中波受信用ループアンテナ その２２（受信帯域幅を拡大して音質改善）

同軸ケーブルで製作したループアンテナの課題

１．帯域幅が狭い
無負荷時の帯域は4kHz、負荷接続時は6kHz強（アンテナインピーダンス88Ω、負荷インピーダンス50Ωのとき）になっているものと推測しています。
ラジオ放送には強力なプリエンファシスがかかっているため高音が出ないといった違和感はないですが、やや歪み感があります。


→ 複同調回路で帯域幅を広げてみる

２．同調周波数ずれ
1ヶ月ほど屋外で使用しているうちラジオの受信音質が歪みっぽくなりました。同調周波数を測ると3kHzほど低くなっています。
同調周波数は、エレメントのインダクタンスと同調コンデンサのキャパシタンスで決まります。これは屋外設置後電線管の中で同軸ケーブルの位置がずれたり温度変化で同軸ケーブルの長さが変わることによってインダクタンスが変わったことと、同調コンデンサのキャパシタンス変動によるものと思います。
エレメントの温度特性は予想も付きませんが、同調コンデンサはマイカコンデンサ（±200ppm/℃）とトリマコンデンサ（±2.5%）を使っており、特にトリマコンデンサの変動は無視できません。


→ 同調コンデンサには温度特性の良い物を選定し、特にトリマコンデンサの容量は最小限にすることにします。同調に影響するコイルも同様に配慮する


複同調回路で帯域幅を拡大

これは某氏の好意で頂いた設計データ（C1～3、L1）です。PSpiceを使うと便利にシミュレーションできるそうですが。。。

複同調と言うことでループアンテナのインダクタンス（45μH）とC1、L1（45μH）とC2の2組の同調回路を組み合わせています。C2を変化させると同調回路相互の結合度が変わるそうです。L1の両端からトランスでインピーダンス変換して出力を取り出します。
C1, C3は、マイカコンデンサに並列に45pFのトリマコンデンサを接続して同調周波数を微調整します。C2には積層フィルム型のコンデンサを選びました。
変圧比12:1のトランスは、トロイダルコアに24回巻いて2回巻目にタップを引き出したものです。

L1のインダクタンスは45uH必要で、T68-#2の場合は計算上は89回巻となります。ここで巻線としてUEW 0.32mmを使う場合、1層巻の上限は80回なので、9回分は重ねて（2層）巻く必要があります。
『トロイダル・コア活用百科』によると、”トロイダル・コイルの巻線はコアの全周にわたって均一に分布するように巻く” もので “巻線が片寄っていると漏れ磁束を生じる” ため、インダクタンスが計算値と比較して多めになるようです。
今回の場合、89回巻を実測すると48.3μH（594kHzにおいて）となり、トロイダルコアの製造誤差の範疇かもしれませんが巻数を調整して86回巻で45μHになりました。

複同調回路の調整

調整前のインピーダンスはこんな感じです。2つのトリマコンデンサを調整しますが、山のピークを思うように動かすことができません。

594kHz付近を平坦にしたいところですが・・・

複同調回路は、2つの同調回路の結合度を調整して単峰特性と双峰特性を実現するものです。私は、同調周波数の異なる2つの同調回路を結合させるものと理解していましたが、実際には同調周波数の同じ2つの同調回路の結合度を変化させるだけで特性が変わるものでした。このため、期待通りに調整することができなかったのです。

そこで某氏に調整方法を指導して貰います。
（１）まずはC1またはC3の片方を調整して2つの山の高さを揃える
※相互の同調周波数を揃える
（２）C1とC3を同量ずらして全体の周波数を調整
（３）片方のトリマだけを調整して2つの山の高さを揃える

これらを繰り返して全体の周波数を調整します。山の間隔は、C2で結合度を変えて調整します。
下の図は、結合度を 疎（C2を大きく）にさせたときの変化です。（下の図のほうが結合度が 疎 になる）

調整中の図

受信テスト

インピーダンスアナライザでレジスタンス成分、リアクタンス成分、位相を測りながら調整しました。ただ、3つの指標の何を基準に合わせればよいのか困りました。結局、中心周波数で位相が0度になるようにし、レジスタンス成分の2つの山の高さを合わせるよう調整しました。
結果的には、C2=0.1uFとしました。ただこれは、帯域幅を広げすぎたようで結合度が密のため損失が増えてしまい（通過帯域中心の減衰量が増える現象）受信レベルが下がってしまいました。

