バランとコモンモードチョークについてのメモです。
バランを使用する目的は、「平衡型のダイポールアンテナを不平衡型である同軸ケーブルで給電すると同軸ケーブルの外部導体に電流分布の波形が乗るという問題」への対策です。
マッチングを改善する手段、インターフェア対策、ノイズ対策の意味もあります。
バランの種類は主に強制バランとソータ－バランの二つです。
ソーターバランは、フロートバランとも言います。コモンモードチョークの機能を持っています。
強制バランは、不平衡である同軸ケーブルを平衡型のアンテナに接続するときに、不平衡と平衡の変換を行うために使います。
強制バランはその構造の種類によって（１：４）のようにインピーダンス変換の機能を持たせることもできます。
ダイポールアンテナなどの平衡アンテナであっても、低い周波数用の規模の大きなアンテナでは、アンテナを完全には平衡に設置できない場合が多いのですが、その場合には不平衡・平衡の変換だけでは問題を充分に解決できないこともありそうです。
一方のソーターバランはコモンモード電流に対して大きなインピーダンスを持ちコモンモードチョークとして働きます。この機能によって、「同軸ケーブルの外部導体に電流分布の波形が乗る」という問題を解決しています。
しかし平衡-不平衡の変換という点からすると弱いです。
というわけで、強制バランとソータバランは、目的は共通していますがその機能は違うようです。
実際の現場では、強制バランとソーターバランを併用するという方法も行われているようです。併用しても機能がダブるわけではなさそうで、お互いの弱点を補うことになるのだと思います。
ダイポールアンテナのような平衡負荷のアンテナを同軸ケーブルで給電する場合、ソーターバランだけだと、通常のコモンモードチョークと違って大きな発熱があるので、フェライトコアの大きさと線の太さに注意する必要があります。
ネットを調べても、ソーターバランだけを使った実際の製作例は少ないようです。
古い製作記事の中には、バランを入れずに直接同軸ケーブルで給電している記事もありますが、それでインターフェアが発生しないのか疑問です。
さて、今回私が使うＷ７３５には付属品として強制バランが付いています。
また今回の実際の設置については、給電線の同軸ケーブルがアンテナの片側だけ、下方５ｍくらいに並行して通っています。したがって平衡状態が充分とは言えません。この給電線の影響がどう出るのか、よくわかりません。
それで、念のためコモンモードチョークとしてフェライトコアを使ってみることにしました。使ったのは部品屋さんにあった１個３００円のＴＤＫのＺＣＡＴシリーズのパッチンコアです。かなりお手軽ですが、これを５個おまじないとして付けておきます。
この５個をどう使うかがまた問題です。今のところは、バラン側に５個全部つけておいて、もしリグ側にも必要を感じたらトロイダルコアに数回巻きつける方法を試してみようかと思っています。
なおＴＤＫのデータを見ると１０ＭＨｚでもパッチンコアひとつ５０Ωくらいしかないので、効果はそれなりだと思います。
「同軸ケーブルが長いとその減衰のために、リグで見たＳＷＲの数字は低くなります」と前回書いたのですが、自分の使っているケーブルやこれから使うケーブルの減衰量がわかっていなかったので、確認しました。
アンテナ・ハンドブックにある「ケーブルのロスとＳＷＲの関係の図」
この図を見ると、ロスが３以上は論外だとわかります。ロス３では、リグ側で測ったＳＷＲの意味がなくなっています。
次は同軸ケーブルのデータです。
関西通信電線のＨＦＡタイプのデータ
私は ５Ｄ－ＨＦＡを使っています。
この表は４００ＭＨｚからなので、７ＭＨｚでどうなのかわかりません。
フジクラのＳＦＡタイプのデータ
