受信専用アンテナ

2021年12月9日

都会地で、何とかしてローバンドの受信感度を確保したいというお話しです。
家の電気・電子機器、太陽光発電、広告塔、ネオンサイン、あるいは、6600Vの送電線やその碍子の放電ノイズなど、身の回りはノイズ源であふれています。 そのため、弱い信号をどう捉えるか、アンテナが工夫のしどころになります。
アンテナ自体を高く持ち上げて地上付近のノイズの影響を減らすこと、道からなるべく離して送電線の影響を減らすことなどが考えられますが、 ある制約の中で話しをせざるを得ません。

ローノイズのアンテナの代表は、磁界で動作させるタイプのスモールループアンテナです。
ここ20年余り、接地型の逆Lで十分使えるようなノイズ環境に居ましたのでストレスはありませんでしたが、 最近はそうもいかず、ローバンドの受信用にスモールループアンテナを実験してみることにしました。

例によってホームページを繰ると続々と出てきます。参考文献がきっちり記されたサイトも多いですから、トコロテン式に勉強できます。

手始めに国内では、
[1]http://member.tokoha-u.ac.jp/~kdeguchi/hobby/radio/loop2.html
[2]http://t-sato.in.coocan.jp/emcj/0307-148-j.html
[3]http://tamagomemo.blogspot.com/search/label/AM%E5%8F%97%E4%BF%A1%E7%94%A8%E3%83%AB%E3%83%BC%E3%83%97%E3%82%A2%E3%83%B3%E3%83%86%E3%83%8A?updated-max=2012-02-12T13:46:00%2B09:00&max-results=20&start=10&by-date=false
　　http://tamagomemo.blogspot.com/2012/01/blog-post_07.html
[4]https://sites.google.com/site/ja5aea/hf/sumorurupuantenano-zhi-zuo
[5]http://www.kit.hi-ho.ne.jp/akage/
[6]https://geolog.mydns.jp/www.geocities.jp/jl7aia/
また、JG1GNUさんは、この世界でたくさんの本を書かれています。ここ

海外にもたくさんあります。たとえば、
[7]http://www.lz1aq.signacor.com/docs/fa-eng/Weak_signals-mag_loop_engl.htm
　　http://www.lz1aq.signacor.com/docs/wsml/wideband-active-sm-loop-antenna.htm
[8]QRZ.comのON6MHやOK2ERのページ
[9]http://webclass.org/k5ijb/antennas/Small-magnetic-loops-K5IJB.htm
[10]https://www.george-smart.co.uk/wordpress/wp-content/uploads/2017/02/EWS-Article-in-MW-News.pdf
[11]https://pa0fri.home.xs4all.nl/Ant/Active%20antenna/Active%20receiving%20%20loop%20antenna%20eng.htm
[12]https://www.w6lvp.com/

"shielded receiving roop" といった検索が良いように思います。
Youtubeにも出ています。

このように、検索すれば色々出てきますが、よく調べてみると2手あることがわかります。
イ）導体を輪っかにしただけのもの
ロ）それをシールドしたもの
ここではロ）を対象にします。

受け売りですが、ロ)のポイントは、
①近隣ノイズは電界成分が主であるという仮定のもとに、この電界成分＝ノイズは受信せず、磁界成分のみを受信するような構造にして、 もともとノイズは受信しないのでSNが向上する という点。
②垂直偏波の電波（電界が縦に、磁界が横に振る）に対して指向性を有すること。ノイズが、このアンテナが反応してしまう磁界性のものであったとしても、 そのノイズ源を指向性のヌル点に追い込むことでSNを上げることができるという点。
の2点です。

①の「仮定」の部分はどうだかよくわかりませんが、②はノイズに限らず、北朝鮮から来る怪電波をヌルに追い込めそうというだけでも価値があるのかと思えます。電離層反射した怪電波の偏波面はどうなるのか？　楕円偏波になるようならこのアンテナの指向性は効かないかもしれません。

それにしても、[7]の、ミラクルを信じてはいけない　という表記は胸にずしっと響きます。。。

とりあえずの実験

フラフープの輪に75Ω系の同軸をつけ、上の[2]の、図2(a)や図2(c)の方法で、速攻でやってみました。
しかしこれらは、これはほとんど何も聞こえませんでした。
ダメです！

第2段

参考資料[3]のようにループを大きくすれば感度は上がるはずなので、ループを少し大きくすることにトライしました。
輪の材は塩ビのパイプを使いました。普通のものだと曲げられないので、ポリニクス2層管というらしい、しなやかなものを使いました。

フラフープの輪は直径70cmでしたので、直径1.2mくらいを狙いました。面積は約3倍になります。

白いのがフラフープの輪です。
標準の塩ビのパイプなので、多くの部材が入手可能で工作には苦労しません。

この中に、75Ω系の同軸を通してフラフープと同じように加工しました。
結果、やはりだめ。
感度が3倍になるはずでしたが、ほとんど何も聞こえませんでした。
何とかならないかと、amazonで1000円のアンプを購入して付けてみたところ、少し聞こえるようになりました。 しかし、スローパーと比較してSN的に良いとは言えないし、指向性もほとんど出ませんでした。

