2024.03.25 de JA9TTT/1 Takahiro Kato) 

モバイルアンテナの材料
 40m Band:7MHz帯はHF帯(短波帯)のメインストリートでしょう。ライセンスに関係なく初級局からオンジエアでき国内に満遍なく飛ぶうえ夜間ともなれば海外へも飛んでくれます。それだけに混信も激しいのですがいつも誰かがオンジエアしているので交信相手には事欠きません。

 波長:λは40mもあります。 1/4・λでも10mもあってモバイル用のアンテナは超短縮型にならざるを得ません。 それだけに輻射効率の良いアンテナは難しくなるのですが上手に作れば十分楽しめるだけのものができます。

 写真は手持ちのアンテナ製作用パーツです。 今回は活用する最後のチャンスと考えて長いこと温存していた専用の部材を投入することにしました。 茶色のパイプ状がグラスファイバ・ロッドで、以前HF帯のモバイル運用が流行ったころヘリカル巻き短縮アンテナの製作によく使われた素材です。 その下がそれに適合するコネクタ部でM型になっています。一番下は6段のロッド・アンテナで30m Bandのホイップ・アンテナに使ったものと同じです。完全に伸ばした全長は101.5cmのものです。 各部材の入手・代替などに関する情報は後ほどあります。

                     ☆

 再びモバイル用アンテナ製作の話に戻ります。 30m Bandは楽しいHAMバンドですが30mのアンテナだけではオンジエアの幅が狭くなってしまいます。これから40m Band用のモバイル・ホイップ・アンテナを製作します。やはりHF帯のメインストリートに出たいですね。 FBなアンテナができたならドライブの楽しみも広がります。
 製作するアンテナの基本構造はすでに前のBlog(←リンク)で扱った30m Band用と同じセンター・ローディング形式です。 実用的な性能が得られた実績を重視し同じ形式にしました。 もう一つの理由はセンター・ローディング形式なら設計手法が確立しているため試行回数が少なく済むからです。
 ヘリカル巻きの短縮型も面白そうに思ったのですが製作経験がないので諦めました。 従って既に前のBlogをご覧でしたらアンテナ形式そのものに目新しさはないでしょう。 しかし、もしお暇ならお付き合いください。 Somithing NEWはあるはずです。

エア・ダックス・コイルと切断治具
 40m Bnadのホイップ・アンテナでも短縮コイルにエア・ダックスを使います。 コイルはボビン(巻枠)に自分で巻いて作れるパーツですが、手持ちを温存する意味もないので積極的に使うことにします。

 型番はNo.401016で30m Bnadのホイップ・アンテナに使ったものと同じです。 流石に太めの線を巻いた空芯コイルだけあってQu=300が得られます。自作すればもう少しHigh-Qなコイルも十分可能なのですがQu=300はけして悪い数字ではありません。かなり良い性能と言えます。 活用することにしました。

 エア・ダックスの切断に使えそうなプラスチックス切断用の治具(写真手前)があったので使ってみました。 コイルの「巻き」をあまり無駄にせず綺麗に切断可能ですがそもそもエア・ダックスが手に入らないパーツなので・・・道具もあまり意味はないかも。w

40m用センタ・ローディングANTの設計
 今回は計算してから製作を始めました。 ただし設計アプリを使うためにはアンテナ・エレメントの寸法が明確でないと始まりません。
 具体的にはコイルより下側のベースセクションと上側のトップセクションの寸法です。長さと平均径が必要です。 また容量冠の有無と、もし使う場合はその寸法・構造も必要です。

 下部・ベースセクションに使うグラスファイバ・ロッド(上記写真で茶色のパイプ)は、長さ:L=140cm、元口径=1.4cm、先端径=0.55cm、肉厚=1mm程度のものです。ただし細い先端部は使いません。 コイルより上部のトップセクションは伸縮可能なロッド・アンテナ(テレスコーピック・アンテナ)を使います。 従ってグラスファイバ・ロッドは適当な寸法で切断しました。

 センタ・ローディング・アンテナの輻射効率はRF電流の腹にあたる下部セクションの影響が大です。 全長を一定とすればRF電流が小さくなるコイルより上部を長くするよりもRF電流が大きい下部セクションを長くした方が有利です。ボトムローディング形式は構造的に有利ですが輻射効率では最低と言えます。 だからと言って短絡的な考えでコイルを最頂部に置くのがベストかと言えば、そうではありませんが・・・。

