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« シュペルトップバランの原理が理解できず | トップページ | バラン製作の下準備:平衡度メータの作製 (1) »

2012年9月23日 (日)

シュペルトップバランの原理をようやく理解

ずっとコメントいただいていた、こげらさんにご指導いただいた結果、
掲題のとおりシュペルトップバランについて理解しました。
こげらさんには、お礼を申し上げたいと思います。

おさらいの意味を兼ねて、図を書き直してみると、

Fig3_20120923

同相電流は表皮効果のため、"シュペルトップの外側を通って"負荷(アンテナ)
まで戻ってこようとするが、開放端のインピーダンスが無限大のため、
同相電流が流れない。
図では、インピーダンスを抵抗で表してるが、LC並列回路の方が実際的

私は次のような考え方の方がイメージしやすかったです。

負荷(アンテナ)側からシュペルトップバランを見たときのインピー
ダンスは無限大、そして同相電流の発生源はその先にある。
つまり同相電流の発生源は、出力インピーダンス無限大で負荷に
給電することになる。出力インピーダンス無限大だから電流は流れない。

Fig4_20120923

図において、同相電流発生源を構成している信号源の位置は、実際は
ここではなくアンテナの共振回路にあたる部分だと思います。

それと、シュペルトップバランの短縮率については、以下のようになります。

外部導体とシュペルトップで伝送線路を形成することになるが、その
短縮率は外部導体とシュペルトップの間にある物質の誘電率に依存する。
たとえば、5D2Vの外部被覆の上にシュペルトップを被せたとすれば、
外部被覆である塩化ビニルの誘電率に依存し、その値を4程度とすれば、
短縮率は0.5程度になる。

シュペルトップバランの調整は、かなりシビアだということも教えて
いただきました。LC並列共振回路のインピーダンスで同相電流を阻止
するものなので、同調周波数付近における周波数とインピーダンスの
関係を考えれば、想像つきますね。

また別のバランとして、分岐導体バランをご紹介いただきました。
少し興味を持ちましたので、今回作ろうとしているバランの候補の
一つにしたいと思いました。

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無線(アンテナ)」カテゴリの記事

コメント

おはようございます
ご自身の理解を、ご自身で他に置き換えてまで説明できるということはすばらしいですね。完全にものにされましたね。
私もうれしいです。
バランはその原理がわかりにくいですね。
でも面白いです。なくてもいいと考える人もアマチュアにはおられますが。
ネットをサーフィンしていますと、結構特許が出されています。携帯電話のアンテナにもちゃんとバランが組み込まれていたと知り驚いています。
CSHさんと同様にバランで悩んでおられるハムを最近少し前に知りました。彼も熱心に取り組んでおられますのでブログをご紹介しておきますね。『リセットボタン』さんと検索されるとすぐにわかると思います。
リセットさんは分岐導体バランです。

リセットさんのブログはここです。検索ではわかりにくかったのでお知らせします。

http://blog.goo.ne.jp/terumi365/e/3d345f63fc65ac23722b27b456fa4bee?st=0

こげらさん、こんばんは。お褒めの言葉をいただき、大変恐縮です。
無線の自作の中でも、バランは手軽に作れる部類だと思いますが、
きちんと性能を出そうとすると意外に難しい、そこが面白いところ
だと思っています。

ご紹介いただいたリセットボタンさんのブログもチェックしていき
たいと思います。こげらさんもブログを開設されていると思います
ので、そちらも訪問させていただきます。

分岐導体バラン、これから調べていきます。

おはようございます
私のブログもありますが、たいしたものではありません。間口を広くしていますのでハムを特定していません。今は主に脱原発の記事がほとんどです。訪問者もほとんどいません。公開はしていますが積極的には広めていません。広げると収集がつかなくなりそうなので。
でもひそかに見てくれている人もいるようです。それでもよかったらお知らせします。かなり独断と偏見が入っていますのであまりお勧めはしませんが。

こげらさん、こんばんは。
リセットボタンさんのブログ、そしてこげらさんのブログ拝見させていただきました。
皆さんブログに個性があり、いろいろ拝見していると楽しめますね。
参考になること多々ありますので、ちょこちょこ様子見に伺いたいと思います。

