JP5051666B2

JP5051666B2 - アンテナ整合装置

Info

Publication number: JP5051666B2
Application number: JP2009211495A
Authority: JP
Inventors: 義則出野
Original assignee: 義則出野
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2029-09-14
Also published as: JP2011061662A

Description

本発明は、ＨＦ帯無線機のアンテナ整合装置に関するものである。

1.6ＭＨｚ〜30ＭＨｚのＨＦ帯においてアマチュア無線に利用できる周波数の範囲が拡大され、従来のアンテナではバンド幅を十分にカバーできない問題が出てきた。適切に調整されていないアンテナを用いて電波を発射すると、送受信機の故障や電波障害に発展しかねない。もしも電波障害が発生した場合には、送受信機の運用を行っている者は直ちに電波の発射を停止し、対策を行わなければならない。そして、電波障害が発生しないことを確認しなければ、送受信機の運用を再開することが法令で禁止されている。そこで、アンテナ調整のためにアンテナの給電部に装着され、或いはアンテナと送受信機との間の伝送路に挿入されるアンテナチューナーやアンテナカプラーと呼ばれるアンテナ整合装置が従来から広く使われている。ところが、これらの従来のアンテナ整合装置は、500Ｗ以上の大電力で利用でき、且つ、送信する周波数の変更に伴ってアンテナの共振周波数やインピーダンス整合を遠隔から操作して調整できるものは高価である。

従来のＨＦ帯無線機のアンテナ整合装置の一例は、実開平５−２８１４１号公報（特許文献１）に記載されている。即ち、このアンテナ整合装置は短波無線送受信機のアンテナ接続端子とアンテナとの間に、スイッチを切り替えてインピーダンス変成比の異なる複数のトランスのいずれか１つを選択するトランス群と、インダクタンスとコンデンサからなるインピーダンス整合器とが縦続接続され、使用周波数に対応して前記スイッチを切り替えることにより前記アンテナと前記短波無線送受信機のインピーダンスとの整合をとるように構成したことを特徴とするものである。この従来のアンテナ整合装置は小型軽量化を実現するものである。しかしながら、前記インピーダンス整合器を構成するインダクタンスは大電流で飽和するために、この従来のアンテナ整合装置は500Ｗ以上の大電力の送受信アンテナに適用することはできないという問題がある。また、インピーダンス変成比の異なる複数のトランスを用いるものであるから前記トランス群は大型になるという問題もある。

大電流で飽和するために大きなインダクタンス値が得られない従来の可変インダクターは、例えば特開平５−１７６８８号公報（特許文献２）の図４に示されている如く、絶縁導線を円筒状に巻回した円筒状コイル部材と、前記円筒状コイル部材に同軸に挿入される強磁性体ロッドと、前記強磁性体ロッドの挿入量を可変にする部材移動手段とで構成されたものである。

大電流で飽和しない従来の可変インダクターは、特許文献２の図１に記載されている。この可変インダクターは、絶縁導線を円筒状に巻回した円筒状コイル部材と、前記円筒状コイル部材に同軸に挿入される超導電体ロッドと、前記超導電体ロッドの挿入量を可変にする部材移動手段とで構成されたものである。しかしながら、低価格の超導電体ロッドが得られないため、実用化されていないようである。

実開平５−２８１４１号公報特開平５−１７６８８号公報

本発明が解決しようとする第１の課題は、ＨＦ帯のアマチュア無線に利用できる周波数に適用できる低価格の大電力の送受信アンテナ用アンテナ整合装置を提供することである。
本発明が解決しようとする第２の課題は、ＨＦ帯のアマチュア無線に利用できる周波数に適用できる大電力の送受信アンテナ用アンテナ整合装置を構成する低価格の高周波インピーダンス整合トランスを提供することである。