最後に受信テストです。
受信機に接続して、あれっと感じたのはNHK第一以外まともに受信できないことです。
複同調回路はフィルタをカスケード接続するようなものですから、スペアナで見ると希望周波数以外が大きく減衰している様子がわかります。また、受信レベルが7dBも低くなってしまいました。もう少し定数を見直したほうが良いかもしれません。
また、懸案だった受信音質は改善されました。

参考資料

home page of, JF1OZL - コイルの基礎実験：複同調の磁気結合係数とバンドパス特性に関して
無線工学の基礎（１アマの無線工学） - 受信機の選択度とIFTの特性 通過帯域幅・単峰特性と双峰特性

秋葉原でループアンテナ

秋葉原にトロイダルコアを買いに行った帰り、ロケット アマチュア無線本館というお店の前にループアンテナが展示されているのを見かけてびっくりしました。
秋葉原でアマチュア無線機器というと、富士無線電機とラジオセンターのお店くらいしかないと思い込んでいたので、こんなところにこんな大きなお店が！という驚きと、しかもループアンテナを店頭販売していることの2重で驚き。

取り扱っているのは、field_antという工房の製品で、手に届きそうな価格でいろいろと商品がありました。アマチュア無線用ですが、エレメントはそのままで中波でも使えますから、自作のマッチング回路と組み合わせばラクができます。特にMK-4A/MK-4Bは良い感じです。

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。

中波受信用ループアンテナ その２０（ブースターでAMラジオ室内受信改善）

台所のAMラジオの受信状態がひどく悪いので、受信改善を試してみました。
ブースターは、Webで見かけたAMブースター（UZ-8DX）の回路を見てやっつけで作ったもの。
出力にクリップコードで作ったループを接続してラジオと結合します。
これでラジオが安定して聞こえるようになりましたが、いろいろと不満が残っています。

中波受信用ループアンテナ その１９（組み立て・受信実験）

いろいろと誤算がありましたが、とにかく組み立てて受信実験をしてみました。当初の期待には遥かに及びませんがホイップアンテナと比較すると受信端子電圧が高く、十分に実用になります。

エアコン室外機から離れたベランダ天井から吊した様子 

整合部の内部

整合回路

受信端子電圧（594kHzに同調）

（１）ループエレメントに直列にコンデンサを接続して共振させたところ

抵抗成分は約1Ω

（２）ループエレメント＋直列コンデンサ＋マッチングトランス（変換比１：８１）

位相が±45°となる帯域幅は4kHz（無負荷時）

（３） （２）に直列に82オームを接続したとき

位相が±45°となる帯域幅は7.8kHz（負荷接続時に相当）

中波受信用ループアンテナ その１８（整合回路）

お断り

ループアンテナ単体の抵抗成分を実測したところ、想定値の20倍である1Ωもありました。同軸ケーブル外皮の高周波抵抗値が同じ太さの銅パイプと同じと想定していましたが、それが正しくなかったためなのかなと思います。以下の記事は、それに気付く前に書いた物ですが、この当時自分が考えていたことのメモとして残しておきます。

ループアンテナの単体特性

製作中のループアンテナの特性を示します。インダクタンスのみ実測値でその他は計算値で、インピーダンスは0.6MHzで0.020Ω+j168Ω、0.8MHzで0.023Ω+j244Ωとなります。

整合回路 

フロートバラン

これは、ループアンテナエレメントと負荷側の回路とのコモンモードに対するアイソレーションを確保するのに挿入するものです。負荷側のインピーダンスとは、整合回路・受信ケーブル・受信機をまとめて見たときの対地インピーダンスと考えていますが、測定のしようがありません。仮に、勘で数100Ω程度としますと、フロートバランでは一桁大きいkΩ台のリアクタンスが欲しいところです。

たとえば、600kHzで1kΩのリアクタンスを確保するには、FT-50-#75に10回巻く必要があります。ここで問題となるのが、巻線の抵抗成分です。巻線の長さは概算で25cm×2本=50cmより、直径1mmのUEWで31.5mΩもあります。これでは、ループアンテナエレメントの抵抗成分20mΩよりも大きいです。気分的には、ループアンテナエレメントと整合回路の間に挿入したいところですが、これでは整合回路の出力側に入れたほうが良さそうです。

