MicroVert」の製作

1〜2mのラジエータでフルサイズに匹敵する性能を再現性よく実現!
(注) DPを張れる敷地がある方にはお勧めしません!

 
MicroVert
DL7PE/Juergen Schaefer氏が開発したアンテナで、1988年に特許取得されています。氏が著した「MicroVert」の記事は理解しやすく、MicroVert(以下、マイクロバートまたはMV)の製作と調整は容易で再現性が良さそうだと感じる事でしょう。敷地の制約などでHF用の大きなアンテナを設置できない方でもマイクロバートの設置は可能だと思います。その性能はDP並で、皆さんの期待を裏切らないと思います。また、小型軽量なので持ち運びに便利なのと、簡単に設置できるので移動運用アンテナにも適しています。理論的に知りたい方はこちらおよびJO1QOR/小野氏またはJA6GAN/守山氏のサイトを参照ください。
はじめに

筆者JA1SCWは、紙面を賑わしたEHアンテナを3.5〜14MHzの4バンドで合計6本製作し、数回の海外QSOも含めて30回以上のQSOに使いました。しかし、効能書きにある性能を出せず、何とか改善したくて資料を探しているうちにマイクロバートの記事に遭遇しました。発明者のJuergen氏はJE3HHT/森さんが作成したアンテナ解析ソフトMMANAを駆使してMVEHアンテナを解析しています。ワイヤーフレームによるモデリングは圧巻でJuergen氏の意気込みを感じます。その記事を読んで心は段々とMVに傾斜して行きました。そして、当記事を作成するにあたりCQ出版の「アマチュアのアンテナ設計」を読み直したところ、マイクロバートの基本コンセプトは、その本に紹介されている「簡易ダイポール」のラジエータを短縮したものであり、特許性に疑義がありますし、特許取得から既に20年を経過しておりその有効性は消失しているでしょう。




マイクロバートの製作
           マイクロバートの4つの主な部品(詳細は後述)を個別に製作して、プラモデル感覚でその4つの部品を組上げれば簡単にアンテナになります。個々の部品が狙いどおりに仕上がっていれば無調整でもDP並の性能で動作します。自作が得意な読者諸氏は、これまでに培ったご自分の製作ノウハウを各部品に盛り込み設置方法を工夫する事で、ユニークなアンテナに仕上げられます。腕の見せ所と言った按配です。また、製作の容易さ及び再現性と性能の良さからアンテナ初心者でもアンテナ製作の醍醐味を十分堪能できます。費用総額は概ね5,000円程度です。
狭い場所でもOK
           アンテナの設置場所の制約からフルサイズとか他のアンテナが建設できない方に適したアンテナです。また、小型軽量なので携行性が優れており、簡単な構造なので短時間の設置が可能なことから移動運用向きのアンテナとも言えます。ラジエータが0.02λと極端に短いのでモービル用にとお考えの方も居られると思います。マイクロバートは金属ボディーと相性が良くないのですが、発明者のホームページにはモービル実装の例もあります。ラジエータとカウンターポイズの張り方は垂直から水平まであらゆる角度に変えても、L字形に曲げても、またリニアーローディングの手法でジグザグにまとめてもアンテナとして動作します。1.9/3.5MHz帯のカウンターポイズに適用すれば、コンパクトなHFローバンド・アンテナを実現できるでしょう。
放射原理
           マイクロバートはL-Cの直列共振回路でアンテナ近傍に磁界より30dB以上強い電界を形成します。マグネティック・ループ・アンテナとは正反対の動作原理です。しかし、両方のアンテナは遠方界において全く同様の電磁界を発生します。自由空間に電波を効率よく放射するには、どんなアンテナでも必要十分な大きさが要求されます。マイクロバートはラジエータ部のパイプ(直列共振回路のCに相当)を適切な長さにして、同軸フィーダの外皮をカウンターポイズとして動作させる事で、短縮ホイップなどより遥かに大きなサイズのアンテナとなり、高い効率を実現しています。
四つの主要部品
           マイクロバートは次の4つの主な部品で構成されます。RFチョーク以外の部品は後述の計算式で設計すれば、理想的なマッチング状態とDP並みの性能が簡単に実現できます。例えば、フルサイズDPのようにバンド全域のVSWRを1.5以下に収めることも出来ます。
1、 ラジエータ
2、 共振コイル
3、 カウンターポイズ
4、 RFチョーク

