JE1QMS

アマチュア無線局 JE1QMS のブログです。1972年3月30日、50MHz A3 1W, TR-1200で開局。
14MHz JT65 で22年ぶりに復活後、CW練習や移動運用、自作ダイポール室内アンテナ、ウクレレQRL/ピアノQSY、マンションからJT65/FT8、など・・・ゆる~く模索中(^◇^)

八木アンテナ

50MHz 4el 八木アンテナの設計

これの続き。
そう、MMANA-GALで、6mの室内八木アンテナを設計する話だ。

前回までの結論により、28Ω系で設計して50Ωにマッチングするという線はなくなった。なので、素直に50Ωで設計することにする。そうなると、寸法的に5エレはありえない。あと、3エレだとなぜか50Ωで設計しても38Ωになってしまうという謎があるし、寸法的にもまだ余裕がある。 ならば、4エレ八木が一番いいじゃん。

ああ~ なんと、6mの4el八木といえば、1972年3月30日、JE1QMS開局のときに上げていたアンテナですよ。TR-1200と一緒に、今は亡き秋葉原のトヨムラで買った、マスプロの4エレ。

なんと、38年9ヶ月を経て、自分で設計して遥かにグレードダウンして室内アンテナに・・・とは、情けないことよ。もう泣きが入りまくり。

----

なんて、まあ置いておいて。
淡々と設計結果をさらしてみる。50Ω整合、マッチング回路なしだ。

<50MHz 4el 八木アンテナ>

Image1

Image2

Image3

Image4


なんかこう、理想論からはずれて、どうせ室内アンテナっていうのと、どうせマッチングなんかとったってたかが知れているというのと、結局フルサイズでブロードに作ってあれば、多少ズレたって許容範囲だろうというのと、一番のポイントは、「モーターでチューニングとか、マッチング調整とか、そんなのは全部めんどくさい。」っていうのが本音。

まあ、どうせ室内アンテナ。どうせ飛ぶわけない。
ならば、平衡不平衡変換なんか無視。そうすれば「バランもなし」だよ。


一旦そういう方向で覚悟を決めると、これまでと打って変わって超気楽だ。 もう天国。ただ50Ωの同軸を直付けでいいじゃん。

もう、すぐ作れるように、寸法図を描いてみた。
まずは自由空間での設計値。
設計図 自由空間

このまえやった、短縮率0.799の石膏ボード表面理論値。
設計図 0.8

でもどうせ、エレメントと天井には隙間ができるだろうし、でも自由空間よりも天井の影響があるだろうから、超アバウトに、短縮率はその中間の0.9だと決めて計算したのがこちら。

設計図 0.9

これだ
あとは、ホームセンターでアルミパイプを買ってきて作れば完成だ?
本当かな??

これはひどい。。。('д` ;)

まずはやってみるかということで、4el_28Ωで設計した生データに、集中定数整合回路をつけてマッチングさせてみる実験。集中定数整合回路はこのときと同じ。

もうなんというか、これ。

Image1

Image2

Image3

0000


見事に、「低いインピーダンスでアンテナを設計しておいて、そこでマッチングを取ってから、集中定数回路で50Ωに変換する」という手法は全く使えないということがわかったよね~。(´A`)

4el/5el , 28/50Ω 整合回路なし各種データ比較

前回この表をもう一回ちゃんとMMANA-GALでシミュレーションしなおして、それを各特性ごとに並べて比較してみるというのをやってみた。
ただし、最適化はかなり不安定で、ちょっとパラメータ最適化のノブの位置を変えると、やる度に数値がかなり変わってしまう。このあたりかなり微妙。とりあえず「絶対にこれ」というのではなく、「たまたま代表的数値」という感触か?

---------

Z
Z
SWR
SWR
Gain/FB
Gain/FB
Far Fields
FarFields

前回の3el(50Ω)に比べてどうだろう?3el(でも35Ω)のFB比とかがすばらしすぎるんだけど・・・
ちなみに、3el_50Ωは長さ2.46m 幅2.96mだ。

う~ん。。。
やればやるほどわからなくなってきた。でもまあ、複雑怪奇な5エレの線は消えたなというのが唯一言えることかも?

