中波受信用ループアンテナ その２１（アルミ平板でもループアンテナ）

いろいろと思うところがありアルミでもループアンテナを試作してみました。
エレメントには、幅15mm 厚さ2mm 長さ1mのアルミ平板2本を接続して円形ループにします。いびつな円形になっているのはご愛敬。

まずは、インピーダンスを測ります。15MHz付近にピークがあります。
中波帯594kHzのインピーダンスは約6Ω、インダクタンスは約1.6μHです。

続いてレジスタンス成分を測ります。測定系の都合でレジスタンス成分とリアクタンス成分に大きな差があるとうまく測定できないので、直列同調コンデンサでリアクタンス成分をキャンセルしてレジスタンス成分を測ります。写真は、測定途中のもので、最終的に配線を3本並列に変えたりと試行錯誤しています。

レジスタンス成分の測定は、トリマの同調範囲の都合で周波数610kHzで行いました。グラフから約65mΩと読み取れます。ループアンテナのインピーダンスは、65mΩ + j6Ωということになります。ただこの測定値は、測定器の誤差はもちろん接続ケーブルの抵抗、コンデンサのESR、エレメント～ケーブル間の接触抵抗を含んでいます。特にアルミは、表面に酸化被膜ができることもありネジの締め具合やクリップのつまみ方で接触抵抗が大きく変動するので測定に苦労しました。

グラフからは、帯域幅が2.9kHz×2 = 5.8kHzと読み取れます。従ってループアンテナの無負荷Q = 610kHz/5.8kHz = 105 となります。

次に、同軸ケーブル外部導体によるループアンテナとゲインを比較するため、整合回路を接続します。約65mΩを50Ω近くまで変換するために変圧比3（インピーダンス変換比9）のトランスを3段重ねとしています。

このトランス2段目と3段目の出力でインピーダンスを測定してみました。それぞれ約7Ωと65Ωと概ね適正にインピーダンス変換ができていることがわかります。
ただここで着目すべきは、帯域幅と無負荷Qの変化です。2段目は帯域幅7.2kHz（無負荷Q=83）、3段目は帯域幅9.2kHz（無負荷Q=65）とトランスを通る毎にQが低下しており、トランスでロスが発生していることがわかります。

さて、いよいよ同軸ケーブル外部導体によるループアンテナと受信電圧を比較してみます。594kHzの受信電圧はアルミ平板56.6dBμVで同軸ケーブル59.5dBμVより約3dB低くなりました。また、両者でノイズレベルが大きく違いますが、アルミ平板だからノイズが大きいとかそんなはずもないので、測定時にぶら下げたベランダの吊り下げ金具からノイズが流入したと推測しています。（吊り下げ金具は建物の鉄筋と導通しているため）

アルミ平板によるループアンテナ

同軸ケーブル外部導体によるループアンテナ

最後に考察です。
ループアンテナの出力電圧を、アルミ平板1回巻の起電力に対する差分として計算してみます。

（１）同軸ケーブル外皮によるループアンテナ

諸元：直径55cm、巻数6回、整合回路： 変圧比1:3のトランス2段、出力インピーダンス88Ω

ループアンテナの起電力は直径の2乗に比例するので、同軸は(55/60)^2 = 0.84倍。巻数に比例するので6倍、さらにトランス2段で9倍に昇圧されます。出力インピーダンス88Ωに50Ω負荷を接続するので負荷電圧は50/(88+50)=0.36倍。従って、0.84×6×9×0.36=16.3となります


（２）アルミ平板によるループアンテナ
諸元：直径60cm、巻数1回、整合回路 変圧比1:3のトランス3段、出力インピーダンス65Ω

この1回巻ループを基準と考えると、トランス3段で27倍に昇圧されます。出力インピーダンス65Ωに50Ω負荷を接続するので負荷電圧は50/(65+50)=0.43倍。従って、27×0.43=11.61となります。

（１）（２）の負荷電圧を比較すると、20 log(16.3/11.61) = 2.9dB と、実測値と同じになりました。

2012.4.13 計算に間違いがあったので修正しました

さて、今回の試作を通してわかったことです。

・アルミ平板（幅15mm 厚み2mm）は、同軸ケーブル（5D-2V）外皮より
レジスタンス成分が低く、同じ受信電圧をより少ない巻数で得ることができる


・アルミ平板は、接触抵抗が安定しないため、接続部分を機械的にガッシリ作るなど工夫が必要。特に中波帯など低い周波数では、短波帯と比較して接触抵抗値が相対的に大きくなるかもしれません。


（注）アルミ製ループアンテナをお使いの方から、5年の経年後でもDCR測定値に問題がなかったとの報告が寄せられました。
当方の試作では、エレメントから接続ケーブルを引き出すためのたまごラグを、2つのアルミ平板端点でねじ1本で共締めしていました。このねじの締め具合で594kHzで10～50mΩ程度の変動がありました。たまごラグの接続には専用のねじで固定すると良いのかもしれません。実際にアマチュア無線用にアルミ製ループアンテナが市販されれています。(2012.4.13)


・低いインピーダンスを扱う整合回路はロスが出やすい。


・直径60センチ 1回巻のループは、中波帯で使用するにはインダクタンスが小さすぎて同調コンデンサの容量が大きくなり使いづらい。整合部とループを接続するケーブルの長さを数センチ変えるだけで同調点がずれます。