チョーク 周波数(MHz) 1.9 3.5 7.0 10 14 18 21 24 28 50 低い周波数、高電力では、
複数個のコアーを使います。
巻数(回) 23 18 12 10 9 8 7 6 6 5
ラジエータの長さ
           最低限必要な長さのラジエータ長:lsは次式で計算できます。これ以下に短くすることも可能ですが、下記のように性能が落ちてくるのでお勧めできません。DIYショップなどで容易に入手できる部材と小型化と性能の妥協点は、7メガ帯でls=1.4〜1.5mでしょう。

ls(mm)=4700/fMHz)

フルサイズDPの信号強度:S9+10dB
マイクロバートの信号強度:S9
上のマイクロバートを半分の長さにした時:S7
ラジエータの容量
           ラジエータの長さを決めたら、次式でラジエータの容量を計算します。この式では「単位」に注意しなければなりません。ラジエータの長はミリメートルで計算しましたが、ここではラジエータの長さ:lsとその直径:d共に単位はメートルです。ラジエータを伸縮させ時の容量も予め計算し、次の共振コイルの値を求めた後で、同調周波数の可変範囲を把握しておくと調整段階で役立ちます。

C(pf)=19.1 x ls(m)/log(0.575 x ls/d

次のグラフは、MVに適したパイプ径でパイプ容量を上の式で計算した結果です。

ラジエータの製作
           発明者はラジエータの長さを各バンドで0.02λ以上にすることを推奨しています。筆者JA1SCWは7メガ帯でラジエータを1.2mで、JA1INW(群馬県沼田市、馬島氏)は1.8mにてマイクロバートをおのおの製作しVSWRを測定した。ラジエータを1.2mから1.8mに長くするとVSWR=1.5のバンド幅は90KHzから110KHzに広がった(同時に計算上ゲインが1dB程度アップするが、HF帯ではその差を体感できないでしょう)。ラジエータを1.2mまで短くしても十分なバンド幅が得られていますが、バンド幅をもっと広げたい場合は上の例に倣ってラジエータを長くします。

上のようにパイプの長さを変えられる構造にし、同調周波数の調整ができるようにします。例えば長さ1m、外径22φ、肉厚1mmのアルミパイプに長さ50cm、外径20φのパイプを差込みホースバンド(22φパイプの先端部に切り込みを入れる)またはタップ(22φパイプ先端部にスリットを設ける)で止める構造にします。パイプ径は25mm(1インチ)前後が推奨です。ラジエータの取り付け部に使う絶縁パイプに塩ビパイプのVP20VP25またはVP30を使いそれぞれにマッチするアルミパイプ(外径が20、25または30mm)を組み合わせます。7MHz用のマイクロバートの場合は非常にマイルドな調整感覚で、パイプの長さを1cm変えると、中心周波数が15KHz程度動きます。

                     1.2m長ラジエータ (M コネクター内装)

共振コイル

目的周波数で前に求めたラジエータの容量と直列共振させるコイルの値は次式で計算します。

L(μH)=(159/f (MHz)/C(pf)

ラジエータの長さを固定にして、コイルの巻数とか間隔を変えて目的の周波数に同調させることも当然可能です。マイクロバートの放射抵抗は従来のホイップ・アンテナなどの1/4λ短縮アンテナの放射抵抗より遥かに大きな50Ωなので、太いエナメル線を使わなくても構いません。例えば、直径1φ(AWG18相当)のエナメル(PEWまたはPUW)線で150W PEPまで取り扱えます。
次のグラフは周波数7050KHzで共振するインダクタンスとキャパシタンスの値を示しています。例えば30μHと17pfでほぼ7050KHzに共振する事がわかります。


