2009年11月28日

【地デジ対策】地デジ対応NotePC用にアンテナを 〜 技術内容

 無線LANから興味を持ち、アンテナについて、色々調べた結果、概ねアンテナ技術の基礎についてのイメージが出来て来たので、備忘録として、ここに書き留めて置く。

  1. 波長周波数
     周波数は1秒間に何回波が繰り返すかと言う数字。電波はγ線、X線、光と同じ電磁波で、真空中(≒大気中)では1秒間に30万km進んでいるので、この光速を周波数を割ったものが、波長ということになる。
  2. アンテナの大きさ
     アンテナは、目的の電波がもっともよく同期共鳴する1/4波長の倍数の長さの金属等の導体が基準になる。ただ、金属の場合真空中より電磁波の速度は遅く0.98を掛けたものが基準になる。
  3. マッチング
     アンテナやアンテナ線は、厳密に言うとコンデンサーとしての振る舞いをするので、交流電流(=電磁波)の通り易さを表すインピーダンスという特性を持っている。電波をスムーズに伝えるにはアンテナと配線の間のインピーダンスを合わせる必要がある。これをとることをマッチングという。
    TVアンテナ用の同軸ケーブルは75Ωに対し、代表的なアンテナは次のインピーダンスを持っている。
    • ダイポールアンテナ: 1/4波長の長さの金属棒を左右対称に並べたもの。73Ω。角度を120度にすると50Ω
    • 折返しダイポールアンテナ: 市販の八木アンテナの輻射器の様にアンテナの先端を折返しているもの。293Ω
    • ループアンテナは、折返しダイポールアンテナを円形に変更した仲間
    • ヘンテナ: ループアンテナの変形とも言えるが、横幅を変更することで、インピーダンスを変更することが出来る。一般的な資料で言われている横幅1/6λの場合は50Ω、75Ωとするには横幅を大きくする必要がある。ヘンテナ開発の歴史(JE1DEU考案者)
  4. 平衡と不平衡
     平衡の金属棒で構成されているアンテナを不平衡の同軸に接続するだけだと同軸のアンテナ線自体がアンテナとして電波を誘導受信したり、発信用では不要な電波輻射を発生するそうだ。その防止の為に、利用波長に合致した「バラン」をアンテナ給電部に設ける必要がある様だ。
  5. バラン(Balun)
     バランは、インピーダンスのマッチング及び平衡から不平衡への変換の為に給電部に設ける。マッチングがとれていない不連続状態ではその部分で反射波が発生し電波の品質利得に影響を与えることになる。
  6. 反射波+進行波=定在波対策
     アンテナの端点や曲点、アンテナ線の接続部等の不連続部分では少なからず反射波が発生する。アンテナのエレメント長が1/4波長を基準に設計するのはその為であり、複数アンテナのスタックで用いられるQマッチによるアンテナスタック法は、これを利用したものである。ヘンテナの場合、給電部を挟み上部と下部で2つのループも構成している為、個別の反射波が発生すると同時に、給電部を上下させることで、目的の波長に対する反射波の抑制を図ることが可能である。調整にはSWR( Standing Wave Ratio)メータを用いる。この素人はそんなの持たないので試行錯誤で決定するしかないかな。位相変位を変調に用いている場合等は同期も必要だが、位相ズレが大きいと問題が大きいだろう。地デジの受信レベルが50以下でも受信可能なときがある一方で、60以上であっても駄目になることもある。ここ辺りを手掛かりに調整するしかないのかな。
  7. リフレクター(反射器)
     アンテナ本体の後方の反射を利得向上に利用するもの。反射波の位相ズレを気にするなら金属エレメントを放物線面に並べたものまたは金属板ということになろう。面白いところとして、ヘンテナでもその様な取組(「Hentenna Applications > 3 element Hentenna for 6m 」)がある。(当方では特に反射板を設けていないものの、設置位置の背後にある壁や窓枠が実質反射板の役割を果たす様で周波数により大きな利得変化が見受けられる。)


 以上、この技術的素人がクグって試た結果理解した内容だ。もし誤りがあれば、ご指摘宜しくお願いします。判りたかったら、先ずはちゃんとアマチュア無線の勉強をしろって言われそうだけど^^;;続きを読む
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2009年11月24日

【地デジ対策】地デジ対応NotePC用にアンテナを 〜 その後

 2009-11-11に投稿した「【地デジ対策】地デジ対応NotePC用にアンテナを 〜 ヘンテナの自作」では、取敢えず手元にあった在り合せの材料を用いたテストで、取敢えず市販卓上ループ程度の成果が得られたことを書かせて頂いた。本日はその続報である。