上述の第１の課題を解決するアンテナ整合装置は、短波無線送受信機のアンテナ接続端子とアンテナとの間に高周波インピーダンス整合トランスと一対の可変インダクターとが縦続接続された大電力の送受信アンテナ用アンテナ整合装置において、
前記一対の可変インダクターはいずれも第１の絶縁材パイプに絶縁導線を巻回した円筒状コイル部材と第２の絶縁材パイプに導電性薄板を貼り付けた円筒状導電部材とを筐体内に非接触にして同軸に配置し、共通の部材移動手段によって前記円筒状導電部材を軸方向に移動させることによってインダクタンスを可変にするものであること、及び、
前記高周波インピーダンス整合トランスは複数の送受信機側中間タップと複数のアンテナ側中間タップを備え、使用周波数に対応して前記送受信機側中間タップとアンテナ側中間タップを選択することにより前記アンテナと前記短波無線送受信機のインピーダンスとの整合をとるものであることを特徴とする。

上述の第２の課題を解決するＨＦ帯のアマチュア無線に利用できる周波数に適用できる大電力の送受信アンテナ用アンテナ整合装置を構成する低価格の高周波インピーダンス整合トランスは、フェライトのトロイダルコアに８本の絶縁導線を束ねて８回バイ・ファイラ巻きにし、且つ、所定の変換率表に基づいて送受信機側巻線とアンテナ側巻線に夫々８個の接続タップを設け、前記接続タップを適宜選択することによって高周波インピーダンス変換を行うようにしたものである。

本発明により、ＨＦ帯のアマチュア無線に利用できる周波数に適用できる低価格の大電力の送受信アンテナ用アンテナ整合装置を提供された。
また、本発明により、ＨＦ帯においてアマチュア無線に利用できる周波数に適用できる低価格のアンテナ整合装置であって、送受信する周波数の変更に伴ってアンテナの共振周波数とインピーダンスを遠隔から操作して調整できる大電力の送受信アンテナ用アンテナ整合装置を提供された。
更に、本発明により、ＨＦ帯のアマチュア無線に利用できる周波数に適用できる大電力の送受信アンテナ用アンテナ整合装置を構成する低価格の高周波インピーダンス整合トランスが提供された。

本発明の一実施例のアンテナ整合装置の回路構成図である。高周波インピーダンス整合トランスの一実施例の回路図である。可変インダクターを構成する円筒状コイル部材の一実施例の斜視図である。本発明の一実施例のアンテナ整合装置の斜視図である。

本発明に係るＨＦ帯のアマチュア無線に利用できる周波数に適用できる低価格のアンテナ整合装置を、複数の送受信機側中間タップと複数のアンテナ側中間タップを備えた高周波インピーダンス整合トランスと、低価格で且つ大電流で飽和しない可変インダクターとで構成した。そして、前記可変インダクターを、円筒状コイル部材、前記円筒状コイル部材と同軸に且つ移動可能に配置された円筒状導電部材、及び前記円筒状導電部材を移動させる部材移動手段とで構成した。より具体的には、前記可変インダクターを、円筒状コイル部材と、前記円筒状コイル部材に同軸に挿入配置された円筒状導電部材と、前記円筒状導電部材の挿入量を可変にする部材移動手段とで構成した。

本発明の一実施例のアンテナ整合装置は、7ＭＨｚ帯のアンテナエレメントを利用し、給電部分に可変インダクターを加え、目的周波数に共振させておき、インピーダンスを50Ωに調整することによって、7/14/21/28/50ＭＨｚをカバーするV型ダイポール・アンテナ（以下、対象V型ダイポール・アンテナと記載する）を3.5ＭＨｚ〜3.8ＭＨｚで使用できるようにした。なお、前記7/14/21/28/50ＭＨｚをカバーするV型ダイポール・アンテナは、具体的には、クリエート・デザイン社の730V-1Aと呼ばれるアンテナである。3.5ＭＨｚ、3.6ＭＨｚ、3.7ＭＨｚ、3.8ＭＨｚへの周波数変更は、可変インダクターにより行う。