コンデンサの選定

ループアンテナのリアクタンス成分をキャンセルするため、直列にコンデンサを挿入します。600kHzに同調するには1600pF、800kHzは800pFです。このコンデンサは等価直列抵抗ESRが低くないと損失が発生します。コンデンサの仕様書には、ESRの代わりにtanδが記載されています。

ESRとtanδの関係は、インダクタンス成分が無視できる周波数領域のとき次の通りです。但し、Xcはコンデンサのリアクタンスです。

例えば、村田製作所のラジアルリード積層セラミックコンデンサのtanδは、温度補償用で30pF以上でQ≧1000とあります。コンデンサのQはtanδの逆数なので、tanδ≦0.001です。ただこの規定周波数は1kHzなので周波数が上がるにつれて特性が下がっていくことが想定されます。

村田製作所のデータシートから抜粋

もうひとつ、高周波で性能が良いと有名なマイカコンデンサの例を調べてみました。こちらは、tanδ（誘電正接）の周波数特性まで掲載されています。1000pFなら、1MHzで0.01%と積層セラミックコンデンサより1桁良いです。

双信電機のデータシートから抜粋

この特性を見ると、マイカコンデンサしか選べませんね。それでも、168Ωのリアクタンスを持たせるときのESR値は、0.0001×168Ω=16.8mΩ、ループアンテナの抵抗成分20mΩに匹敵するのでロスが出ます。

インピーダンス変換トランス

トロイダルコアを使ったトランスですが、何回巻けばよいのか調べてみました。文献によると、使用最低周波数でのコイルのインピーダンスの目安は次の通りということです。但し、 インピーダンス Z、一次側インピーダンスZa、二次側インピーダンスZb。

参考資料

・電線館.com - エナメル線（2種ポリウレタン銅線）仕様書

・ニチコン - アルミニウム電解コンデンサの概要
・村田製作所 - 絶縁型ラジアルリードタイプ積層セラミックコンデンサ
・双信電機 - リードタイプマイカコンデンサ
・根日屋英之 小川真紀(2005) ユビキタス時代のアンテナ設計 東京電機大学出版局

中波受信用ループアンテナ その１７（トロイダルコアについて）

トロイダルコアのインダクタンス

トロイダルコアのデータをまとめてみます。

各データは、アミドン(T/FT/FBシリーズ)取扱説明書（トヨムラ）とトロイダル・コア活用百科（CQ出版）から抜粋したものです。ただAmidon Associatesのデータシートと若干数値が異なっていたり、秋葉原で入手できるものはMicrometals製だとか、このあたり正直なところ何だか良くわかりません。

さて、トロイダルコアのインダクタンスは次式で計算できます。但し、インダクタンスL、AL値、巻数N、AL値で指定された巻数N0。

次の表のAL値は、巻数1,000回あたりのインダクタンス[mH]です。

トロイダルコアのAL値

最大巻線数

参考資料

・山村英穂(1983) トロイダル・コア活用百科

中波受信用ループアンテナ その１６（巻いてみた）

とりあえず仮組み。構造上仕方のないことですが電線管は円形にならずひしゃげた形となり、格好良いとは言い難いです。エレメントとして使う同軸ケーブルはフジクラ5D-2Vを選びました。テレビ用の同軸ケーブルは、編組の銅線が少な目なのではと先入観があったことが理由です。（実際にどうなのかは検証していません）
写真のものは、短辺方向が直径52センチ、長辺方向が58センチです。巻き数は6回で、それ以上はちょっとムリのようです。

次に、エレメントのみの単体特性です。まず自己共振点が2.75MHzになっています。以前の記事で4回巻から2回巻に変更して実験していたのに見事に忘れていました。インピーダンス測定値で抵抗分の指示値がマイナスになったりしていますが、これは測定系の問題なので無視して下さい。最後のインダクタンス値は、自己共振点に近づく（周波数が高くなる）につれて増加していることが読み取れます。インダクタンス値が受信帯域内で変化していると、厳密にはラジオの受信音質に影響すると思っています。今回は600kHz～800kHzで使用するので良くはないけれどダメでもないかと自分に言い聞かせて、（修正が面倒なので）このまま進めてみます。