 その後、ワニ口クリップコードの不規則な配線感覚が与える影響が気になり、よりを入れることで、人(当方のこと)の動きによる電波強度の変動が少なくなる代わりに安定度は高まることを確かめた上で、材料を調達して、この1号ヘンテナを完成させて試た。

 先ず購入したものは4C-FBケーブル10mとF型接栓2個だ。取敢えず、先人の教えに従い、曲りなりにバランも付けて試た。
 結論から、先に言うときちんとしたアンテナ線にしたことから、ワニ口クリップコードで偶然受けていた電波がなくなったからなのだろう。たまたまあったL字フックので前回設置位置では、1つの局の電波が干渉の為一番暗になる位置だった様で、まともに見れなくなってしまった。
 アンテナとしてはきちんと機能していて、コードを持って部屋の中を動かしていくと問題なく受信している。案外、ワニ口クリップコードのいい加減な遊びも偶然のダイバシティ効果として必要だったのだろう潰してしまい残念であった。560mmのワニ口クリップコードだったので多分アンテナとして最適だったのかもだ。

 機能しているので、このまま使ってもいいのだが、やはり4CFV配線はヘンテナに直接ハンダ付けするには、給電部の強度が弱そうで持ち運ぶには不安を感じたので、再度細い柔らかい線を調達して作り直すことにした。

HENTENNA2号機
 他方、インターネットで引続き調べていると、参考になる技術内容も仕入れることが出来たので、今のものとは別の形で作成することにした。

 今回、調達したものは、3CFV(10m)、3C用F型接栓、中継接栓、圧着スリーブP型0.25-1.65mm用(かしめ金具)、融着テープ等を調達して制作に入った。

 先ず、アンテナの寸法だが、「ヘンテナの話」「(1)基礎知識
変テナ?」の下部にある「2-16図 ループの幅とインピーダンス」のグラフを参考に、アマチュア無線で一般的な50Ω同軸ケーブルが、TV用では75Ωであるので、その分、横幅を長く(100mm)にすることにした。理論通りであれば、低周波の方向に対しバンド幅が拡がり、当方(某地方都市在住)の地域の様に広い周波数幅をカバーするには好都合でもある。

 作成した2号ヘンテナの結果を先に言うと、まだバランも取付けていないので、まだ比較するには早いが、1号との差はそれ程感じなかった。多分制作誤差による個体差程度かと思うが、当初意図した。同軸ケーブルを細くした結果、部屋の中の取回しはかなり楽になったので、設置位置と方角、そして垂直から水平方向に傾けて試る等すると、問題の局の電波もピンピン入る所を複数個所発見することが出来た。
 この状況から推定すると、当方の受信しようとしている部屋は木造で古いながらも石膏ボード+グラスウール断熱を行なっている。外装のモルタルなの金属網が一面張られているので、電波がまともに通過出来るのは、窓と扉に限られでしまう。その為、壁に遮られた影になる位置の電波は回折(回り込み)波の弱いものがさらに重なり合い干渉を起こし、場所により強め合ったり、完全に打ち消し合ってしまっていると考えた方が良いのではと考えている。当方の地域は地方中核都市の主局タワーから2Kmなので2階に上がりタワー側の窓であれば、タワー自体が目視出来る強電界地域なので、課題はは弱電界地域に比べれば贅沢な取組みだが、電波というものは、受信に適した場所の選定が先であることが良く理解出来た。自作ヘンテナの評価はその基盤の上で行なうべきだろう。とすると、当方の環境でのヘンテナの利得測定は少しの差で変動するので、正しいかどうかは判らない。ただ、当方の自作ヘンテナでもまともに電波を受信出来ていることだけは確かである。

 恐らく、この投稿をご覧になるに当たりヘンテナに高利得の期待を抱き、お越しの方もいるだろうが、それは目標一つのとして考え、作成上の工夫を読取り良いと思ったものを取入れて、実験して試て頂きたい。