参考:簡単に言うと先端に行くほど共振に必要なインダクタンスが増えHigh-Qなコイルの製作・保持が難しくなります。接地抵抗を仮定しローディング・コイルのQをパラメータとして計算すれば最適なコイルの位置が求まります)

 種々の要素を検討してグラスファイバ・ロッドは元口から82.5cmのところで切断しました。 ただし一部はコネクタ部とコイルのサポートに取られるので電気的に有効な長さは実測67cmになりました。 上部セクションはロッド・アンテナそのものなので長さ101.5cmありますが、使用時にはやや縮めて使うことを想定し96cmとして計算しています。 先端の容量冠は実際は8の字型ですが等価的に直径8cmの円形でスポークは4本として計算しました。 接地抵抗はとりあえず10Ωとしておきますので効率計算は参考値です。

 必要なローディング・コイルのインダクタンスは約42μHと計算されます。エア・ダックス・コイル:No.401016はちょうど40回巻きが必要です。 コイルのバラツキおよび計算誤差などを考慮して数回(3回)多めに切断しておきます。

ローディング・コイルの調整
 おおよそのインダクタンスは計算で求めてあります。
 エアダックス・コイルのインダクタンスは付属のチャートから求められますが、かなりラフなものです。 実際にはQメータで測定してインダクタンスを確認しておきました。(どうせタップで加減するので事前の精密な測定は必要ありません)

 上部エレメントからクリップ付きリード線を出しコイルの巻き線を摑んで共振する周波数を探ります。

 超短縮なアンテナは狭帯域になりがちです。SWRが下がり実用となるのは共振周波数付近の狭い範囲になります。ほぼスポット周波数と言えます。正確に7050kHzあたりで共振するようコイルを調整しました。 実際に使用する際は上部のロッド・アンテナ部分を伸縮させてオンジエアする周波数にぴったり合うようシビアに加減する必要があります。 もしもブロードな周波数特性を示すならその短縮アンテナの輻射効率はかなり低い可能性があります。これはご参考までに。

 コイルの調整に際してロッド・アンテナの長さは±に調整できるよう適度に縮めた状態で行ないます。 伸ばし切った状態で決めたら共振周波数を低い方へ調整できません。

ケースを被せてローディング・コイル完成
 防水・防滴構造ではありませんが多少の天候変化なら大丈夫なようにしておきます。

 コイル全体をプラスチックス製のケースに収納してあります。 このケースは200mlのサンプル容器というものです。 蓋の部分を下にして逆さまに使っています。ローディング・コイルは蓋の部分に固定されています。

 容器は適当な寸法の手持ちがあったので使いましたが100均で様々なものが手に入るので適当なものを見つければ良いでしょう。なお金属製の容器はインダクタンスやQへの影響が大きいため使うべきではありません。
 もし走行しながら使えるアンテナを作りたいなら十分な検討が必要です。 破損がないように構造や部材を吟味しなくてはならないでしょう。

 このアンテナは車をどこかに停めて半固定でのオンジエアで使うことを前提に考えています。移動運用地に到着してからアンテナ基台に装着します。 着脱で簡単に壊れないよう相応の機械的な強度は考えていますが停車した状態で使うべきでしょう。 アンテナ基台もそれほど大型ではありませんから車体への固定が十分に強固とは思えません。ある程度可能かもしれませんが大きめのアンテナを付けたままの走行は安全ではないでしょう。

コイルは発熱する
コイルのQが無限大でない限り必ずロスが発生します。5Wと言ったQRPなら発熱量はたかが知れていますが移動局の限度いっぱいの50Wも出すと馬鹿にできません。

このアンテナの場合、入力電力の約35%がコイルで熱になる計算です。Qu=300というかなり良いコイルを使っていてもそれだけのロスが発生します。 例えば送信電力:50Wとしてコイルでの損失は18Wくらいになります。これは無視できない発熱量です。

テストの段階で連続的な送信を行なったところ「共振周波数の跳躍」が見られました。 約30kHzほど上昇したのです。温度上昇によって製作時の機械的なストレスが解放されたものと考えられます。 その後は50Wでのオンジエアでも変化を感じないので安定したようです。

