JE1QMS

アマチュア無線局 JE1QMS のブログです。
14MHz JT65 で22年4ヶ月ぶりにオンエア復活後、CW練習や移動運用は中断、自作ダイポール室内アンテナでJT65、あとはウクレレQRLをやったりw(^^♪という感じでしたが、マンションの最上階ロケーションが手に入ったことから、新たな展開をゆる~く模索中(^◇^)

MMANA

何かがおかしい 6m GP シミュレーション

MMANA-GALで、50MHzの基本的なGPを自由空間で最適化シミュレーションしようとしてみる。

エレメントの長さとラジアルの長さを両方最適化計算してみると~

GP1


GP2


これはひどい。
とにかく最低な結果に。SWRのみならず、エレメントやラジアルの長さも言うまでもなくメチャクチャ。

なんでだろう?

そもそも、ラジアル部分が、全てのラジアルとエレメントが交差する点で電流が0になっているというのはどうなのか?
そういう計算したらGPアンテナの動作じゃないんじゃないのか??

う~~~~~ん。。。

いじればいじるほど、わからないのがMMANA。
教科書に書いてある、地上高0mのホイップアンテナはうまく行くんだけど、ちょっとそれを離れるとなんか全然わからないという。

結局マッチングのところの動作も未だに全部謎だし。。。

そもそも、このソフトに使われているであろう理論とか、その式とか、さらにシミュレーション可能な範囲がどこからどこまでか? とかを全然理解しないで、ただ猿が人間の作った高度な機械を原理も知らずにいじりまわしているのと同じ感じでいぢってるだけだからダメなのか?

実際、今までやってきた沢山のMMANA-GALのこのブログの記事は、
100%全て、そういう「猿レベル」だ。 

でも、わからないでやってるから事実だから仕方がない。

結局、MMANAのソフトを作れるくらいの実力が無いと使いこなせないソフトであろうことは良くわかった。
数学をマジメに勉強して、電磁気学をマジメに勉強して、・・・ソフトの作り方もまじめに勉強して・・・全部理解した人が、手計算が面倒だからソフトでも作ろうか~という段階ではじめていじる資格が出てくるソフトみたいな。。。

う~ん。あまりに高度すぎるので、ちょっと黙ってることにする。

各種室内ダイポールアンテナを計算してみる

ここで計算した、14MHzモノバンドフルサイズ・ダイポール。ちょっと欲を出して、もし他のバンド用のアンテナを併設したらどうなるかというシミュレーションをやってみる。

あくまでも「併設」であって、マルチバンドアンテナにはしない。いうまでもなく複雑になって性能が劣化するのが当然だから、はじめから検討対象外とする。


<14MHz ← 50MHz>
まずは、前にやったままの14MHz ベント・ダイポールのエレメントの極近傍に、50MHz用のダイポールを張った場合のシミュレーションだ。
14_6_1
この緑で書いたとおり、横方向・下方向の両方で、1cm~50cmまでの距離で障害物の6m DPのエレメントを置いて、ご本尊の14MHz DPの特性変化を見た。
その結果、「影響なし」ということがわかった。
なんというか、そこだけ高周波的に少し太くなっただけで、高周波くんからみた長さは不変だからだろう。


<10MHz>
次は、10MHz用モノバンド・ベントダイポールを作ってみる件。
10_1
このように、もう平面内ではエレメントが収まりきらないので、第3の軸方向に先端を伸ばした形状にする。
次の2枚がその結果。
10_2
10_3
このように、一応周波数あわせは可能なものの、R成分が苦しい。
もし10MHz単独でやるなら、それ用のバランで対応するという手はあるのだろうが、現時点ではそういう状況にないわけで、これはやはり却下が妥当みたいな。


<21MHz>
同様に、21MHz用モノバンド・ベントダイポールをやってみる。
21_1
このような寸法で、ベントは1回ですむ。結果は次の2枚。
21_2
21_3
良いというほどではないが、アンテナチューナーを付ければ使えそうな程度な感触はする。



<21 ← 14MHz>
次は、その21MHzダイポールの極近傍に、前に計算したままの14MHzダイポールを這わせてみるという計算。
21_14_1
このように、14MHz用の2回目のベント成分は、距離が遠いので省略した。結果は次の2枚。
21_14_2
21_14_3
もう、完璧に破壊しつくされている。もとの21MHz DPの特性はもう見る影もない。どうやら、先程の、14に50をくっつける場合とは逆に、21に14をくっつけたことで、高周波的には14のDPのエレメント長と等価になったみたいな。

要するに、複数のエレメントをごく近傍に接近させた場合には、長い方の長さに集約されるみたいな。

平たく言えば、「遠くから見た状態そのもの」になるみたいだな~。


まあだからこそ、SteppIRの価値が絶大なわけだがwwww 
たかがエレメント配置とか、電子的な定数変更程度で特性が良くなるのだったら、誰も苦労してエレメントを物理的に動かしたりなんかしないだろう!

