HFブロードバンドアンテナを分解してみた

コメットアンテナから出ているHFブロードバンドアンテナHA-750B。

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7MHz帯から50MHz帯までの送信をこの一本だけで無調整かつノンラジアルにカバー。で、使ったことある人は分かるはずですが、設置が超簡単、整合もリグ内蔵チューナーだけで十分、受信もそこそこ、でも飛ばないアンテナとして有名。私もワイヤーの1/2波長ダイポールを設置してからは使っていません。給電部が頑丈にできていて簡単に開けられないので、どういう仕組みなのか以前から気になっていました。

この手のアンテナのしくみを調べようとしたら、海外でわずかに G8JNJ氏 と、VK5ZE氏 の情報を見つけたくらい。いずれも最初期に出た固定用のコメットCHA-250Bの解析のようです。国内では少なくともCQハムラジオ別冊2007年9月号でJJ1GRK高木OMが23ページにもわたって詳細に考察されているのを知っていますが、市販のブロードバンドアンテナの内部写真は無く、なぜかレントゲン写真の影と推定図にとどまっています。

最近ではこれのコピー品も多く出ていて、ただでさえ飛ばないアンテナのニセモノなんてもっとどうかなって思ったけど、12,000円くらいだし怖いもの見たさでこれも試してみたくなった。型番もHA-750Bと微妙に似てるしやばすぎ。

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ここまで構造の情報が少ないのは何かの陰謀でしょうか。この手の短波用ブロードバンドアンテナ(BBアンテナ)は10年くらい前から継続して販売されているのに、BBアンテナ給電部の分解写真はggrksでも先ほどのG8JNJ氏のサイトとそこから引用してる個人ブログが見つかるくらいです。私が持っているコメットのHA-750Bはこのジャンルのモービルアンテナとして先駆者だったと記憶していますが、やっぱり飛ばないアンテナは要らないし断捨離したいのでオークションにでも出そうと思ったら中古でも1万円～2万円近くと割といい値段で落札されてるようです。きっとこの魔法のようなアンテナを誰しも一度は使ってみたいのでしょう。そして使ってみたらさっさと手放したくなるでしょうね。このさいお金に化けてもらおうかと心が揺らぎましたが、技術的興味と未だ見ぬ2万円とを天秤にかけて3日間考えたあげく、分解してみることに。

フィンがある部分より下のところはフィンにネジ山が切ってあって、MPコネクタがある金具がねじ込まれてるんだけど接着剤も流されていて簡単には外れないし、マッチング部も接着剤で固定されているのでねじって外せたところで接続部から壊れる。逆にエレメントがつく上部は一個イモネジが見えてるんだけどそれを緩めたところで何も起こらない。構造はわからないけど上部はフィン側にはネジなしで差し込まれた状態で接着剤を使って固定しているっぽいのでここも簡単には外れない。もともと発熱する部分なのでドライヤーで熱したくらいでは接着剤も緩まないだろう。結局どうやっても破壊モードで分解する必要がある。

うちには金属パイプをすぱっと切れるような電動工具も無いし、どうせ捨てる機材に金はかけられないので近所のDIY店で一番安い金ノコとオイルを買ってきて、給電部とごりごり1時間格闘して切断。あああ、2万円あったら新しい○○が買えたのになあ…

ついに姿を現したご本尊。大きい○状のものは薄いファイバーのパイプ。コアを押さえて固定するためのものです。給電部の内側とフェライトコアが軽く接着してあり動かないようになっています。給電部は放熱のためフィンになっていますが熱的にはあまり結合していないようです。給電部の下部に穴は開いていますが上部は閉塞しているため熱はこもります。なお切断箇所はフィンの端から1.5cmくらいは離さないと前後の金具部分に当たります。

ご開帳。内部構造は前述の海外サイトに載っていたCHA-250のそれとほぼ同じです。違うところはフェライトコアの間にテフロン製のスペーサーが入っていることと、エレメントに向かうケーブルにフェライトコアが一個挿入されているところ。

このHA-750Bの分解写真、国内サイトでは初めてなんじゃないでしょうか。とりあえずわかりやすいよう絵にしてみました。※図中のスペーサはタイトではなくテフロンが正解です。

これを見るとCQ誌別冊の高木OMの考察にほぼ近いことがわかります。実際のところ載っている推定構造とは違いますがよくぞここまでという感銘を受けます。ただ推測に基づく記事なので実際のHA-750の動作とは少し違うように見受けられる部分はあります。

この構造をよく見ると、基本的にはオートトランスのマッチング回路です。一次側の電流がかかる部分は真鍮パイプになっています。動作がよくわからないとしてもとにかく50Ωを4～9倍のインピーダンスに整合させているのは間違いないので、出力に400Ωの無誘導負荷を接続したとき、電圧比は実測で低い周波数では1:4.5程度、高い周波数では1:0.3程度になっていました。またパイプ間の静電容量は実測で12pF、シールドケース込みで25pFくらいでした。私はこの二つのトランスが静電結合してるんじゃないかと思ってましたが違うようです。やっぱりよくわかりません。