即ち、本発明の実施例のアンテナ整合装置は、図１と図４に示す如く、短波無線送受信機１０とアンテナ２０との間とに、複数の送受信機側中間タップと複数のアンテナ側中間タップを備えた高周波インピーダンス整合トランス３０と一対の可変インダクター４０Ａ，４０Ｂとが縦続接続されて構成されたアンテナ整合装置であって、使用周波数に対応して前記送受信機側中間タップとアンテナ側中間タップを選択することによりアンテナ２０と短波無線送受信機１０とのインピーダンスの整合をとるようにした整合装置である。なお、図４において、４６Ａと４６Ｂはアンテナへの接続端子である。

（高周波インピーダンス整合トランス）
3.5ＭＨｚ〜3.8ＭＨｚで使用する高周波インピーダンス整合トランス３０の一実施例は、図１の模式的な斜視図と図２の回路図に示す如くである。

即ち、この一実施例の高周波インピーダンス整合トランス３０は、外径62.5ｍｍ、内径35.5ｍｍのフェライトのトロイダルコア３２に、8本の絶縁導線３１を束ねて8回バイ・ファイラ巻きにし、且つ、所定の変換率表に基づいて送受信機側巻線に（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）の８個の接続タップ（IN側接続タップ）を設け、且つアンテナ側巻線に（9）、（10）、（11）、（12）、（13）、（14）、（15）、（16）の８個の接続タップ（OUT側接続タップ）を設け、更にIN側トランス端子３５，３６とOUT側トランス端子３７，３８を設けて構成されている。IN側トランス端子３５，３６は短波無線送受信機１０の一対のアンテナ接続端子１１，１２に接続される端子、OUT側トランス端子３７，３８はアンテナ２０の一対のアンテナ端子２１，２２に接続される端子である。なお、絶縁導線３１には、テフロン（登録商標）線と呼ばれているものを使用した。

図２では、IN側トランス端子３５はIN側接続タップ（1）に接続され、IN側トランス端子３６はOUT側接続タップ（16）に接続されている。また、OUT側トランス端子３７はOUT側接続タップ（12）に接続され、OUT側トランス端子３８はOUT側接続タップ（16）に接続されている。以下に説明する如く、IN側トランス端子３５はIN側接続タップ（1）〜（8）の中から選択された1個の接続タップに接続され、且つOUT側トランス端子３７はOUT側接続タップ（9）〜（15）の中から選択された1個の接続タップに接続される。言わば、IN側接続タップ（1）〜（8）とOUT側接続タップ（9）〜（15）は、高周波インピーダンス整合トランス３０の複数の送受信機側中間タップと複数のアンテナ側中間タップとして機能するものである。なお、高周波インピーダンス整合トランス３０は、その接続タップがリレーで切り替えられるように配線されており、オペレータは手元のロータリースイッチを操作して遠隔からタップ切換を行うことができる。

このように構成した高周波インピーダンス整合トランス３０は、これら接続タップを適宜選択することによって、さまざまな比率に高周波インピーダンス変換を行うことができる。例えば、接続タップ（12）に一対のアンテナ端子の他方を接続すると、表１の変換率表を参照すれば明らかな如く、64：16、即ち4：1のインピーダンス変換が行われる。この接続タップの状態で、INとOUTを逆にして高周波インピーダンス整合トランスを使えば、1:4のインピーダンス変換が行われる。また、接続タップ（13）に一対のアンテナ端子の他方を接続すると、表１の変換率表を参照すれば明らかな如く、64：9、即ち7：1のインピーダンス変換が行われる。この接続タップの状態で、INとOUTを逆にして高周波インピーダンス整合トランスを使えば、1:7のインピーダンス変換が行われる。