という、ごく当たり前の結論になったのであった。

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まあ、やはり欲張りはダメだよ。
特にこういうダイポールみたいな単純なアンテナに関しては、

 二バンドを追うものは、一バンドも得ず。

ということわざが、厳密に成立する世界みたいだな~。 

MFJ-1788への物干し竿の影響シミュレーション

前に書いたように、MFJ-1788を室内からベランダに出すと、特に
14MHz帯が一番悪くなる。また、全バンドとも、コントローラからみたアンテナのディップの挙動は明らかに悪くなる。なのでそれはアンテナの極近傍にある物干し竿等の障害物の影響と考えられるので、MMANA-
GALでそれを確認することにした。

ここでやったMFJ-1788相当の磁気ループアンテナのシミュレーションでは、14MHzではもう芸術的なまでにすばらしい特性を示した。
一方ここで、50MHzの4エレ八木の傍に物干し竿がある場合の計算をした。なので今回は、この磁気ループのデータに物干し竿をつけてみようという趣旨。

まず、次の3枚は、障害物がない場合の計算結果を再掲する。
このとおりのすばらしいデータだ。

MFJ1788_14_1a
MFJ1788_14_2
MFJ1788_14_3



次に、実際の物干し竿の位置に障害物を置いてみた。

MFJ1788_monohoshi_14_1

マストも入れてみるとこんな感じ。

MFJ1788_monohoshi_14_1a

このように、かなり電磁界を拡大してみないと(つまり、磁気ループアンテナ本体の電磁界は大きすぎて画面から、はみ出ている。)、物干し竿やマストに乗っている電界はわからないくらいの量だ。

それは計算結果にも現れている。次の2枚は、物干し竿付きでシミュレーションした結果だ。

MFJ1788_monohoshi_14_2

MFJ1788_monohoshi_14_3

もう、全く影響がないと言ってよいだろう。

ということは・・・
外部要因による妨害まで考えることは、シミュレーションソフトの能力の範囲外にあるということだ。
だって、「事実」がそれを示しているから。

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やはり、アンテナ関係は、実際に作ってみないとわからなことが山ほどあるみたいだな。それだけ奥が深い世界なんだろう。
なんというか、デジタル回路やましてやソフトウェアみたいな世界とは対極に位置する分野みたいな・・・・・

MMANA-GAL の options の怪 2

ここで書いたみたいな、マッチング回路を集中定数でやるっていう、所謂LCマッチング。具体回路はこれだ。

ところで、MMANA-GALをいじってると、未だに良くわからない箇所がある。そう。optionsのところ。具体的には、

1
こういう一番初歩的なダイポールを作る。
2すると当然こんなふうに、同調するけど72Ω位になる。

3ここでoptions and setupのところのResonanceをみると、こんなふうに、多分同調時のアンテナインピーダンスの値が示される。でも既に、
L(ohm), C(pF)っていう時点でなんかおかしいけど。

4次はCoilのタブ。
数値からすると、さっきの同調時のアンテナインピーダンスのところのLが、こんどはuHの単位で上に書いてあって、多分この数値のインダクタンスのコイルを巻くにはどうすればいいか?っていう話みたいな??
ただ、それがどうした?感がありまくり。

5これと、

6これは、LC-matchのタブ。なんかいかにも、左側が給電側インピーダンスで、右側がアンテナインピーダンスで、真ん中にあるLC回路を入れるとマッチングが取れるような気がするけど?なぜか2つ絵があるのが不気味。そうそう、インピーダンスの大小によってLやCの位置が決まるはずだ。

という感じで、見た目はカッコいいものの、疑問点が山積みなので、まともにマニュアルを探してみると、これだ。
なんと、一番肝心なところで記載があいまいな上、図面までリンク切れになってるという。

なんか、MMANA-GALのこの機能って、未完成なんじゃないの??
という疑惑ありまくり。

たまに見る、Webサイトでリンクが付いてるのに未完成なページがあって工事中のgifアニメwwwな~んていうのがあるけど、ああいうのは一番嫌いだ。「そんなページに、はじめからリンク貼るなよ!」と言いたいよね。今回のもそれと同じような感触。

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

7まあでも、文句たれても始まらないので実験してみる。
こういう風に回路を組んで、さっきのoptionsにあったLCの値を入れてみたり、またはここにあった式で自分で電卓手計算した数値を入れてみたりする。

その結果、そのどちらを入れてもマッチングとれないじゃん。

というわけで、すばらしいソフトなのでありがたく使わせていただくものの、当然フリーウェアは無保証で自己責任。リスクがあっても全て自己責任!の原則を、改めて実感したりする。いろいろと勉強になるす。