中波受信用ループアンテナ その１５（PF管を巻き枠に）

このところ机上検討ばかりで飽きてきたので何かしら手を動かすことにしました。
これまでの検討で、自分の中で概略の方向性は固まってきています。


想定プラン

・屋外設置で直径は50センチ。
・風で飛んでいったり部品落下が心配なので軒下にぶら下げて設置する。軒下とはいえ、雨をかぶったり直射日光に当たるので耐候性にも少しは留意し、10年程度は使えるものにしたい（願望）。
・シールドループアンテナは、何かと制約が多いのであきらめ。コモンモードフィルタを使えば、若干の効果があると期待。
・アンテナエレメントには、それなりに太さがあって安く買える5Cクラスの同軸ケーブル外皮を使用する。金属パイプを使うと格好は良いが、完成できない予感がするので今は見送り。
・巻数は4～8回を目標にする。
・同調型のループアンテナでNHK第一専用、できればAFNも聞きたい。もちろんパッシブ型。
・アンテナエレメントの巻き枠としてフレキシブル電線管を使い、風で曲がらない程度に丈夫なものとする。


材料探し

近所のホームセンターでは電材が少なく、遠くのスーパービバホームまで足を伸ばすことにしました。品揃え良くて楽しいです。
ちょうど内径28mmのパナソニックのPF管があったので買ってきました。ただ色がイマイチ、ネズミ色です。整合回路を入れるケースには、未来工業のプルボックスPVPとしました。

何回巻けるか

電線管の中に同軸ケーブルを通すだけなので、巻けるだけ巻くというのもひとつの答えですが一応計算してみます。電線の占有率は何かに規定があったよなと調べてみたら、内線規定に書いてあるそうで普通は32%、管の屈曲が少なく容易に電線を引き入れ引き替えができれば48%だそうです。このループアンテナの場合は、曲がりがキツイので本来なら32%をめどに考えるべきでしょう。

電線管の断面積は615m㎡、同軸ケーブルの外径は7.4mmなので断面積は43m㎡。占有率を32%とすれば4.6本、48%でみれば6.8本。頑張って6回巻ければ良いかなというところです。あとはやってから考えましょう。

中波受信用ループアンテナ その１４（アンテナファクタ・アンテナ係数）

電界強度の測定では、アンテナの受信電圧から電界強度に換算することが良く行われています。換算用の係数をアンテナ係数（アンテナファクタ；Antenna Factor）といいます。測定用アンテナの仕様書には、この係数値が書かれています。（リンク先の資料で変換係数がそれに類するものです）


ループアンテナのアンテナファクタ

これまでの検討で、受信電力の簡易予測式を導きましたがアンテナファクタのほうが実践的ですので、これで検討を進めます。
本来のアンテナファクタ値は、アンテナの利得、整合回路損失、不整合による損失、測定ケーブルの損失など諸々含めての係数値です。今回の検討ではループアンテナの形状を選定するために潜在的（理論的）な能力比較を行うため、ループアンテナそのものに着目し、かつ無損失で整合できると仮定した場合のものですから本来の”アンテナファクタ”とは異なることに注意して下さい。

受信電力と電界強度の関係は次の通りです。但し、受信電力P、比例定数k、電界強度E、（終端）負荷電圧V、負荷抵抗R。

次に、アンテナファクタAFは電界強度を受信電圧で割った値です。

上式の対数を取ると次のようになります。

電界強度と負荷電圧値の関係は負荷抵抗が50Ωのとき次の通りです。但し、電界強度E [dBμV/m]、終端受信電圧V [dBm]、アンテナファクタAF [dB]。

アンテナファクタの試算

ループアンテナエレメントの線種を変えたときのアンテナファクタを試算してみました。試算では、屋外アンテナを想定して直径50センチとしています。アンテナファクタは、数値が小さいかマイナスの方がより高い受信電力が得られます。
この結果を見ると、当初試作をした3C-2VS同軸ケーブルの芯線を使ったもののアンテナファクタは0.6MHzで31.2dBと思わしくないことがわかります。幅広のアルミ平板では、少ない巻き数で良い結果が得られることが期待できるものの実際に作るとなると構造的に一工夫必要です。

今回の試算は、細い電線で巻き数を増やすより、少ない巻き数の幅広銅板のほうが良いものを作れる可能性があるのでは？という発想から始まりました。幅広銅板（幅5センチ・2回巻）は、8D-2V（2回巻）より4dB弱優れていますが、作りやすさやコスト面を考えると、月並みですが5Cや8Dクラスの同軸ケーブル外皮を使うのが現実的になのかなと思っています。