そこで少し工夫してみることにしました。

(1)資料[2]の図2(b)を実現して、平衡型にするためにトランス設置
(2)平衡➜同軸接続のため、フロートバラン設置
これらにより、BC帯では感度が上がり、また、かなりの指向性が確認できました。
いくつかの放送局では、S9がS0まで落ち込むようになりました。毎日放送や四国放送はヌルがはっきり出る一方で、送信系の都合もあるのだろうと思いますが、朝日放送は指向性がほとんど出ませんでした。回転させるとノイズが上下するのもわかり、ヌルをノイズの方向に向ければノイズはほとんどなくなる状況、放送が浮き上がって良く聞こえる状況になりました。
BC帯のみならず1.9Mでもこの特長は見え、ノイズをヌル方向に合わせることでスローパーをそのまま受信アンテナに使うより幾分SNが向上しました。
しかし3.5Mではノイズを追い込むヌル指向性が出ず、SNのメリットが出ませんでした。
ヌル特性が周波数に比例して低下するのは、回路の平衡度が影響しているのかもしれません。今は確認するすべがありません。

(3)シールドを除去
3.5Mでうまく動作しないのは自己共振周波数の問題だろうと考え、シールドを除去してみることにしました。
電界性の信号（つまりはノイズ）に対するシールド効果はなくなるとしても、指向性が出ないだろうか　といったことです。 実験してみると、3.5Mでも緩いながらも指向性が出て、方向を合わせることで若干ですがノイズを低下させることができるようでした。 ただこのノイズが電界性のノイズなのかどうかは確認する方法がなく、シールドのないループとシールドループの違いと言ったものは分かりませんでした。

(4)結論
以上から、少なくともループは平衡で使い、トランスやバランを介してfeedすること、できれば平衡度の調整もできる方が望ましいだろうことや、ループの容量を減らすことがポイントだろうとわかりました。[10]にも同じようなことが書かれていたように思います。

第3弾

2021年2月3日

75オーム系の同軸よりさらに容量の少ない同軸として、〝RG-63/u〟　とか　〝RG-114〟があることが分かりました。しかし入手出来なかったので、同軸構造を自作することを考えました。 ポリニクス管にアルミホイルを巻く　なども一案ですが、再現性がないので色々な材料を探していたところ、ホームセンターで良いものを見つけました。
水道工事に使う、フレキ管というものです。蛇腹構造の薄いステンレス製で、かなり自由に曲げられるようでした。

この中に銅線を通します。
課題は、その絶縁をどうするか。。。　

内径に大体あうようなホースを組み合わせようかと思いましたが、誘電体で埋めてしまうのは良くないと考えていたところ、またまたよい材を見つけました。
手芸用のビーズ； オークションで、「とんぼ玉」で検索すると、いっぱい出てきます。様々なサイズがあって、選り取り見取りです。 私はebayで、直径12.5mmの玉を購入しました。フレキ管の内径が13.5mmのようなのでこんなものでしょう。

このビーズには1.5mmの穴があいていました。ですから、1mmくらいの銅線までは使えます。容量を減らすことが目的なのでなるべく細いものがよかろうと、手始めに、ホームセンターで入手できた直径0.35mmの真鍮線を使いました。
フレキ管の中を玉で埋め尽くしてもよいですが、重くなるので、玉は5cmおきぐらいにして、間はガラス繊維のチューブで埋めることにしました。

これを通線ワイヤーをつかってフレキ管に通します。フレキ管は、長さ約４ｍにカットして、第２弾と同じく直径約1.2mの輪が作れるようにしました。

フレキ管は輪っか状にしなければならないので、型をとるための適当な巻き枠がないものかと思案していましたが、もともとの巻き癖のため、難なく形を整えることができました。

topは分離しなければいけませんが、てっぺんから水が入るとまずいので、塩ビのT字型の部品を使って支えることにしました。フレキ管より少し内径が大きいので、割を入れて、ステンレスのホースバンドで締め付けて固定することにしました。仕上がりはテープで防水しておきます。
　

給電部はプラスチックのまな板とVP管用の樹脂製のサドルを用いて固定しました。

給電部からは真鍮線を引き出す必要があるので、フレキ管に穴あけ加工をしました。

ホースバンドはアース用に用います。真鍮線はピンと引っ張ってテンションをかける必要があるので、端子盤を用いて線を固定することにしました。

この状態で、トランスやバランを第2弾から移植し、ひとまず完成とします。

中央に縦に通しているのは普通の塩ビパイプです。横方向にも棒をつけようかと思いましたが、苦労せずとも奇麗な円形にできたので省略しました。

フレキ管は段ボールのようなコルゲート状になっていて、平均内径は14.7mmくらい。0.35の真鍮線を使ったこの第3弾は、ざっと15pF/m位の容量で、インダクタンスは0.8μHくらい。75オーム系ケーブルとして第2段に用いたのはS-5CFBで、容量は56pF/m、インダクタンスは0.37μH/mなので、各々長さ4mとすると、第2段の並列共振周波数は8.7MHzくらい、第3弾は11.5MHz位になります。大体1.3倍でしょうか。第2段では1.9Mでそこそこ性能が出ていたものの3.5Mでは難しかったですが、この第3弾だと、うまくすると3.5Mで性能が出ると期待できます。
計算には以下を参照しました。
http://energychord.com/children/energy/trans/tl/contents/tl_cable_cap.html
http://energychord.com/children/energy/trans/tl/contents/tl_cable_ind.html
https://keisan.casio.jp/exec/user/1320287966
https://shop.oyaide.com/products/p-550.html

