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zoom RSS Spertopf balun 八木アンテナとバラン

<<   作成日時 : 2016/05/05 11:16   >>

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連休なのに、趣味の時間がとれません。今日は、やっとのことで40年ぶりに八木アンテナを作ってみました。
宇多・八木アンテナは、設計自由度が高くて、様々なバリエーションがあります。今回は、PCに勝手に設計させた条件で実物を作成して様子を見ようとする計画でした。シミュレーションの実力を試してみたいのです。
設計したアンテナは
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435MHzの6エレ八木です。MMANAや4NEC2で設計できない放射エレメントが、セミフォールデットのアンテナです。NECで記述したアンテナの場合、普通のダイポールと折返し(フォールデット)ダイポールはそれなりにシミュレーションできます。ところが、その中間のセミフォールデットダイポールは、フォールデットダイポールと同じ結果になってしまいます。そこで、JAISTが紹介している500円アンテナの基本部分を4NEC2で記述して、最適化を実施しました。初期値のパラメータを少し調整しています。また、アンテナの放射器は通常のダイポールとしています。設計が終了した寸法は
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自由空間でのVSWR特性や放射パターン予想は
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画像

アンテナの特性インピーダンスを、16.67Ωで設計し、半分折り返して50Ωになるように考えました。ここで、1つ問題があります。ダイポールのエレメント長と、フォールデットダイポールのエレメント長が異なることです。折り返した部分の長さをエレメント長に含めた場合には、ループアンテナと同じように、僅かに長くなる。エレメントの長さで見ると、ほんの僅かに短くなる傾向がある。今回の場合、折返し間隔を13mm(JAISTと同じ)にした場合、ダイポールで計算した長さより、1%程度短くなると計算された。ただし、セミフォールデットの給電ポイントの位置が重要になりそうです。JAISTの言う再現性は良さそうです(作り方が同じなら)。今回は、わざと寸法を変更したため、再現性と実用性は低下しています。製作データとして参照するには、不適切です、申し訳ありません。目的が実用性とは違うのです。
とりあえず、製作したアンテナの外観は
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ブームは、PVCパイプVP-13(1m)です。マストクランプは、マスプロ電工のマスト固定金具を流用。エレメントは、アルミ棒と真鍮棒を、PVCに穴を開けて、叩き込みました。写真を撮る前の測定中に倒してしまったので、エレメントが曲がっています。給電部は、圧着端子をエレメントに半田付けして、ブームに取り付けた5mmのスペーサーに固定しています。同軸のGND側は、Y型圧着端子の先をエレメントに巻き付けて半田付けです。ここにバランを後付けしてシリコン等で、防水する予定です。

ここまで来て、バランの有無について考えてみました。安易に同軸をコイル状に巻いてごまかすか、同調型のトラップバランを試してみるか、何時もの悪い虫が出てきました。

そこで、シュペルトップバラン(Spertopf balun)を使ったことが無い事を理由にして、作って見る事にしました。
フジクラのNL-5D-FBを使って、1/4λトラップを作ろうと、Webの記事を参照すると中々納得する物が無い。取敢えず、1mの同軸を使って、オープンスタブの同調周波数を簡易測定すると、36MHz近辺、短縮率50%、すると、同軸の外部絶縁体の比誘電率は、約4となります。材質は仕様書から、PVC(塩化ビニル)と分かりました。PVCの比誘電率は、混ぜ込む材料によって大きく異なります。PVCのみであれば、約3.5です。
長さを変えて、同調周波数を調べて見ると、短縮率(速度係数)は
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不思議だ、誘電体の損失があるので速度係数は相応に低下するとは思っていたが、150MHz以上では使えない。長さを50mm以下にしても、312MHzだった。ただし、インピーダンスを詳細に見ると、750Mhz近辺にも同調しているように見えるが損失が大きい。
グラフを見ると、同軸外皮(黒)の損失が異常に大きいように見える。本来のシュペルトップの動作として、外部導体から外部に流れる電流を無くす効果から見ると、トラップ部分の長さはどうでも良いのかもしれない。だとすると、Webに書かれている、トラップの長さが、速度係数(短縮率)として見た場合に、0.5から1.0まで様々な例がある事が理解できる。
要するに、シュペルトップと呼んでいる物は、外部シースの損失を利用した別物だったのだ。