アンテナ設計目標を再確認する

例えば、はじめから「5エレ八木を作ろう」とか、そういうアンテナの作り方もあるだろうが、こちらで今やっているのは全然違う。
要するにこことそれ以外でも書いたように、「長さ4.38m(但し石膏ボード上の等価波長換算で)(実寸では3.5m) の長さに収まり、かつ有効にスペースを活用するビームアンテナで(でもシミュレーション経験的には八木)、マッチングは集中定数で行い、調整が現実的数値で行えること。」というのがミッションだ。

もっとはっきり言うと、

何エレ八木でもいいからここに納まる中で性能のいいやつ。
集中定数整合をするのでアンテナの生のインピーダンスは50Ωよりも
かなり低め。


ということになる。

なので、MMANA-GALには50Ω以外の環境でアンテナを設計する機能もあるので、それを使わせてもらい適当にそこそこ見繕って、4エレ・5エレ八木を何回も設計してみた。これがその結果。
000


実際には、自動設計では綺麗に結果が出るほど甘くない。4エレならまだいいけど、5エレになるとパラメータが多すぎてソフトが悩んでしまう現象が頻発した。例の、「ファッション」を行わざるを得ない。

あと、ノウハウ的にはこのように、
001
初期設定のエレメント間隔は異常に狭くとっておく。なぜならば、できるだけ小さい面積でアンテナを設計したいわけだから、大きい方から開始して大きいところで最適化できても何の意味も成さないからだ。

002
さらに最適化をやるときのこの各種最適化レシピのハンドルは、
「中庸の徳」を地で行く。たとえばGain, F/Bを最大、SWRを最小に設定して計算すると、結果として滅茶苦茶な値が出てしまう。こんなところにも仏教思想が。www

----------

で、最初の表に戻ると、大体次のようなことがわかる。
・幅(エレメント長)は4エレでも5エレでも何オームでもほぼ同じ。
・jX成分にプラス分が残っていると、長さが短め。
・完全にマッチングをとれば、インピーダンスが低い方が長さが短い。

あと、もしかして・・・と思って作ったのがこのグラフ。
比較表
サンプル数が少ないという欠点はあるものの、「もしかして、4エレでも5エレでも単に長さが長ければ性能がいいとかだとイヤだな~~~」と思ったのだが、どうやらそういうことはなさそうだ。
つまり、横軸はアンテナの長さで縦軸が性能(とはいってもゲインとFB比だけしかないのでなんとも言えないが・・・)。なんとなく4エレ28ΩだけがF/B比がいいようにも見えるけど、偶然の可能性も大。
ただ一つ言える事は、「5エレは大きい」と、それだけ。

ビームパターンとか、実際のバンド中の特性比較とか、調整の容易さとかまで含めて総合判断しないと何ともいえないみたいだ。

MMANA-GALで集中定数整合3エレ八木を設計する

マッチング回路とエレメントを両方自動最適化すると、MMANA-GALが悩んでしまってうまく行かないというのが前回まで。
しかし、片方ずつ最適化しても意味は無い。なぜならば、あまりに近くにあるのでお互い影響しあうからだ。

ならば・・・
○○マッチとかそういう何十年も前からの技術にとらわれず、このときにやった整合回路なしのアンテナに、集中定数でマッチング回路を作れば?という。

集中定数だからアンテナエレメント本体の分布定数回路とは影響は最小限。こういうときに、周波数の低いバンドだと逆に楽だ!
さらに言えば、周波数が低いとアンテナが大型になって散々苦労してるのに、マッチングに集中定数を使わないなんてもったいなすぎる!という感触。

001さっそくやってみる。
要するに、やってみてうまく行けば、上記の集中定数マッチングだとアンテナの分布定数回路への影響は少ないというのが実証されるということだろう。
まずこれの上の表が、前回のノーマッチングのアンテナの最適化済みの寸法だ。結果から言うと、これの下の部分が求める定数。
002これは、エレメント本体は固定にして、集中定数だけをパラメータにして最適化した結果だ。このとおり、理想的動作な感触
003最適化の結果の数値。
R=54Ω, jX=-8Ω, SWR=1.19
が得られた。

006そしてこれは特性図。
R+jX, SWR, パターンともに、素直な3エレ八木の特性が保たれている。

まさに、アンテナ本体はいじらず、マッチングだけをやったという意図通りなわけで、改めて「集中定数整合だとアンテナエレメント本体の分布定数回路との影響は最小限」であることが実証された。

matching_では一番最初の絵にあった、L,Cの値を実際に配線するのは?というのがこの絵なんだけど・・・
すばらしいサイト様にあったUバランを採用するのか?
等価回路しかし、もともと集中定数の整合回路はここの等価回路を使っただけだ。この回路をじっと見れば、同軸からCを経て、2つのLに入っている時点でもう平衡回路になっているのではないの!?