５Ｄ－ＨＦＡは「フジクラ製５Ｄ－ＳＦＡ同等規格品」と某ホームページに紹介されていましたが、データをくらべると確かにそんな感じです。こちらの表は２１ＭＨｚまで載っているので、これを参考にします。
なお前回のブログで使った波長短縮率はこの表にある８３です。
それから、５Ｄ－ＳＦＡの波長短縮率について、ＪＡＲＬのホームページのデータライブラリーの中にある表では８８％になっていました。よくわかりませんが、私はメーカーのデータを採用しました。
さて、現在使っている１４４ＭＨｚ／４３０ＭＨｚのケーブルは１５ｍです。
これの４３０ＭＨｚでのロスは １１３×１５／１０００＝ １．７ｄＢ
少し大きいです。３３％くらいロスが出ています。
これの１４４ＭＨｚでのロスは ６４×１５／１０００＝ ０．９６ｄＢ
これでも、ロスは２０％です。
実際に現状これで使っていますが支障はありません。アンテナがメーカー製のＸ２００
なので、ＳＷＲに関しての不安はありません。
次にケーブル長３５ｍで７ＭＨｚの場合ですが、上の表によれば２１ＭＨｚで２７なので、安全を見て２０として計算してみます。
２０×３５／１０００＝０．７ｄＢ
これだとロスは１５％です。実際にはもう少しよさそうです。
いちばん上の図から、この程度のロスであれば、ダイポールアンテナのＳＷＲをリグ側で測定しても、大きな誤差にはならないことがわかります。
《 追記 》
最初の図で、ロス３ｄＢのケーブルにＳＷＲ５のアンテナをつないだ場合を試しに計算してみます。
① リグの出力を１０Ｗとします。ロス３ｄＢなのでアンテナへの入力は５Ｗです。
② アンテナのＳＷＲは５ですから、反射波は（５Ｗ×４／９）です。
③ 反射波もケーブルで３ｄＢロスするので、リグに戻る時には半分の（５Ｗ×２／９）になります。
④進行波１０Ｗに対してリグに戻った反射波は（１０／９）Ｗですから、ＳＷＲを計算すると２になります。
ケーブルのロスが往復で利いてくるのでＳＷＲに大きく影響してしまいます。
無線局の変更申請をしてから3週間が経ちましたが、まだ審査中です。
いちおう審査中ですから、あちらのコンピューター上でも審査中になっているわけで、忘れられることはないだろうと思って安心して待ってます。
さて、アンテナを建てる準備はゆっくりと進んで、だいたい部品は揃いました。
あとは支柱を建てる位置を決め、穴を掘って、アルミの支柱を支える単管を立てます。穴掘りは、長芋を掘るのに使うような道具を使うので、わりあいに簡単です。単管を穴に入れたら、その周囲に路盤材を入れて突き固めます。
路盤材なので、後で掘り起こすこともできます。これも経験済みですが、単管はクランプを利用してテコの原理で引き抜くことができるので、撤去もわりあいに楽です。
さて、本題のケーブルの波長短縮率についてです。
今回のダイポールアンテナは、2本の支柱をおよそ３０ｍ間隔で立てて、その間にＷ７３５を張るという構造です。したがってバランは１０ｍ近い高さの空中にあるので、バランに近づいて直接インピーダンスやＳＷＲを測定することはできません。
かといって、測定のためにアンテナを低い位置に張るのは、地面の影響のために１０ｍの空中とは全く異なるデータになってしまうのでダメです。
この場合のいちばん簡単な方法は、１/２λ（の整数倍）の長さの同軸ケーブルを使って測定することです。これでアンテナの正しいインピーダンスが測れます。
わたしはインピーダンスメータは持っていませんが、ディップメータは持っています。
ディップメータは昔からの測定器具なので、今では時代遅れな感じもしますが、使えます。
構造がシンプルなので、安心感はあります。
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参考資料 １/２λの同軸ケーブルを使った共振周波数の測定