 講釈が長くなったが、以下に、当方の作成手順ほ書き留めて置く。

1.  100YenShopの1.6mm針金(鉄)を直線に延ばし、歪みを極力無くす。手法としては、ひたすら指でなで回し、残った凹凸部分は指で押さえ、再度指でなで回し納得出来る迄行なった。その上で上手く直線に出来なかった端部分はニッパーで切断。
2.  針金をかしめ金具に螺旋巻きにして給電部を作成する。針金の端から2-3cmのところを指で曲げ交差させ、目分量でかしめ金具が入る程度の隙間を形成。そこにかしめ金具を入れた上で後はペンチを使いそれに強めに巻き付けて行く。巻き終わったら、余った短い方は切断し長手側は、螺旋の中心から伸びる様にペンチで曲げを入れる(給電部とフレームの電波受信面を揃える意図)。それを左右2つ分作る。
3.  2で作った給電部とその落下防止用に同軸の絶縁樹脂の芯を残りの針金に、左右対称になる様に通す。
4.  次にヘンテナの外側の長方形のフレームをペンチを使い極力小さなRで曲げて作る。その際、給電部と落下防止樹脂が所定の辺に来る様に送りながら曲げて行く。当方は、空中で曲げて行ったが、各曲げ同一平面になる様に出来れば机上等の平面で作業した方がよいかもしれない。尚、今回は後日の修正を可能にする為、ヘンテナ下部は2重にし両端共、十数cmの曲げを付け左右対称なものにし、銅線で角2か所を縛って済ませている。
5.  これでほぼ見た目は完成した筈なので、給電部の左右が中央で接触しない様にニッパーで長さを揃える。先ずは中心位置でニッパーで左右両方の給電部を挟み印を付けた上で、その位置で切断した上で給電部を上下させ接触しない適切な隙間を判断し長さを調整する。
6.  ここで、給電部にハンダ付けする同塾ケーブルの絶縁被覆を剥ぎ、網線はより合せ、T字状にする。網線、芯線共に長い方が作業はし易い。
7.  給電部とT字状にした同軸ケーブルの銅線を給電部にハンダ付けする。当方のはんだごては残念ながら主力が弱く温度が上がらず苦労した。プリント基板への部品付けと異なり、かなり加熱した後でないと針金や網線に熱を奪われ、ハンダが溶けて全体に広がることはない。
8.  このままでは、給電部の位置が安定しないので、同軸ケーブルを4CFVの長尺のアルミ箔でヘンテナ下部に固定する。
9.  取敢えずの暫定で、同軸ケーブルの一方の端を加工し、3C用F型接栓を差込み、給電位置の調整テストをした。

 当方の作ったヘンテナ2号機作成手順は以上だ。

 給電部の位置調整は反射波の位相ズレによる干渉を低減することにある様だが、測定器何ぞ持っていないので、受信レベルで判断するしかなかった。結果として、標準的なλ/10の位置より結構上になってしまった。

 尚、今後暫くは、この2号機を使いテストを続けて行くつもりだが、適切な時期に、同軸ケーブルをλ/4の位置で切り、バランの取付と、F型接栓を付け、取替を容易にし他の形式のアンテナとの比較出来る様にしたいと思っている。
 以上、本日は書き殴りの文字のみの投稿となるが、後日、関係の図面と画像を整えここに掲載するつもりなので取敢えず勘弁願う。
hentenna_Balun_cons_ss.png

hentenna_Balun_kan_a_ss.png
posted by Mire at 12:52 | Comment(0) | TrackBack(0) | 地デジ アンテナ | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

2009年11月11日

【地デジ対策】地デジ対応NotePC用にアンテナを 〜 ヘンテナの自作

 以前【無線LAN感度】Fonの電波強度大幅UPに成功(答えは干渉低減と放物線)と【無線LAN感度】後書き 〜 放物線の描き方と楕円で紹介した2y=x2-1の放物線の反射板で無線LANの電波利得を大幅UP出来たことに味をしめたという訳ではないのだが、その際仕入れたアンテナの知識で、NotePC専用の地デジアンテナを自作して試みた。

 作ったのは、タイトルに書いた通りその動作原理が見るからに変なヘンテナというものだ。色々検索して試るとどうも、ソコソコの精度でも結果が得られそうだったし、構造も簡単だったからである。尚、地デジアンテナの場合は、無線LANと異なり電波を発信することはないので自作して接続しても電波法には触れない様なので安心して作成に取り組んだ。
 結果は上々で実験レベルの為、設置位置が低く、体を動かすと高周波の民放2局が安定しないが他は良好になった。

先ずは、作成の手順に沿って説明しよう。

 電波のアンテナなので同期波長を調べる。地デジは全てUHF帯だが、アナログの場合と異なり、先ずは地域の受信チャンネルのバンドを調べその使用周波数から波長を計算して試る。波長の計算方法は、光(=電波)速が1秒に30万kmm(つまり、300,000,000,000mm)進む間の周期数(Hz)で割り算出する。
 でも、「UHF(地上波デジタル/地上波アナログUHF)バンド」は広く、471.25MHz(471,250,000Hz)〜769.75MHz(469,750,000Hz)なので、光速30万km/s(=300,000,000,000mm)をそれで割ってその波長を求める(300,000,000,000mm÷471,250,000Hz等とする)と、波長に636.60mm〜389.74mmの幅があることがわかる。ざっくりいって600mm用のアンテナをつくっても、それで400mm波長の電波が上手く同期(共振)し、そのエネルギーを効率よく伝えることが出来るとはとても思えない。音にせよ、光にせよ、同期共振はその波長の1/4の倍数である必要がある。今回は、波長を合わせる以外に同期を図る手段を持たせない範囲でアンテナを作る訳なので、自分の住んでいる地域で受信可能な周波数の範囲を踏まえて作った方がより高利得を得易いだろう。地域別の利用周波数バンドとデジタルチャンネル番号の割当を見ると当方の地域の平均周波数は22〜34バンドをカバーすればよいので、周波数は525.25〜597.25MHzを守備範囲とする必要がある。まあ、今回は単純平均561.25MHzで534.52mmの波長辺りを基準に設計すればよいことになる。