ならば、これでいいじゃん。っていう~ 

BlogPaint


集中定数整合回路の採用により、シミュレーションの自動最適化での問題点と、平衡不平衡変換バラン問題が一気に解決した。

と思うんだけど、どうだろう。

--

3el八木実際にこれを適用する?3エレ室内八木アンテナの図面だ。このとき検討した室内MLAの代わりに、室内
6m八木にしたらどうなるかという話ですよ。
そうそう、ちょうどこの絵で左だけ外の建物に隙間が開いてるでしょ~。その方向が富士山方向という~。(^o^)/

-------------

まあそれは置いておいて、定数的には1.4pFの容量を可変して調整するということになりそうだが、あまりに容量が小さいので一工夫必要だろう。例えば、他の固定のCと直列にするとか、そもそもそれ以前に、バリコンなんか使わずに電極を2つ空中に置いて、それこそマブチモータで距離を変えるメカを作るとか、または、そもそも当初アンテナの最適化は50Ωでの値で行ったけど、ここで集中定数整合するのだから何も最初のアンテナ設計は何オームでもかまわないというわけだ。
ここの整合回路のLCの値の計算値が小さいということは、等価回路でいうとZ0とRが近すぎるということだから、もっと裸のアンテナのRが小さい方が整合回路の定数は大きくなるかもしれない?

それ以前にまずは、今回のCの値を実際に調整してみる場合の調整具合を見るために、前にやったように、最適化をせずにただパラメータを変化させた生データを自分でExcelで加工してグラフにしたものを示す。
C1これだ。横軸はマッチング容量。縦軸はR, jX, SWRだ。このように、Cを動かしてもRは変わらない。jXだけをいじっていることになる。

C2
SWRだけを拡大したのがこれ。0.01pF動いただけで、SWRが厳しいことに・・・という、実用上非常に難点な数値なことは自明。実用化する際にはここらへんをなんとかしないとダメだな~。

しかし、脈はあるということが今回わかったので、今回はこれで終了~。

MMANA-GALでTマッチ3エレ八木を設計する

ガンママッチってそもそも左右非対称だし、左右対称なアンテナをドライブするのに直感的に見てもムリがありそうなことは想像がつく。
なので、Tマッチをシミュレーションしてみることにする。

しかし・・・それ以前に、MMANA-GALを使う上でまたまた自分だけNGなことやってたみたいなので覚書しておく。
zzこの上の絵のように、マッチングのところで分岐する場合に元のエレメントを1本で書いてしまうと、シミュレーション上では連続とみなされるので電流分布は青で書いたようになる。
それを下の絵のように、交差している点では必ず別のWireにするという規則を守ると、ちゃんと電流分布は2本の導線にそれぞれ流れるような感じになる。
MMANA-GAL付属のファイルでも下の絵のようにやっているので、これは守るべき規則みたいな。

----------

さて本論。そうやって設定して最適化するとこうなる。

T1まずは寸法。
いや、実はこれにはかなり無理があるんですよ。

T2一見まともっぽく見えるものの・・・

T3これがその仕掛け。
はっきりいって、あまりにひどいので、シミュレーションの初期条件を、見てくれが余りに悪いような定数にならないようにかなり狭くしているという。こんなのはファッションだよ。全然自然科学じゃない!
こんなところでファッションやってどうするっていう~ (´A`)

---------

T4a最適化ファッションwの結果。
R+jX
T4bSWR
T4cパターン

う~ん。
いいのかな~こんなんで。
というより、そもそもこういう便利なソフトが無かった時代のアンテナ設計なんて、特にアマチュアレベルではまさにノウハウの塊だったんだろうから、余り悩んでも仕方ないような気もするし。
「悩んでる暇で手を動かして作れ」っていう世界みたいな?

このブログのような妄想ではなく、ちゃんと理論的考察もされて、その上実際に物を作られて、さらにすばらしい性能のアンテナを実現されて、さらにそのノウハウを細かく公開されているすばらしいサイト様がこちらだ!

JG2TSLさんのサイト

実にすばらしいな~。「Uバラン+Tマッチ方式」の優位性など実に説得力がある。しかも実際のUバランの作り方まで解説してあってとてもありがたく、ためになる。
そうそう、アマチュア以外の分野ではバルン、バルントランスね。こういう微妙な用語が沢山あるから、一般世間的に会話する場合は要注意だ。Q符号以外なら大丈夫だろうとかいう感じで使用すると・・・いろいろ・・・かも。ただ、バランのほうがGoogleで検索するときにはゴミが出なくてありがたいけれど。

----

そういえば、MMANA-GALでは平衡・不平衡変換の概念ってあるのか?現実に物を作る場合には避けては通れないような気がするけど。
でも逆にHF用アンテナならば、どうせ周囲の建物等の影響で平衡も不平衡も乱れまくりだから、そんなの気にしたら負け(^o^)/の世界なのかも~???

なんかこう、マッチングまで絡んだアンテナのシミュレーションは、奥が深すぎてなかなか手が出ない印象。(自動最適化をやるのが前提という意味で。)

さらにそれにバラン問題まで絡むと、やはり偉大なOMさんのノウハウを頭を下げて使わせていただくのが吉ということになるのか???