インピーダンス・マッチング
 C-L型のインピーダンスマッチング回路を付けました。
 この部分も30m Bandのホイップ・アンテナと同様の構造です。ただし容量値は異なります。
給電点のインピーダンスを想定して計算すると、必要な容量値は約610pFになりす。計算自体がアバウトなものですから680pFのディップド・マイカ・コンデンサで間に合わせました。 マッチング回路のインダクタンスは約0.54μHでローディング・コイルに含めることで省略できます。

 写真でアンテナ下部の構造がわかると思います。グラスファイバ・ロッドは同軸ケーブル(10D-2V)を剥いて作った網線で覆われています。

 これは下部エレメントを低抵抗に作ってロスを減らし、しかも太くすることで静電容量を大きくする目的があります。 アンテナのキャパシティをできるだけ大きくすることで、なるべく少ないインダクタンスのローディング・コイルで共振させるようにします。

 もちろん銅の網線が裸のままでは錆びてくるのでテープを巻いておきます。ビニル・テープなどではなくて自己融着テープが最適です。自己融着テープは高周波的な特性も悪くありません。自己融着テープも最近はホームセンターの電材コーナーに置いてあります。 もし手に入れば太い熱収縮チューブを使うと体裁よく仕上がります。

マッチング部の防水
 マッチング回路のコンデンサを含めてテーピングしておきます。これでコンデンサが取れてしまうことも防げます。

 この部分で意外に厄介なのはコネクタ部とのハンダ付けです。 コネクタ部分はクロームメッキされていて、普通のハンダ付けができないからです。これはコイルより上部のロッド・アンテナ部分も同じです。

 ホームセンターへ行くとホワイト・メタル用と言うフラックスが見つかります。是非ともそれを使ってハンダ付けすべきです。
 メッキを剥がす方法もありますが材質によっては母材にハンダ付けできないことがあります。 機械的にカシメても良いので確実な接続ができるようにします。高周波回路は接触不良を嫌いますから効率低下が起こらぬようにしたいものです。

 (注意:フラックスは酸化性が強いので残存していると錆が出ます。十分な洗浄を!)

10MHzと7MHzのWhip Antenna
 完成した7MHzのアンテナを並べてみました。左が先に作った10MHzで右が7MHzです。 基本的に同じ構造ですので良く似ています。

 写真ではわかりませんが後から作った7MHzは改良された箇所がたくさんあります。 やはり2つ目の製作ともなると最初の経験が活きてきます。 部材も残り物の間に合わせから専用品に代わった部分もあって作りやすさにも違いがありました。

 ローディング・コイルのサポート構造は特に進歩した部分です。 10MHz用は主要部分をエポキシ系の接着剤(アラルダイト・ラピッド)で固定し、材質的にエポキシ系で無理があった所をセメダイン・スーパーXという万能接着剤で固定していました。全面的に接着剤に頼る方法です。 7MHz用ではエアダックス・コイルの構造に着目し蓋の部分に樹脂のセパレータ(4本)に合わせた穴加工を行なって固定しました。接着剤は要所に必要最低限だけです。機械的な強度はずいぶん向上し、見た感じも良くなっています。

 まったく異なるタイプのアンテナを作ったほうが自作としては面白いのですが、同じ構造なら製作経験を活かすことができ改良に繋がります。実用品を作るという趣旨から言えば悪くない選択だったのではないでしょうか。

車載した様子
 写真は車載した様子です。コイルより下部のベースセクションが長くなったため10MHzにも増して印象的になりました。

 全長は約182cmあります。 装着して走行することはないので支障はないと思います。 コネクタ部分が専用品になったのでベース部分の機械的な強度はずいぶん向上したと感じます。 長くはなっても安心感はアップしています。

 写真では見えにくいですが頂部に8の字型のキャパシティ・ハット(容量冠)が付いているのも10MHzのホイップANTに同じです。

磁石アース板
 周波数が低くなったことからボディーとの結合容量の不足が気になりました。 写真のように小型版(強磁力の方)を2枚使って調整していたのですが、A4版の大きい方を追加してみました。

 多少の変化は見られますが大きな違いはないことがわかったので現在は写真の状態で実用しています。 もちろん磁石アース板なしでは不安定なうえ調整も狂ってしまいまったくダメです。(笑)

7MHz Whip Antennaの共振特性
 写真はnanoVNAで観測した7MHzホイップ・アンテナのSWR特性です。7.0MHzを中心に±500kHzの範囲で観測しています。