共振の式により、X-Y軸の目盛り数値を書き換えれば他のバンドにも対応できます。例えば、3.5MHzの場合はX-Y軸共に2倍の値を振るか、Y軸だけを4倍の値にします。14MHzの場合はそれぞれ1/21/4になります。次のグラフはコイルのインダクタンス(μH)と巻径および巻数の関係を示しています。
これら3つのグラフから、パイプ長、目的周波数、およびコイルの巻径を決めた時に必要なコイルの巻数が求められます。また、逆にコイルのインダクタンス(即ち、巻径と巻数)と目的周波数を決めると必要なパイプ長が求められます。グラフでおおよその当たりをつけて、詳しくは計算式で確認される事をお勧めします。また、コイルのインダクタンスが所定の値になっているのを確認できれば安心です。
カウンターポイズ
           カウンターポイズの長さ:lrは次式で計算します。計算結果は表XXになります。マイクロバートはアンテナに電力を供給する同軸フィーダの外皮をカウンターポイズとして利用しますので、同軸フィーダ以外の特別のカウンターポイズは必要ありません。同軸フィーダの外皮をカウンターポイズとして利用する点がマイクロバートの特徴です。次の式で58の前にある「〜」が気になりますが、試作では「〜」が無いものとしてカウンターポイズの長さを決めて好結果を得ました。

lr=〜58/f (MHz)

カウンターポイズをリニアーローディングの手法でジグザクに配置しても良い結果が出ています。また、L字状に折り曲げても、ジグザグとLを組み合わせても十分に動作しました。水平に張れば水平偏波、垂直に張れば垂直偏波、斜めに張れば水平−垂直偏波になります。このカウンターポイズの部分はフィーダ兼アンテナですので出来るだけ金属の構築物から離した方が良いでしょう。カウンターポイズの長さを変えると(「〜」に相当)、アンテナの抵抗成分は2〜3Ω/10cmで変化し、リアクタンス成分は6Ω前後/10cmで変化しました。カウンターポイズの形状を変えたり、ラジエータ長とかコイルを調整して中心周波数を合わせたりしても、どうしてもVSWRが下がらない時はカウンターポイズの長さを変えてみてください。
RFチョーク
           マイクロバート動作のカギを握る部品です。このRFチョークから先、ラジエータまでの同軸ケーブル(カウンターポイズ)とラジエータでアンテナとして動作します。即ちRFチョークはカウンターポイズ部とトランシーバからRFチョークまでの同軸フィーダ・ケーブルを高周波的に明確に分離し、マイクロバートの動作を安定にさせるのに重要な部品です。
RFチョークに使用するトロイダルコアーは、他の部材と違ってDIYショップとか釣具屋さんで購入できません。通販を利用するか、最寄りの専門店から購入します。通過電力100WFT240−43、50WFT140−43、30WFT114―43がコアー選択の目安です(常識より大き目のサイズなのでご注意下さい)。巻数は通過電力とコアーサイズを勘案しながら(巻数比の2乗で通過電力は増減します)、目的の周波数でインピーダンスが5KΩ以上になるようにコアーに細い同軸線(例えば1.5D-2V)を巻いて作ります。通過電力がコアーの許容範囲を超えると発熱によりチョーク機能を失い始め、最終的にはアンテナとして動作をしなくなります。写真はFT240−43に1.5D-2Vを12回巻いたものです。これで実測162μHになっていますので、7MHzでのインピーダンスは約7KΩです。これなら使えそうです!

Lを測定中・・・・162μH 従って7MHzで約7KΩ
発明者のDL7PEは、「カウンターポイズからの放射」は検出できなかったが、非常に僅かの電磁界を検出したとのことです。そして主な放射はアンテナ上部のラジエータからなされているとの説明です。私が同軸ケーブルに沿って小型蛍光灯をRFチョークからラジエータ方向に移動させた時、蛍光灯は弱々しく点灯しました。しかし、RFチョークからトランシーバまでの同軸ケーブル上では全く点灯しませんでした。
調整
マイクロバートの調整は再現性が良く、各パーツを計算どおり製作できていれば組上るだけで調整しないでもVSWRが1.0近くになります。我々が経験した調整の勘所は次のようになっています。高インピーダンスになるチョークの設置位置を決めて固定します。チョークからラジエータ側の同軸線は1m以上曲げないでストレートに張る。続いて残りのカウンターポイズ部分の同軸線の張り方(降ろし方、はわせ方、通し方)とかRFチョークよりの同軸線の敷設状態(折り曲げ方、トグロの巻かせ方など)を固定します。木造家屋の場合はヒートンなどで柱とか壁面から同軸線を浮かせます。同軸線のトランシーバ端でディップメータによりラジエータの共振周波数をチェックします。目的の周波数からずれている場合は、ラジエータ・パイプの調整感度が15KH/cm(7MHzの場合)程度であるのを頭に入れて、パイプの長さを変えて共振周波数を合わせます(パイプで調整しきれない場合はコイルの巻数とか巻き間隔を変えます)。アンテナアナライザーを使える場合はVSWRが最小になる周波数に着目してパイプを調整しても構いません。以上の調整をやってもなお所定の周波数でVSWRが1.5以下にならない場合はカウンターポイズの長さを10cmステップで変えて、あるいはカウンターポイズの通し方を変えてVSWRを追い込みます。動作が安定で各パラメータを変えると、アンテナが思惑通りに反応をするのでストレスなく作業できる筈です。各自の環境に合う実装方法を工夫して設置してみてください。VSWRは概ね1.0近くになり、短縮アンテナでない様なブロードなVSWRカーブを体験できる筈です。