「筆者居住地域の地デジ用アンテナ設計図」電気は表面を流れるので外寸で設計。また、設計なしで作ると曲げ部分だけ大きく作ることになってしまった。 さて、寸法の基準が判ったところで、ヘンテナの設計図を描くことをお勧めする。具体的には右図の様になる。水平波長の場合、縦が1/2波長、横が1/6波長の長方形に閉じた枠に給電部として下部より1/10波長付近で調整して決めることが可能な仕様を目指し筆者のない知恵を絞って考えた結果がこれである。力学的に安定し、且つ針金という材料の加工性を加味した設計が必要であることだけは判った。
 また、今回は同軸ケーブルを入手せずに試しているので、マッチングを一切とっていないので、まだまだ真価を発揮できていない可能性はあるが、それでも、インピーダンス不明の500mmのクリップコード2本で有り合わせの古いビデオ接続用付属ケーブルをつないで接続しただけでもほぼ全てのチャンネルがまともに視聴出来たし、市販の卓上アンテナと比較して遜色ない性能を示している。アナログのテレビでは、室内アンテナだとゴーストが発生し易いが地デジだとその心配もない。性能的には合格なので、近日中に同軸ケーブルを調達して完成させようと思う。このアンテナは平面で、高さもほぼA4サイズなので、NotePCと一緒に携帯しても嵩張るものではない。これってなんで売っていないんだろうか。不思議だ。

MyHENTENA_VIEWs_small.png 尚、今回作成して判ったことは、針金の加工時にスケールを当てながら、作って行くと曲げ部分を直角にむ出来ないので、結局のところその曲がり分だけ大きめに作ってしまったことだ。また、所詮加工精度の範囲なので頭でっかちの発想と言われそうだが、電子の流れは針金の表面でなおかつ、その外側を通ろうとするので、図の様に外寸で寸法を合わせた方が良かったのではないかと思っている。さらに当方の地域では、一番波長の長い局はNHK教育で感度は他局より大きく安定しているので短めでも問題なかったのかもしれない。完成させてまだ、不満があった場合には作り直して試ようと思う。因みに、当方の電波環境はタワーから2キロ超程度で強電界地域なので元々電波が弱過ぎるところでは役に立たないかもしれない。でも居宅内で一番状況の良くない部屋で、背丈程度の高さにたまたまあったフックにぶら下げただけで効果が得られたのだから、設置場所物色でも、少なくとも当方宅では、まだまだ改善の余地があると見る。

ヘンテナ下部の形状: 給電部は針金を巻付け後にニッパーで切断して作成。単純に手で曲げると角が甘くなってしまった。 加工で必要なSKILLは、@はんだ付けとA針金の曲げ加工だが、100円ショップの1.6mm径のスチール針金は、先ず真直ぐに伸ばすのも大変で、直角曲げも特に工具がある訳でないので角が甘くなるし歪みを作り易い。また、給電部は、マッチングの必要上、今回螺旋巻きを試みたが、先ずペンチでかしめる様にきつく巻きつけてから手で強く引きながら巻付けたら、殆どスライドしない程度に固定出来た。今回は、当方が購入したお店では銅線の針金を置いてなかったのでスチール製の針金を用いたが、銅線を使う方が加工も楽だろうし表面を流れる電子の動きもスムーズで、より効果が高いのではないかと思う。

 もし、あなたのNoteに地デジ機能が付いているなら、良かったらヘンテナを作成して試てはいかがだろうか。寸法的には当方の居宅のもので、1.6mmの針金を基準にしているのでそのまま使えないことも多いと思うが、無線LANの反射板と同様に、1:1の設計図のPDFファイル(My_HENTENA.pdf)をリンクして置くので適切な縮尺で印刷して活用して試て下さい。変な誘導電磁波を発信しない限り電波法に反することはないだろうし、そんな地デジ受信装置は売ってないでしょうから。

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posted by Mire at 05:52 | Comment(0) | TrackBack(1) | 地デジ アンテナ | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする
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