写真を見ますとSWRが低くくて使用可能な周波数帯域幅はたいへん狭くなっています。 スポット的と言っても良いでしょう。 高い輻射効率を狙ってできるだけロスを減らした短縮アンテナはかなりHigh-Qになります。 そのため実質的に共振周波数付近のごく狭い周波数範囲でしかオンジエアできません。

 FT-8やJT-65(廃れましたが・笑)のようにスポット周波数で運用するモードなら運用中の支障はまったくありません。 CWの場合はCWバンドの低端と高端ではかなり離れているため運用周波数に合わせてアンテナ先端の伸縮により微調整する必要があるでしょう。 同様にSSBでも実際に使う周波数に応じた微調整を行なえば良好な輻射効率でオンジエアできます。
 全長は約182cmと10MHz版より30cmくらい長くなっていますが、1/4・λに対する短縮率は約83%と(=17%の長さしかない)むしろ「小さなアンテナ」になっています。そのため輻射効率も少し低下しています。これが現実的なサイズなのでやむを得ないと思います。 あとはうまく電波が飛んでくれたら良いのですが・・・

 帯域幅が狭く効率も低いのは超短縮アンテナにならざるを得ないHF帯移動運用の宿命と言えます。 こんなことを書くと混乱するかもしれませんが「アンテナのQは低いほどFB」なのです。しかし損失が大きくなるような方法でLow-Qにしたのでは意味がありませんけれど・・・。おわかりでしょうか?(笑)

テスト・オンジエアの様子:FT-8
 近くの空き地で移動運用のテスト・オンジエアです。 何かあってもシャックにすぐ戻れるごく短距離の移動です。

 共振周波数の調整がやや甘かったのですが、まずまず良く飛んでくれました。 

 CQを出したところ数局に呼んでいただけました。 コンデイションの影響もあるとは思いますが、約83%短縮という超短縮アンテナでも十分な実用性能が得られています。見かけスマートな市販ANTよりも効率はずいぶんマシでしょう。

 移動運用には様々なスタイルがあります。ポータブルなQRP機を持ってフィールドに出かけて波を出すのは楽しいものです。私もFT-817なら持ってます。 しかし弱すぎる波では交信相手はだいぶ苦労するでしょう。 激ヨワなQRPp局をピックアップするのが醍醐味だって仰るお方もありますが・・。(笑) もちろん相手局にまったく入感がないと呼んでもらえません。 QRPな交信とは受信局側の努力の賜物とも言えるくらいです。

 私の希みは:たとえ移動運用の貧弱な設備ではあってもできるだけ良い波を出したいのです。 なるべく楽に交信して頂きたいと思っています。 ですからあえてQRPには拘らず事情が許せば法定内で可能なだけのパワーを出しアンテナ系の輻射効率も極力高くありたいのです。 アマ無線は交信できてこそ無線通信です。せっかく出かけた移動運用がボウズじゃ悲しいじゃありませんか。hi

参考:QRPpでkm/Wを競うにはPOTAではなくSOTAが向いています。V/UHFなら標高で飛距離を稼ぐことができるからです。短縮なしフルサイズのアンテナやビームアンテナも使えます。HF帯よりノイズや混信が少ないのも有利です。

PSKRでも飛びを確認
 トランシーバの受信感度には20dB(電圧で10倍、電力で言えば100倍)以上の余裕があってかなり低効率なアンテナでもよく聞こえるのが当たり前になっています。そうでないと耳の悪いトランシーバと言われてしまいます。w

 しかし送信で20dBの余裕は容易ではありません。アンテナのロスを見込んで100倍のパワーに・・・など非現実的です。アンテナの数%の効率の違いに拘るのはそのためです。その数%が飛びには大いに影響します。

そのアンテナを繋いでみたらよく聞こえるからと言って、それはまったくの気休めに過ぎないかも知れません。本当のことは送信した時にわかります。

 飛び具合の確認のために7041kHzでオンジエア・テストしてみました。 7041kHz/FT-8は基本的にJA局のみがオンジエアしています。 これはバンド使用区分からやむなくそうなったものと承知しています。

 従って受信レポートは海外局からは得られません。 たまたま韓国に1局だけ7041kHzをワッチしていた局がいたようです。 他の日のテストでも国内各局にまんべんなく飛んでくれたのでこのアンテナはかなり旨くいったと言えるでしょう。 もちろん短縮なし・フルサイズの固定局のアンテナと比べちゃいけませんけどね。(笑)