性能と運用実績
           7メガ用のMVが8月末に完成してからの短い運用ですが、掛け値なしに実用レベルの性能を備えたアンテナと言えます。DPと比較すると送受信の信号強度は概ねSメータで±1以内でした。7メガのコンディションの変化を考慮すれば、DPと同等と言えるでしょう。JA1INW局が9月にMVを完成し、MV同士でQSOを何度か行いましたが、DP同士のQSOと遜色ない結果だった。圧巻は打ち上げ角の差でしょうか、MVEUロシアがDPより10〜20dBほど強く受信できました。7メガでDXをやってみたいが、アンテナがネックで諦めている方は試してみる価値のあるアンテナです。国内QSO用としてはカウンターポイズを斜めに張るのが良いと思われますが、ラジエータから垂直に降ろしても十分実用的でした。
今後の展開
           モービル用MVアンテナ、マルチバンド化およびビームアンテナへの展開が考えられます。モービル用はDL7PEのホームページに写真とスペックが掲載されています。腕に覚えのある方は是非挑戦されて見てください。シミュレーションではビームアンテナになる事が判っています。実用レベルのビーム(フロントゲイン、F/B比、打ち上げ角など)が得られるか実際に作ってみたいと思います。
おわりに
           製作費用は安く、製作と調整は簡単で性能はDP並と、マイクロバートの製作過程と運用結果に満足しています。一人でも多くの読者の方にMVアンテナの良さを楽しんで頂ければ幸いです。


7MHz MicroVert DX QSO  QSL Card
 

679.  MVでZL2  JA1SCW/日下  [URL]  2004/09/20 (月)20:03
ZL2PGJ鶴田さんとMVでQSOできました。モードはMFSK16でしたのでほぼ100%の識字率でした。アイドル信号はノイズから20dBほど浮いていました。途中でGP(9mラジエータ)+ATUに変えましたが、ZLではANTの違いを識別できなかったようです。こちらの受信でもその違いは分かりませんでした。MVは良く働いているようです。

680.  MVでOE3  JA1SCW/日下  [URL]  2004/09/21 (火) 06:04
オーストリア、OE3をMVで受信できた。しかし、信号は弱くQSOにまで至らなかった。mfskであればQSOできたと思う。もう少しで西欧です!

683.  MVでLU5  JA1SCW/日下  2004/09/23 (木) 05:58
MVでLU5ともQSO。今朝のコンディションは最高に良かった。相手は200Wを1/4λのバーティカルの乗せているのだが、何とピークでS9まで振ってました。貰ったレポートは579、横浜の局へは559を送っていました。

684.  西欧をゲット  JA1SCW/日下  2004/09/23 (木) 06:04
今朝の7メガのEUへのコンディションは良かった。Uゾーンの西側が何局か入っていました。駄目元でイタリアをコールしたところ、一発で返って来ました。信号はノイズから10dB程で強くはなかったがQSOは成立した。

689.  MVでOH0I  JA1SCW/日下  2004/09/24 (金) 05:12
OH0Iの非常に弱い信号を確認できた。OH0はスエーデンとフィンランドの間にあるAland島です。距離的には西欧より近いが緯度が高いのでPSKには不利かもしれない。

