３エレHB9CV

１． 設計方針

(1)アンテナ形式の検討

できるだけ小型で、ブーム長の短いビームアンテナを作ることを目標としました。ブーム長を短くするためには位相差給電が効果的であるため、HB9CVアンテナとすることにしました。

(2)ゲイン、FB比

コンテストで使うことを考えるとフロントゲインを上げすぎると回す時間がもったいないため、フロントゲインにはあまりこだわらず、FB比を上げるような設計にしました

(3)位相ライン

いろいろとアンテナの改良ができるように、位相ラインに300Ωのテレビフィーダを用いました。このため、ブーム長を多少変更しても135度ずれた給電電圧を得ることができます。さらに、フィーダの波長短縮率の分ブーム長が削減できます。

(4)マッチング

今回のアンテナは、アンテナ側でマッチングを取らない方式としました。シミュレータでシミュレーションをしていてマッチング回路がビームパターンを乱すことに気付きました(Γマッチ、ヘアピンマッチなどは特に)。このため、アンテナ側にマッチング回路を設けず、アンテナの下でマッチングすることとしました。しかし、このような方式の場合、同軸ケーブルを用いると減衰が増加しますので、オープンワイヤを用いて給電するこにしました。そこで、給電線にも300Ωのテレビ用フィーダを用いました。フィーダの長さを調整することにより、SWRは1.5以下に下がりました。
アンテナ側でマッチングを取らないことにより、マッチングとは独立してエレメント長やエレメント間隔が設定できるようになり、設計に関して自由度の高いアンテナとなりました。

２． 設計

(1)300Ωフィーダ電気長の測定

まず、300Ωフィーダを50MHzの電気長1/8λで切り出して見ました。SWRアナライザにバランを接続し、それに70cmぐらいに切り出した300Ωフィーダを接続しました。ここで、300ΩフィーダのSWRアナライザと反対側の端は開放とします。この状態でSWRアナライザを100MHzに近辺に設定し、インピーダンスが最小となる周波数を探ります。例えば110MHzでインピーダンスが最小になった場合、その長さは110MHzの1/4λとなります。110MHzの2/1は55MHzですので、50MHzバンドにはフィーダーが長すぎますので、すこしずつ切断します。最終的に100.2MHzでインピーダンスが最小となるように調整しました。この状態で300Ωフィーダは100.2MHzの1/4λ、すなわち50.1MHzの1/8λに調整されたことになります。
この長さを測定すると56cmでした。約75%の波長短縮率でした。もう少し波長短縮率が大きいかと考えていたのですが、以外に小さい値でした。

(2)ラジエターの間隔の設計

フィーダの長さが56cmですので、ケーブルの接続に余裕を持たせ、エレメント間隔を53cmとしました。普通より随分短いブーム長になりました。HB9CVの場合、エレメント間隔を短くすると帯域幅は狭くなりますが、ゲインとFBの向上が望めます。そこで、このエレメント間隔で行くことにしました。

(3)エレメントの設計とディレクターの間隔の設計

ここから先はアンテナシミュレータMMANAを使った試行錯誤です。実際にはまず2エレ状態で動作を確認しました。次に3エレに拡張しました。その結果求められたのが次の結果でした。地上高は実際に使う可能性の高い5mで計算してみました(長いポールは担ぎ上げが大変なので)。

ディレクター	1.3m×2	ラジエターまでの間隔1.5m
ラジエター	1.41m×2	エレメント径4mm
リフレクター/ラジエター	1.47m×2	ラジエターまでの間隔0.53m
ゲイン[dBd]	6.04	自由空間
FB比[dB]	29.2	自由空間
ゲイン[dBi]@5mH	12.75	地上高5m(リアルグランド)
FB比[dB]@5mH	28.08	地上高5m(リアルグランド)

シミュレーションの結果、かなり良いFBが得られるそうなことが分かりました。ただ、あまりに良すぎるため、すこし不安になりましたので、別のプログラムで計算することにしました。

(4)シミュレーション結果の確認

シミュレーション結果が正しいかどうか確認するため、MATLABで簡単なアンテナシミュレータを作ってみました。詳細は別に記しますが、その結果下記の表のようになりました。

ディレクター	1.3m×2	ラジエターまでの距離1.5m
ラジエター	1.4m×2	エレメント径4mm
リフレクター/ラジエター	1.495m×2	ラジエターまでの距離0.53m
ゲイン[dBd]	5.61	自由空間
FB比[dB]	29.12	自由空間

ただ、エレメント長を少し動かすとかなり変動しますので、実際の最適点は両者の間ぐらいにあるであろうと思われます。

図1.ビームパターン

図2.MMANAの結果

５．製作

エレメントは市販のエレメントブラケットで固定することを考えました。このため、ブームには22φのアルミパイプを用いました。携帯性の向上のためと2エレでも動作させることを考え、2mのパイプを80cm、と110cmに分けました。その間を25φのアルミパイプで固定して2m強のブームとします。
HB9CVは移相給電するため、ブームとエレメントが絶縁されている必要があります。このため、市販のエレメントブラケットに穴を開け、3φのビスでラジエターを固定することにしました。3φのビスは絶縁ワッシャでブラケットから浮かせます。エレメントとブラケットの間は1mm厚のプラスチック板を挟みます。プラスチック板はエレメントブラケットに両面テープで固定しました。エレメントブラケットは12φのパイプ用なのですが、このプラスチック板と両面テープの厚みのため、10φのアルミパイプがちょうどうまく入ります。各エレメントは10φのアルミパイプ1mに8φのアルミパイプを差し込んで作ります。このようにすると、8φのアルミパイプを動かすことによりエレメント長の調整ができます。調整中8φのパイプはテープで固定しますが、調整後3φのタッピングビスで固定します。
図にエレメントとブーム寸法を示します。
給電線には300Ωのフィーダを用います。電気長3/2λあたりになるようにフィーダを切断し、SWRアナライザで弱い電波を出します。この状態でディップメータにより電流腹を捜し、その近辺で切断しました。この状態でSWRは1.5ぐらいに下がりますので、さらに調整するとうまく行けば1になります。今回、2エレ状態の時にSWR=1のケーブルを作ってしまいましたので、3エレの時は1.5強ぐらいになってしまっています。そこで、アンテナチューナで完全に1まで持っていって運用しています。もう一度フィーダ長の調整をすると3エレでも1になるものと思われます。

図3.アンテナ寸法

６．運用結果

試験的に運用してみた結果、それなりに動作していることが確認できました。5Wでしか運用していませんが、DX局(KH0)との交信も果たしました。

７．今後の予定

シミュレーション結果はエレメントの長さに対してかなりクリティカルで、エレメント長の差cm単位でも結果が大きく変わってしまいます。また、2つのプログラムの結果が異なっていますので(たぶん私の組んだプログラムの方が現実から遠いのでしょうけど)、実際にFB比やできればビームパターンを測定してみたいと思っています。ただ、基準アンテナが用意できておらず、6m & downコンテストに間に合わすため、測定が後回しになってしまっています。
あと、マッチングを完全にあわすため、不平衡用のチューナにバランを介して接続していますが、平衡用のチューナを作成することを検討しています。
さらに、今回の計算では移相ラインの影響(減衰、特性インピーダンス)を無視しているのですが、その影響まで含めたシミュレーションをするとどうなるのか、試して見たいと思っています。

図4.運用風景(勢多郡宮城村)