二次側はHIV線(撚り線ビニール被覆)で一次側に対しては逆相になるように巻かれており、巻き線比は1:3(真鍮パイプが一次側、HIV線が二本が二次側となる)、インピーダンス比では1:9となると思われます。これがなぜブロードな特性になるのかというと、ＣＱ別冊の解説によると、反射波はオートトランスの反対側から逆流してくるのに対して、リグがつながる1次側と9倍も違うインピーダンスによってミスマッチになり、結果として1次側には反射波による電圧が励起しにくい、というものだそうです(CQ別冊ではこのマッチング部に方向性があるような書き方をしてありますが私には理解できません)。また意図的にトランスの効率が下げてあってフェライトコアで熱として消費するようになってるようです。ただし完全な方向性結合器(アイソレータ)では無いので、反射波と同じように受信波もおそらくリグに入りにくいはずで、受信なら高感度で使えるというのは若干微妙です。なおエレメントに向かう折り返し部分は高木OMによるとチョークになっているので高い周波数領域では抵抗になってVSWRの低下に一役買うようです。当然出力は低下するはずです。エレメント直前のフェライトも同じ目的だと思われます。→実測でエレメント側のチョーク特性は-3dB@50MHz、-6dB@70MHzってとこで予想通りですが、折り返しに関してはあまりチョークの効果はみられませんでした。内部写真をクリックして高解像度でよく見てもらうと分かるんですが上の1こに対して、下の6こはコアの粒子が荒い感じに見えます。コアの種類が違う証拠です。

メーカーの説明によると「ブロードバンドアンテナは各エレメントに共振しない進行波型の為、フルサイズダイポールと比較した場合、-6～-10db程度劣ります。」と書かれています。単純に送受信とも10dB減衰してると考えると、受信ではSメーターで2くらい少ないだけですから気にならないといえばそうかもしれません。送信では-10dBならば最大定格の120W入れても12Wぶんしかエレメントからは出ていかないってことなので、あれあれって感じですね。100Wの固定局なのにエレメントからの放射が4アマモービル並の実質10Wなんて知ったらがっかりじゃないですか。取説のf-VSWR特性のグラフを見ると、エレメントの影響が入力側から見たVSWRに影響を与えてることからも、やはりマッチング部はインピーダンス変換を主目的とした低効率なトランスでしかなく、完璧なアイソレータ機能とか自動チューニング機能があるわけではありません。まあ戻りの電圧が1/10に抑えられるならばそれだけでVSWRは最悪値が1.9に改善されるわけなんで、実用域って言ってしまえばそうかも。インターフェアも起こりにくいし。エレメントからの放射が50W機なのにポータブル機並みの実質5Wとか、5WのFT-817なのにCB機並みの実質0.5Wだったとしても、決してDXできない電力ってわけじゃないんで、相手とかパイルじゃないとか、お空の様子以外にもいろんな条件が良ければ記録は出るでしょう。

ついでにローディングコイル部も収縮チューブを外してみた。0.7mmΦのポリウレタン線、16mmΦのFRPパイプに254(253?)ターン。この導線、耐入力120Wのアンテナのローディングコイルにしては細いし間隔が密だなって思います。進行波型アンテナとは言っていますが、エレメントに限って言えば特別な仕組みは無くて解放端だから反射波は発生しているし、VSWRが立っているはず(おそらく7MHz帯が基本共振周波数)なので周波数と位置によっては電圧腹になる場所もあるはずです。給電部で電力をロスすることが前提だとすると、エレメントにかかる電力は入力よりだいぶ少ないと見積もるのが妥当なんでしょう。電圧給電で給電部分がハイインピーダンスになってるから基台にラジアル線つけたりアース強化をしても効果は無いかむしろ悪影響な気がする。ラジアル線がノイズを拾って感度が上がったようには感じるかもしれない。

エレメントのFRP管も割って内部を覗いたんですが特に何もなく空芯。トラップや移相器なども無いです。広告では進行波型アンテナと言っていますがこれは入力端子から見た話であって、取説のVSWR特性を見ると7MHz、25MHz、40MHz、50MHz付近で特性が急峻に変化している部分があることから、エレメント単体はおそらく共振周波数が存在していますし(ほんとうの進行波型アンテナは抵抗などで終端して反射波が発生しないようにする)。なのでエレメント部だけを見ると特にこれといったしかけも無くて単にセンターロードというか短縮型ホイップ。

ここまで分解してコメットのHFブロードバンドアンテナはエレメント付きダミーロードや未知なる魔法のアンテナではなく、短縮型ホイップに反射波を吸収するため結合ロスが大きくなるようにした何等かのマッチング回路を組み合わせたものだとわかりました。しかし、超お手軽という以外は無調整アンテナで横着せずに、チューナー+ワイヤーのがまだ良いかもですね。

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数年経ってようやくチューナー＋ワイヤーのお手軽な威力を試した。最初からこうしたら良かった。

穴をあけずにロングワイヤーアンテナを設置したい。
https://mzex.wordpress.com/2021/11/23/19209/

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マルチバンドに出たい要求を可変範囲の広いローディングコイルで実現する方式の八重洲無線のATAS-25を分解した。毎回調整の手間を取るか、あるいは手間なしで90%の損失を取るか。どうする？

アクティブチューニングアンテナを分解してみた。
https://mzex.wordpress.com/2020/08/02/16499/