690.  MVでUT2UZ  JA1SCW/日下  2004/09/25 (土) 04:17
やっとUT2UZ (Nickさん/MixW2の作者)とQSOできました。さすがに3エレ35mH+100Wの信号は強かった。8200Kmの彼方から掛け値なし599の信号(S/N=50dB)を送り込んでくれました。当方のMV+50Wも先方キエフのPACTOR QRMのなか559で届いたようです。

693.  MVでW7  JA1SCW/日下  2004/09/26 (日) 18:41
Wの西海岸とは何れコンタクトできると思っていました。ワシントン州の局

694.  MVでKH7  JA1SCW/日下  2004/09/26 (日) 18:43
ハワイ州の局。WACで残るはアフリカですが、これはQSOできる可能性は極端に低いので、MVによるDXレポートはこれで一段落です。

696.  MVでVK3  JA1SCW/日下  2004/09/30 (木) 19:25
MVによるDXレポートはこれで一段落です。だったのですが、VK3(メルボルン)ともQSO出来てしまいました。TEPによるフラッターでBPSKだと化け字オンパレードでしたが、MFSK16にモードをスイッチしてほぼ100%のコピーでした。本当にAFだけになりました。

699.  MVでW3!?  JA1SCW/日下  2004/10/02 (土) 21:25
MVによるDXレポートはこれで一段落です。だったのですが、W3とも出来てしまいました。7メガでW3・・・、そんな訳無いですね!旧知のW3HF(Steve)がカリフォルニア州SunnyvaleからのQRVでした。先方は2エレ八木との事でしたが579−589で届いていたそうです。後はAFだけです。

700.  MVでBV3
  JA1SCW/日下  2004/10/02 (土) 21:51

MVによるDXレポートはこれで一段落です。だったのですが、BV3とも出来てしまいました。599−599でした(当然かな!?)。後はAFだけです。

701.  MVでIV3/OH7  JA1SCW/日下  2004/10/03 (日) 07:50
IV3とOH7はピークでノイズから30dBほど浮いており、ヨーロッパの信号としては強かった。相当長く呼んだがOH7は取ってくれませんでした。IV3はコールを取ってくれレポートも送ってきたが、こちらのレポートは確認できなかった様子でした。つまりこの2局はハイパワーだったのでしょう。GPとMVを切り替えるとMVの方がベターなケースが結構あります。そのほかにYU8/OK1CRMとDJ1TUが見えた。見えなかったがGの局も盛んにQRVしているのが判った。

702.  MVでSV8/HB9  JA1SCW/日下  2004/10/06 (水) 05:31
今朝は広範囲なEUの信号が見えました。SV8/DF7XE/Pは459/459でQSO成立したが、HB9LDRは一発応答があったものの、既にコンディションが落ちていたのでRST交換ならずでQSO未成立。その前に呼び続けていたJA1の局に比べればましかな?UW2Zmは2エレCQの賜物か、上のJA1の信号と変わらない大変強力な信号でした。599のレポート(インフレ?)を貰いました。フルサイズのGPとMVを比較すると、MVの方がノイズが〜10dBほど少なく、弱いDX信号を拾うのに良い状態です(私の環境では)。

703. MVでCN8 JA1SCW/日下  2004/10/07 (木) 07:12
今朝も広範囲なEUの信号が見えたが、コンディションは昨日の方が良かった。CN8LI(モロッコ)の信号を非常に弱いながらも確認できた。やっと、アフリカの局という感じです。でも、QSOは無理なレベルでした。コンディションが良い日には可能性があるかな?今朝は3エリアのハイパワー局が次々とEU局に呼ばれているのを暫く見ていました。やはり、良いアンテナと高出力には負けます!その内の1局はIMDが悪くワイドなんだけど気がつかないのかなぁー?波形からはJRCのリグと思うのだが・・・。

704. MVでW0 JA1SCW/日下  2004/10/08 (金) 23:3222:00JST頃
コロラド州の2エレ16mH+60Wの信号がフルサイズ逆V12mHを使ってS9で入感していました。MVに切替えたところS1〜2落ちました。今回のQSOは逆Vで行いました。これまでは所謂、西海岸とのQSOだけでしたが、初めてロッキー山脈を越えて少し内陸に入ったところまで届いたようです。