この状態で実験してみると、BCバンドや1.9Mはもとより、3.5Mでもいくらか指向性が出て、ヌルが分かるようになりました。また、1.9Mのみならず、3.5Mでも、スローパーに比較してSN向上が認められました。プリアンプ無しなのでゲインは足りませんが、何かアンプを入れれば そこそこよくなる気配がします！ さっそく、第2段で使った1000円の汎用アンプを投入して、第一線で様子を見てみることにします。

さて残った課題は①初段アンプ、②真鍮線の抵抗分によるロス、③共振型にしたらどうなるか？　④設置場所　　でしょうか。
①はホームページを繰ってみればいくつもありそうです。トランスでは平衡度合いを調整することはできないので、ゲインのみならず、何がしかのアンプがあったほうが望ましいと思えます。　②は適当な銅線が入手できればすぐに変更できます。　③は、低容量だからこそ実験できそうですが、ローインピーダンスの受けと合わせて、給電部に直列にバリコンを入れてみたらどうでしょう？　④は、うまくいったらタワーのてっぺんに　ということですが、まずは手元で①～③を十分実験して、これという形にしてから、です。秋以降のお楽しみかと思います。
さてどうなりますか。。。
2022年8月1日

ヘッドアンプについて



3.5MのQRO申請が一服したので、受信アンテナに戻ってきました。

アンテナ直下につけるアンプについて、少し調べてみました。



国内では、CQ出版社から基板をおまけにつけた本がでていた[5]を筆頭に、いろいろな製作記が見られます。

http://champ.chips.jp/radio01.html など

海外ではいくつも製品が売られています。アメリカ（https://casarain.com/）、中国（https://www.ebay.com/itm/175202569732）、イスラエル（https://www.rhelectronics.store/diy-electronic-kits）など。いずれもebayで入手可能です。

さらに、色々実験されたであろう結果にもとづくLZ1AQの製品[7]　https://active-antenna.eu/amplifier-kit/　は面白いです。



これらを見ると、国内のものは入力がハイインピーダンスとローインピーダンス、海外のはLZ1AQをのぞき、すべてハイインピーダンスのようです。
シールドの有無にかかわらず、磁気ループであるためにはローインピーダンスで受けてやる必要があると思うのですが、気のせいでしょうか。。。　一方ハイインピーダンスで受けるなら、同調ループを一発で作れそうではあります。



国内のは、そのようなバリエーションを色々と実験されているようです。[4]や[5]、あるいは、[10]などです。例えば[5]では、
ローインピーダンスで受けた基本的なMLA（[5]のLoop9　http://www.kit.hi-ho.ne.jp/akage/DLOOP9D.html）
ハイインピーダンスで受けた非同調のループ([5]のLoop8 http://www.kit.hi-ho.ne.jp/akage/DLOOP8D.html)
や、

同じく同調型のループ([5]のLoop7　http://www.kit.hi-ho.ne.jp/akage/DLOOP7D.html や、Loop6 http://www.kit.hi-ho.ne.jp/akage/DLOOP6D.html　など）。




一方アメリカのは、ゲート入力の差動アンプで、ドレイン側でバランを用いてシングルエンド出力に変換されているようです。[5]のLoop6
と同じと思います。この構成には好感が持てますが、ローインピーダンス入力にするためには入り口にトランスを置いてインピーダンス変換するか、あるいは、ベース接地の簡単なアンプを追加する必要があります。平衡度が心配です。単に抵抗で終端するのが良いでしょうか。

イスラエルの製品は差動アンプのICが使われています。ただ出力側は両チャンネルが合成がされていないので、同相ノイズ除去はできるとしても、ゲインを損している課題があるように思えます。一方で、入力にはチューニング用のバリキャップがつけられているので、共振ループとして使って、ハイインピーダンスで受けて使うことができるようになっているようです。

中国のはNE592という差動アンプで受ける基本形のようです。何といってもお安いですが、出力側に、イスラエルのと同じような課題がありそうです。



それにしても、ただのループをハイインピーダンスで受けるとどう動くのでしょうか？　ノイズ低減の効果はあるのでしょうか？

最初に示した参考文献を読み起こしてみると、皆さん、一度は実験されているようですので、ここはひとつの実験ポイントなのだろうと思われます。

このように、アンプとの関係から少し調べてみると、やってみれそうなことがたくさん見えてきました。