この資料には「実際の長さと実測した周波数との積を求めて・・・」とありますが、もちろんこれはフルサイズのシンプルなダイポールアンテナでの話です。
さて、現実には１/２λのケーブルをわざわざ用意するのは面倒だしお金もかかります。
それに比べれば、マッチングを取るためのツールとして一般的に使われているＳＷＲ計は、進行波電力と反射波電力を測定して計算しているはずなので、同軸ケーブルの長さの影響はそれほど受けません。
なお一般に、同軸ケーブルが長いとその減衰のために、リグで見たＳＷＲの数字は低くなります。これはリグから見た見かけのSWRがよくなるだけの話で、言い換えれば、アンテナ自体のSWRが見えなくなるということで、よいことではありません。
波長短縮率というのは、ケーブルを走る電波の速度と真空中での電波の速度の比です。１/２波長のケーブルの長さを計算するために必要な係数です。
波長短縮率は主に絶縁体の材質によって変わるようです。よく見かける同軸ケーブルの波長短縮率は、5Ｄ-2Ｖのもので０．６７。
これだと３．５ＭＨｚの１/２λの同軸ケーブル長は
３００/３．５５×１/２×０．６７＝２８．３１ｍ
私の用意したケーブルは３５ｍなのでずいぶん違います。３５ｍは長いですが、必要な長さなのです。
アンテナが大きくて給電点が高いのでケーブルは長いです。
しかし、実は私が実際に用意したケーブルは５Ｄ－ＨＦＡでして、これは５Ｄ－ＳＦＡの同等規格品で、絶縁体に同じ素材（高発泡ポリエチレン）を使っています。
５Ｄ－ＨＦＡの波長短縮率のデータは見つからなかったのですが、５Ｄ－ＳＦＡのデータは０．８３でした。これで計算すると ３００/３．５５×１/２×０．８３＝３５．０７ｍ
Oh my God!! まさに偶然の一致、神のご加護、ＯＭＳＲＩＳＡＩＲＡＭ
７ＭＨｚでは ３００/７．１０×１/２×０．８３＝１７．５３５ｍ
あたりまえですが倍の長さの３５ｍの同軸ケーブルは１/２λの整数倍ですから、これもそのままで使えます。
実際の測定では、参考資料の図のように、同軸ケーブルのコネクターにワンターンを作って測定することになるのでうまくディップしてくれるかどうかも怪しいですし、精度も怪しいですが、リグのＳＷＲメータのほかにも共振点を調べるツールがあるのはよいことです。
アンテナが共振していても、主に地上高の関係で放射抵抗が５０Ωから大きくずれているとＳＷＲは充分に下がりません。
２バンドダイポールアンテナの場合は、両方のバンドでＳＷＲを充分に下げることはできないはずですから、ディップメータで共振点を確認できるなら、調整する上で大きなメリットがあります。
なお手持ちのディップメータの周波数表示はクラッシックなアナログですが、ＢＣＬラジオのデジタル表示を利用すれば正確な周波数がわかるはずです。
それから、現物の同軸ケーブルの波長短縮率もディップメータを使って測定できます。
ディップメータを使った１/２λの同軸ケーブルの作り方も参考資料の本には載っていました。
もし必要ならそこまでやることになりますが、まずは偶然の一致を信じて３５ｍでいきたいと思います。
多少ケーブルの長さがずれても波長が長いので大きな誤差にはならないかもしれません。それについてもスミス・チャートでおよその予測はできるはずです。
たかがダイポールアンテナですがいろいろあります。考えることが多くて、なかなか作業が進みません。
【 別の話 】
◎ 「地面」はなぜ「ぢめん」ではなく「じめん」なのか？
この文を書いていて、「ぢめん」と入力したら変換してくれませんでした。「地」は「ち」だから「ぢ」でいいんじゃないのかとぼんやりと思ったのですが、調べたら、それはほぼ間違いでした。
しかし、たとえば「血」の場合、「鼻血」は「はなぢ」が正しいのです。
「鼻血」と「地面」ではどうして異なるのか、ということです。興味のある方は調べていただければすぐわかります。