 こんどは夜間のDXタイムを選んで7074kHz/FT-8でテストしたいと思います。果たしてどれくらい飛んでくれるでしょうか。(現在は7074kHzで国内局を呼ぶことも可となりましたが、JAどうしの交信は7041kHzがメジャーなようです。DXerには有難いことです)

                     ☆

 似たようなアンテナを作るだけですから作るつもりのない人には面白味に欠けたBlogだったでしょう。 寸法図など諸元は省略しましたが、もし参考資料としてご入用でしたら連絡いただけたらと思います。 逆に本当に作ってみたいお方にとってはまだまだ情報不足を感じるはずです。
 わからない部分は具体的にお尋ねになってください。私のわかる範囲で返信差し上げます。 製作工程を一からすべて教えろとか、費用を出すから代わりに同じものを作ってくれ等のご要望には応じかねます。 製作例は参考に過ぎないので、あとはみずからも考え、工夫し、手を動かし、完成させてください。 きっと旨く行きます。(笑)

 調べてみて驚いたのですが、このアンテナ製作で使ったグラスファイバ・ロッドとそれ専用のM型コネクタ部は現在でも入手可能でした。製作に使ったものは25年以上も前に手に入れたものだったからです。

 先端部のロッド・アンテナは昔HAMフェアで購入したもので同じものの入手は難しいかも知れません。 6段式で伸ばした全長は101.5cm(ネジ部含む)、収縮時の長さは20.3cmです。元部分の太さは7mmあります。 長さは少々違っても支障ありません。コイルのタップ位置をわずかに動かせば共振できます。 上記の寸法にこだわることなくネット通販など手に入り易いものを使いましょう。3段式で50cm程度の物でも十分です。

 エア・ダックス・コイルの代用は幾らでも可能です。 塩ビやアクリル樹脂のパイプに巻いて所定のインダクタンスが得られるように作ればOKです。 理想を言えば内径85mmのボビンにφ1.6mmの巻線を巻き幅60mm(ピッチ約2.9mm)で22回巻くとHigh-Qなコイルが作れます。さらに2〜3回余分に巻いて調整の余裕を持たせます。 密着巻きではなく必ずスペース巻きで作ります。 密着巻きでは巻線相互の「近接効果」のためQが上がりません。(重要なノウハウ・笑)

写真は「さきたま古墳公園」(埼玉県行田市:POTA JP-1178/JCC-1306)でオンジエアした際のものです。 自作した7MHzホイップ・アンテナは各地のPOTA運用(←リンク)で存分に活躍してくれています。 たくさんのQSOありがとうございます!  ではまたどこかの公園から。 de JA9TTT/1

つづくfm

2 件のコメント:

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

加藤さん、おはようございます。

40mバンドのモービルホイップアンテナ完成おめでとうございます。

最近はこのような正当派のモービルホイップ自作情報は少ないので、参考になる方も結構いらっしゃるのでは亡いでしょうか?

最近はFT8が主流になった感じがありますが、利得が少なく帯域の狭いアンテナで使用するには連続送信になるので耐圧だけ気を付ければ適したモードですね。

モービルホイップ用のグラスファイバーポールやコネクターは違法CB用ヘリカルアンテナに多用されたためか、違法CBショップなどでは普通に手に入るみたいですね。Hi

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/JP3AEL 高橋さん、こんにちは。 今日の北関東は雨模様です。桜はまだですね。

さっそくのコメントどうも有難うございます。and おめありです。hi
> 参考になる方も結構いらっしゃるのでは・・・
そうだと良いのですけれどね。 最近はアンテナさえも自作する人って少ないです。 キット化されないとマズ手を出さないみたいで・・・。

> 連続送信になるので耐圧だけ気を付ければ適したモードですね。
はい、そう思います。 共振が鋭くてスポット的になっても周波数を動く必要もないので支障にはなりませんからね。 違法CBのようなハイパワーでも大丈夫なアンテナを作るのはたいへんなんです。このアンテナにハイパワー送り込んだら燃えちゃいます。たぶん。(爆)

> 違法CBショップなどでは普通に手に入るみたいですね。Hi
私が見たのもそんな感じのお店でした。hi hi 昔のように派手なアンテナのトラック屋さんも珍しくなったように思いますが、それなりのニーズはあるんでしょうね。 アンテナ部品が手に入るのは有難いです。

こんんどまた移動運用しますのでタイミングが合えばQSOしてください。