アンテナは、設置する環境からさまざまな影響を受け、インピーダンスが変化する。そこで、本発明を構成する高周波インピーダンス整合トランスを用いることによって、アンテナ環境に応じて、最適なインピーダンス変換を行うことができるのである。接続タップの選び方とインピーダンス変換率を示した表１からも分かるように、目的周波数に共振しているヘルツ式アンテナであれば、殆どのケースでインピーダンス整合を実現させることができる。LCを用いたアンテナ整合方式ではどうしてもバンドの端でSWR（定在波）は1.5程度になるが、本発明を構成する高周波インピーダンス整合トランスを用いたアンテナ整合方式では広帯域の3.5〜3.8MHzでSWRを1.1以内にすることができる。また、LCを用いたアンテナ整合方式では共振点がずれることがあるが、本発明を構成する高周波インピーダンス整合トランスを用いたアンテナ整合方式ではリアクタンス成分がゼロのところ、即ち共振点でインピーダンス整合を実現させることができる。

（可変インダクター）
本発明に係るアンテナ整合装置を構成する可変インダクターは、第１の絶縁材パイプに絶縁導線を巻回した円筒状コイル部材と第２の絶縁材パイプに導電性薄板を貼り付けた円筒状導電部材とを筐体内に同軸に配置し、部材移動手段によって前記円筒状導電部材を軸方向に移動させることによってインダクタンスを可変にするものである。要するに、本発明に係るアンテナ整合装置を構成する可変インダクターは、前記円筒状コイル部材と前記円筒状導電部材の軸方向の相対位置関係を変更させることによって、インダクタンスを可変にするものである。

図１に示すアンテナ整合装置を構成する可変インダクター、即ち3.5ＭＨｚ、3.6ＭＨｚ、3.7ＭＨｚ、3.8ＭＨｚへの周波数変更を行うための可変インダクター４０（４０Ａ,４０Ｂ）は、円筒状コイル部材４１、円筒状導電部材４２、部材移動手段４３、及び図示しない筐体とで構成されている。

円筒状コイル部材４１は、図３に示す如く、ボビンとなる第１の絶縁材パイプ４１２と、これに直径2ｍｍのホルマル線を12巻されたコイル４１１とで構成されている。具体的には、第１の絶縁材パイプ４１２は外径48ｍｍ、内径46ｍｍ、長さ90ｍｍの塩化ビニールパイプである。第１の絶縁材パイプ４１２の片側端部は塩化ビニールキャップの如き絶縁材キャップ４１３が接着され封止されている。４１５と４１６は、コイル４１１の巻線端子である。

一対の円筒状コイル部材４１Ａ、４１Ｂは、図３に示す如く、図示しない筐体の天板に所定距離だけ隔てて固定されている。円筒状コイル部材４１Ａ、４１Ｂの筐体の天板への固定は、第１の絶縁材パイプ４１２の片側端部を封止している塩化ビニールキャップの如き絶縁材キャップ４１３を筐体の天板に例えばネジで固着することによって行われている。

円筒状導電部材４２は、外径42ｍｍ、内径30ｍｍ、長さ90ｍｍのパイプの如き第２の絶縁材パイプの外表面の全面に、厚さ0.1ｍｍの薄い銅板を貼り付けて構成されている。第２の絶縁材パイプの片側端部は塩化ビニールキャップの如き絶縁材キャップが接着され封止されている。

一対の円筒状導電部材４２Ａ、４２Ｂは、図３に示す如く、対応する一対の円筒状コイル部材４１Ａ、４１Ｂの中に同軸に位置するようにして、絶縁材支持板４３１に所定距離だけ隔てて固定されている。円筒状導電部材４２Ａ、４２Ｂの絶縁材支持板４３１への固定は、上述の第２の絶縁材パイプの片側端部を封止している絶縁材キャップを絶縁材支持板４３１に例えばネジで固着することによって行われている。絶縁材支持板４３１の中央には、内周面に雌ネジが形成された移動量調整用円筒部材４３２の一端が固着されている。移動量調整用円筒部材４３２の雌ネジと螺合する雄ネジが形成された移動量調整用円柱部材４３３は、その一端をギヤードモータ４３４の回転軸に固定されている。