まあそれが良い悪いではなくて、そういう世界もまた楽しいという側面もあるだろうな~。

MMANA-GALでガンマ・マッチ3エレ八木を設計する

前回はいきなり、マイナーな?MLAを設計してみたのだが、今回はメジャーな?3エレ八木を6mで設計してみる。
というか、これなのよ。もしこのときの下の図のような室内アンテナを考えたとして、磁気ループを止めた場合に、同じスペースに最大限有効に入るアンテナは何か?を考えるに、50MHz3エレ八木になったわけで。
その理由は、やはり3.6mという寸法と、あと、唯一開いているベランダ方向は、さらに唯一周辺の家の建物の隙間になっている上、そっちはなんと!富士山方向という。。。
まあ室内アンテナで飛ぶわけはないけど、「妄想の材料」としては結構楽しい。w

--------------

さらに今回のスペシャルは、MMANA-GALで、複数パラメータ(さらには全パラメータ)の同時最適化がようやく一応できるようになった。なので、それを駆使して実験してみようというのも趣旨だ。

<整合回路なし3エレ八木>

NO_B01まずこれは、マッチング回路を無視した状態で、3エレ八木の寸法を適当に入力しただけのもの。

NO_B02それを絵にしたのがこの左側。そして右側は、複数パラメータ同時最適化を行うための設定だ。

この状態で、「最適化」を実行すると~
特に絵を見ながらやってみると、まるで生き物のようにエレメントの長さが変化したりエレメントの間隔が変化したりして、そのたびに誘起される電流の大きさも変わったりして動画としても十分楽しい
これはすごいな。まさにシミュレーションソフトの独壇場!。単なる計算ソフトだけではなく自動最適化=自動設計を見ていると、本当に20世紀とは隔世の感があるな

NO_A01そうやって感動の結果、こういう寸法になった。

NO_A02それを絵にするとこういう感じ。
導波器と反射器の間隔がかなり広い3エレ八木だ。

NO_A03aではいよいよ!自動設計の成果の実際の特性を見ていこう。
まずはR+jX.
jXはいいけれど、Rは50Ωより低い値になっている。
NO_A03bSWRもまあそこそこ。
NO_A03c利得とF/B比も典型的3エレ八木の様相。
マッチングをしていないからインピーダンスやSWRはそんなに良くないのはごく当然として、エレメントの長さや間隔・利得とF/B比も典型的3エレ八木という感じで、見事に自動設計が機能しているという感じでものすごくすばらしい。

-----

<ガンママッチつき3エレ八木>

Gm_B01それでは、ガンマ・マッチの回路をつけて、ちゃんとマッチングを取った3エレ八木は設計できるのか?という実験スタート。
まずはこのように設定する。これでガンママッチを付けたつもりなのだが?。

Gm_B02これがその絵と、最適化パラメータだ。

さあいよいよ「最適化」だ!しかしこんどは一筋縄ではいかない。なんかいかにも悩んでるふうな様子が・・・コンピュータでも計算に悩むみたいで、なんと人間的?というか、そういうところまで良くできたすばらしいソフト!

Gm_A01・・・なので、悩んだ結果、なんかこういうことになった。

Gm_A02これがその絵。
ガンママッチのマッチングエレメントと本エレメントの間の距離が莫大なことになっているけど・・・これなんかまだいいほうで、実はこの条件以外で計算すると、例えばガンママッチのマッチングエレメントの長さをもう少し長い状態を初期条件にすると、さらにもっとひどいことになる例が頻発した。なので、この絵はまだいいほうだ。

ソフトの使い方がまだマズイのか?、パラメータが多すぎると原理的に無理なのか?、ガンマ・マッチという方式自体に無理があるのか? 今のところは不明だ。今後ガンマ・マッチ以外でいろいろ実験したらわかるのかもしれない。

Gm_A03aこれが結果。R+jX.
かなりカーブが芸術的?になっているが、50ΩとjX=0に無理やり合っている感じ。相当苦労した形跡があるな~。

Gm_A03bSWR.
これも、「無理して下げました」という感じ。
Gm_A03c利得とF/B比も、「一応3エレ八木ですけど、すごく苦しかったです」・・・というのがありありと感じられる。


なので、全然実用になりそうにはないものの、マッチング回路は奥が深そうでまだまだ実験材料には事欠かないという印象であった。

哀愁のTR-1200

リズムがCWで、ホワイト・ノイズが「MIK」ベースが「U」、歌メロが「CQ」、シンセソロが「VVV DE JA1IGY」ですよ。w
ウクレレ/ピアノで
    QRL/QSY

ピアノはこちらです。
最新コメント
QRコード
QRコード
記事検索
  • ライブドアブログ