当然ながらそれでもこのソフトのすばらしさは全く揺らがない!わけで、意見を言えるのはこのソフト以上のソフトを作れる能力がある人だけなわけだが・・・・。まあいいや。

とにかく、マッチング回路は奥が深いことだけはよくわかるな。
と同時に、ここでやった集中定数マッチングの計算。なんか全然信頼性が低いみたいな気がとてもしてきた。。。
なにも確かなものはない世の中。シミュレーションなんか所詮は架空の計算。
「だからこそ、アンテナチューナーというものがあるんだよ。」という事実が全てを物語っているみたいな気もしてくるみたいな。

14MHzモノバンドアンテナを考えてみる

なにをやってもことごとく「失望」の2文字だけが顕在化するここの場所なのだが、14MHz帯のJT65だけは脈がありそうな感触を得た。

しかし、こちらのMFJ-1788磁気ループアンテナでは、14MHzはSWRが悪い。もちろんこれはアンテナのせいじゃなくて完全にこちらのロケーションのせい。障害物ありまくりだからな~。

というわけで、全くここの状況や各バンドの様子がわからないとある程度いろいろなバンドを覗いてみるしかないわけだが、もう既にいろいろ見て、ことごとくほとんど全てのバンドが絶望的な状況な事だけはわかった。そんななかで、唯一の脈が14MHzのJT65。

ならば、それ専用のアンテナがあれば、少なくても今よりはマシになるのでは?・・・と妄想してみる。
しかしそこは悪環境。別のアンテナをまともに上げるなんて無理だ。ならば・・・このまえ計算だけやった50MHz室内八木アンテナ
それをやるよりは、現実に希望が少しでもある14MHzをやったほうがいいんじゃないのか?ということで、同じ室内アンテナ用のスペースに、
14MHzのアンテナを張る事を考えてみる。

-------

14MHz帯のアンテナというと、前に調べたマイクロバート・アンテナとか、ダブルバズーカ・アンテナ1, 2)があるけれど、どうせ条件の悪い場所でしかも室内アンテナだ。高級なアンテナを上げたってどうせダメに決まっている。

ならば、一番単純なダイポール、しかも一番無理がないフルサイズはどうだ?と考えてみる。

当然ながら室内の狭いスペースに20mバンドのフルサイズダイポールなど無理に決まっているので、ローディングコイル・・・な~んて面倒なことはやめて、フォールデッド?ダイポールにしてみる。とはいうものの、これじゃないんですよ。

本当に、ただ場所が無いので折り曲げただけ。こういうふうに。

図面

どうやら、ベントダイポールと言うのか?しかも一回の折り曲げだけではまだ長さが足りないので、この図のように2回折り曲げて、2回目の折り曲げ先の長さを調整して周波数合わせをすることを考える。

とりあえずMMANA-GALで最適化シミュレーションをやってみると、まずは自由空間ではこんな感じ。

自由空間

本来のダイポールのR成分73Ωが、悲惨に折り曲げられたせいで35オーム位まで落ちている。あと、当然ながら、指向性などは、いじめられたせいでかなり無くなってしまっている。

そして次は、まさにここのロケーションそのままである、
「地上高 5 m 」の場合を計算してみる。こんな感じ。

地上高5m

当然ながら地面の影響で打ち上げ角が上がりまくっているし、完全に無指向性アンテナになっている!けど、逆に地面の影響でR成分が43Ωまで上がって、見かけ上のSWRはよくなっているという。

ある意味、悪環境のおかげでマッチング回路不要になったりして。
さらにここで書いたように、どうせ悪環境の室内アンテナ。なので平衡不平衡とか問題になるレベルじゃないだろう。だからバランも無視!。
そうすれば、5D2Vにエレメント直付けで完成だ!。
あと、どうせ長さ自体は周囲の影響でズレまくるに決まってるから、そんなのは手動のアンテナチューナーで調整する。幸か不幸か同軸ケーブルの長さは短い。だって「室内」アンテナなんだもん。 (´▽`)
だから、もともとアンテナチューナーとアンテナ給電点間の距離が問題になるレベルじゃない。(だから尚更平衡不平衡も無視なのだが)なにしろ、たとえ最高にマッチングを取って給電線からの輻射がゼロになったところで、アンテナ自体が室内にあるんだから、どっちから出ようとほとんど変わんないじゃん。(^o^)/
っていう、すごく低次元(ていうか、感涙?)なレベルの話。

まあでも、何もないよりはずっとマシだ!さらに言うまでもないことだが、どんなアンテナだろうと RFパワーはできるだけ低く抑えるのがここの環境では最重要なわけで。

あ!さらに利点が。。。。
室内アンテナにした方が、アンテナをベランダに出すよりもアンテナと隣家との距離が稼げてインターフェア上有利だ。

なんか、すごいレベル?(低次元とも言う)の話をしているな~という。 まあいいや。

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

どうやら、具現化に一歩近づいた感触がするね。

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~。

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QRL

ウクレレならば小型でしかも電源アンテナ不要でいつでも移動運用可能ですよ~
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