絶縁材支持板４３１、移動量調整用円筒部材４３２、移動量調整用円柱部材４３３、及びギヤードモータ４３４は、部材移動手段４３を構成する。部材移動手段４３は、一対の円筒状導電部材４２Ａ、４２Ｂを同時に移動させるものであり、従って一対の可変インダクター４Ａ，４Ｂに共用のものである。

本発明を構成する可変インダクター４０の一実施例は、上述の如く、円筒状コイル部材４１、円筒状コイル部材４１内に同軸に移動可能に挿入配置された円筒状導電部材４２、円筒状導電部材４２の挿入量を可変にする部材移動手段４３、及び図示しない筐体とで構成されている。そして、円筒状コイル部材４１は第１の絶縁材パイプ４１２に直径2ｍｍのホルマル線を12巻されたコイル４１１とで構成され、また、円筒状導電部材４２は第２の絶縁材パイプの全表面に薄い銅板が貼り付けられて構成されている。

円筒状導電部材４２を円筒状コイル部材４１内に深く挿入すると、インダクタンスは円筒状コイル部材単独のものよりも小さくなる。逆に、円筒状導電部材４２を円筒状コイル部材４１内に浅く挿入すると、インダクタンスは円筒状コイル部材４１単独のインダクタンスに近い値を示すことになる。これは、円筒状コイル部材４１と円筒状導電部材４２の全表面に貼り付けられた薄い銅板との間の静電気的又は電磁気的な位置関係が変化するからである。円筒状コイル部材４１に大電力が供給されても、円筒状導電部材４２は磁性体コアとことなり飽和しない。従って、本発明を構成する可変インダクター４０は大電力で使用できるという特長を有するのである。なお、円筒状導電部材４２は、薄い銅板の代わりにアルミニウム箔を第２の絶縁材パイプの全表面に貼り付けても構成することができる。

（ギヤードモータの遠隔制御）
ギヤードモータ４３４は図示しないコントロールユニットにより遠隔制御される。本発明に係るアンテナ整合装置は、短波無線送受信機１０から離れた場所に設置されているアンテナ２０の近傍に配置されている。このため、オペレータは送受信機側からアンテナ整合装置の可変インダクター４０Ａ，４０Ｂのインダクタンス値の変更を遠隔から行う必要がある。そこで、短波無線送受信機１０の近傍にコントロールユニットを配置し、このコントロールユニットにより、可変インダクター４０Ａ，４０Ｂを遠隔制御するようにした。より具体的には、コントロールユニットにロータリースイッチを設け、このロータリースイッチが1の位置では3.5ＭＨｚ〜3.8ＭＨｚで使用、2の位置では7.0ＭＨｚ〜7.06ＭＨｚと14ＭＨｚ、21ＭＨｚ、28ＭＨｚ、50ＭＨｚで使用、3の位置では7.06ＭＨｚ〜7.1ＭＨｚで使用、4の位置では7.1ＭＨｚ〜7.2ＭＨｚで使用する。このロータリースイッチによりリレーを駆動してモータ操作スイッチを制御する。このモータ操作スイッチは、中間点が停止、右側に倒すと正回転、左側に倒すと逆回転するようにギヤードモータ４３４を操作する。