本来の1/4λトラップとして使う為には、同軸本来の内部導体、内部絶縁体、外部導体を使ったオープンスタブを作成して、給電部分に取り付ける、U字バランのような分岐導体バランとするのがよさそうです。

ところで、シュペルトップ(Spertopf)とはドイツ語で、バランの事だったように思えます。だから、Spertopf balunは、バランバランなのでしょうか・・・日本語では、外套管です。

==========
フジクラの5D-FBの仕様書には、速度係数等の情報がありません。5D-FBはアマチュア無線用の製品のようです。JIS標準品の他に、CATVやさらに高性能用途に、高発泡ポリエチレン+銅箔+銅網線のSFAシリーズやSSFシリーズがあります。そこで、5D-FB(マーキングは、NL-5D-FB)の特性を見てみました。
静電容量は、83.46pF/m@100kHz
計算上の速度係数は、約0.8でした。(Webの資料では、0.79から0.83と記述されているので、妥当なところ)

シュペルトップの試作外観は、同軸の外側に接着剤付き銅テープを巻いています。汚いですが
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この状態で、静電容量は、786pF/m、同軸の外形は、φ7.6mm、同軸の外部絶縁体に比誘電率は、約3.86。
計算上の速度係数は、0.52となります。従って、シュペルトップとして使うのであれば、物理長が、約1/8λとなります。まあ、同調のQが低いので、気休め程度ですが、50MHzやHF帯域で使うのであれば、実用になりそうです。
==========

完成まではまだ掛かりそうです。

4NEC2の記述は(今回は、寸法を波長の1000倍で記述しました。周波数と、エレメントの直径に合わせた速度係数VFを変更すると、変更が簡単です。最適化の精度も上昇するようです。)
注意:ブームが余分に付いているので、影響に注意してください。

CM MOD JAIST 6ele YAGI for 435MHz
CE
SY F=435 'Freq(MHz)
SY H=0 'Hight(m)
SY R=1.5e-3 '3mm
SY VF=0.93782
SY W=0.25*299.8*VF/F '1/4lambda length
SY W0=299.8/F
SY N1=1090.6 'Ref Len (Lambda*1000)
SY N2=1009.6 'Rad Len (Lambda*1000)
SY N3=971.64 'D1 Len (Lambda*1000)
SY N4=944 'D2 Len (Lambda*1000)
SY N5=934 'D3 Len (Lambda*1000)
SY N6=922 'D4 Len (Lambda*1000)
SY M1=92.78349 'Rad Pos firom Ref (Lambda*1000)
SY M2=205.0039 'D1 Pos firom Ref (Lambda*1000)
SY M3=378.0583 'D2 Pos firom Ref (Lambda*1000)
SY M4=655.5824 'D3 Pos firom Ref (Lambda*1000)
SY M5=916.1475 'D4 Pos firom Ref (Lambda*1000)
GW 1 41 0 0 H+W*N1/1000 0 0 H-W*N1/1000 R 'Ref
GW 2 41 W0*M1/1000 0 H+W*N2/1000 W0*M1/1000 0 H-W*N2/1000 R 'Rad
GW 3 41 W0*M2/1000 0 H+W*N3/1000 W0*M2/1000 0 H-W*N3/1000 R 'D1
GW 4 41 W0*M3/1000 0 H+W*N4/1000 W0*M3/1000 0 H-W*N4/1000 R 'D2
GW 5 41 W0*M4/1000 0 H+W*N5/1000 W0*M4/1000 0 H-W*N5/1000 R 'D3
GW 6 41 W0*M5/1000 0 H+W*N6/1000 W0*M5/1000 0 H-W*N6/1000 R 'D4
GW 12 41 0 -7e-3 H W0*M5/1000 -7e-3 H 5e-3 'Boom
GE 0
LD 5 0 0 0 58000000
GN -1
EK
EX 0 2 20 0 1 0 0
FR 0 0 0 0 F 0
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