（アンテナ整合の調整）
図１において、高周波インピーダンス整合トランス３０を取り外し、短波無線送受信機１０から可変インダクター４０Ａ，４０Ｂを介してアンテナ２０に給電できるようにする。最初に、アンテナアナライザを3.5ＭＨｚ〜3.8ＭＨｚの中間点3.65ＭＨｚに合わせ、ギヤードモータ４３４を上述のコントロールユニットから遠隔制御し、共振点、即ちリアクタンス成分がゼロになるところを探す。概ね、円筒状導電部材４２Ａ、４２Ｂの挿入位置が円筒状コイル部材４１Ａ，４１Ｂの中間点で共振点は見つかる。この状態で、高周波インピーダンス整合トランス３０を図１の如く結線し、接続タップを切り替えながらＳＷＲの最良点を探し出す。概ね4：1のタップで最良点が得られる。アンテナ周辺の環境（地上高、家に近い、上空に電線があるなど）により、タップ位置を変えて確認する。次に、バンドエッジでの状況を確認するために、アンテナアナライザの周波数を3.5ＭＨｚにし、ギヤードモータ４３４を操作して円筒状導電部材４２Ａ、４２Ｂの挿入位置を変更させ、ＳＷＲが1.1程度になることを確認する。最後にアンテナアナライザの周波数を3.8ＭＨｚにし、ギヤードモータ４３４を操作して円筒状導電部材４２Ａ、４２Ｂの挿入位置を変更させ、ＳＷＲが1.1程度に収まることを確認する。

１０短波無線送受信機
１１，１２アンテナ接続端子
２０アンテナ
２１，２２アンテナ端子
３０高周波インピーダンス整合トランス
３１コイル
３２トロイダルコア
３５，３６ＩＮ側接続端子
３７，３８ＯＵＴ側接続端子
４０，４０Ａ，４０Ｂ可変インダクター
４１，４１Ａ，４１Ｂ円筒状コイル部材
４１１巻線
４１２絶縁材パイプ
４１３絶縁材キャップ
４１５，４１６巻線端子
４２Ａ，４２Ｂ円筒状導電部材
４３部材移動手段
４３１絶縁材支持板
４３２移動量調整用円筒部材
４３３移動量調整用円柱部材
４３４ギヤードモータ
４６Ａ，４６Ｂアンテナへの接続端子

Claims

短波無線送受信機のアンテナ接続端子とアンテナとの間に高周波インピーダンス整合トランスと一対の可変インダクターとが縦続接続された大電力の送受信アンテナ用アンテナ整合装置において、
前記一対の可変インダクターはいずれも第１の絶縁材パイプに絶縁導線を巻回した円筒状コイル部材と第２の絶縁材パイプに導電性薄板を貼り付けた円筒状導電部材とを筐体内に非接触にして同軸に配置し、共通の部材移動手段によって前記円筒状導電部材を軸方向に移動させることによってインダクタンスを可変にするものであること、及び、
前記高周波インピーダンス整合トランスは複数の送受信機側中間タップと複数のアンテナ側中間タップを備え、使用周波数に対応して前記送受信機側中間タップとアンテナ側中間タップを選択することにより前記アンテナと前記短波無線送受信機のインピーダンスとの整合をとるものであることを特徴とするアンテナ整合装置。
前記部材移動手段は遠隔操作手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ整合装置。
前記高周波インピーダンス整合トランスはフェライトのトロイダルコアに８本の絶縁導線を束ねて８回バイ・ファイラ巻きにし、且つ、所定の変換率表に基づいて送受信機側巻線とアンテナ側巻線に夫々８個の接続タップを設け、前記接続タップを適宜選択することによって高周波インピーダンス変換を行うものであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ整合装置。
前記可変インダクターは、筐体内に一端を固定された第１の絶縁材パイプに絶縁銅線を巻回した円筒状コイル部材と、第２の絶縁材パイプに導電性薄板を貼り付けた円筒状導電部材であって前記円筒状コイル部材に同軸に挿入された円筒状導電部材と、前記円筒状導電部材を軸方向に移動させる部材移動手段とで構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ整合装置。
前記円筒状導電部材は第２の絶縁材パイプの全表面に薄い銅板を貼り付けたものであることを特徴とする請求項１又は４に記載のアンテナ整合装置。
前記円筒状導電部材は第２の絶縁材パイプの全表面にアルミニウム箔を貼り付けたものであることを特徴とする請求項１又は４に記載のアンテナ整合装置。
前記部材移動手段はギヤードモータを含むことを特徴とする請求項１又は４に記載のアンテナ整合装置。
前記ギヤードモータは遠隔制御されることを特徴とする請求項７に記載のアンテナ整合装置。