おはようございます 
マイブログ見つけていただきましたようでありがとうございます。でもよくわかりましたねえ。同じ名前がたくさんありますのにね。

もっと特定した記事のほうがいいのでしょうが、いろいろと書きたいものであんな風になりました。カテゴリで分別していますので慣れれば何とか見ていただけるかと思います。
もっとハムの記事を増やしていきますわ。

こげらさん、こんばんは。割と簡単にヒットしました。
私も負担にならないよう、無線中心に記事を書く頻度を増やせたらと
思っています。

はじめまして。

復帰ハムでございます。
昨年アンテナを自作したときにシュペルトップバランについて調べてみると、長さについて諸説あって、いったいどうしたものやらとそれ以来悩んでおりました。

私もOMと同じく、中性点からグラウンドへのループとして不平衡電流が流れると理解するのが一番わかりやすいと考えるにいたったのですが、その場合、不平衡電流の大部分(=表皮効果で分岐する電流)は、伝送路としては同軸芯線と網線または外被に被せた網線という分布定数回路を通らずに、網線~シュペルトップ~グラウンドというループを通るので、同軸ケーブル(一部網線を被せた場合を含む)の短縮率(67%にせよ50%にせよ)はあてはまらず、導体としての短縮率がもっとも近いのではないかと考えます。

別実験での分岐導体バランを測定されたときに「26cmのシュペルトップ」でまったく効果が出ていないことと符号すると思うのですが・・・

お目汚し、失礼いたしました。

時折読ませていただいております。
今後ともよろしくお願いいたします。

JH8JNFさん、はじめまして。
お返事が遅くなりまして、申し訳ございません。
コメントをいただきまして、ありがとうございました。

シュペルトップバランに関する記事を書いてからもう3年半も経ちますが、
まだ結構アクセスがあります。
動作原理や通説となっている短縮率0.67がよく分かっておらず、
自分の理解を深めるために書きました。
コメントいただいたOMさんと何度かやりとりして、何となく理解したつもりに
なっています。

さて、私の理解はと言いますと、
不平衡電流のループを考えた場合、まず起点をアンテナの給電点とすると、
アンテナ→アンテナの中性点→グラウンド→リグのGND→同軸の網線(外部導体)
→シュペルトップの外側を通ってシュペルトップの開放端まで到ります。
ここまでは、JNFさんの考えと同じだと思いますし、分布定数型の伝送線路は
通っていないので、短縮率は関係ないと思います。

その先ですが、図で赤くz=∞と書かれたインピーダンスを通らないと、アンテナの
給電点に戻れません。(図が小さく、見難くて恐縮です)
このz=∞というインピーダンスは、片側が短絡された1/4λ伝送線路の特性を
応用したもので、それは何かというと、同軸に被せた編組線と同軸の外部導体
とで形成される1/4λ伝送線路、すなわちシュペルトップです。

そう考えたときに、同軸に被せた編組線と同軸の外部導体との間に何があるか
というと、主にポリ塩化ビニルでできている外部被覆です。
なので、この1/4λの伝送線路を形成するのに外部被覆の誘電率に応じた短縮率を
掛ける必要があるというわけです。

この∞のインピーダンスがあるおかげで、不平衡電流のループは形成されず、
アンテナには平衡電流しか給電されないということになります。
周波数が変わると、開放端のインピーダンスは、スミスチャートの最外周に
軌跡を描くように変化するのだと思います。
なので、少しずつインピーダンスが下がってきて、不平衡電流が流れ始めて
しまうことになってしまいます。

ところで、短縮率を0.5と書いてしまうと、またそれを鵜呑みにされる方も
おられるかもしれませんが、これはポリ塩化ビニルの比誘電率が4ぐらいだと
短縮率は0.5ぐらいになると言うだけで、正確にはちゃんと計算する必要があります。

26cmのシュペルトップを測定したときは、かなりいい加減な測定でしたし、
144MHzという高い周波数で寄生やら訳の分からない要因が多々あったと
思いますので、正しい結果だったとは言い切れないと思います。
理論的に詰めようとするならば、もう少し低い周波数で実験し、同相電流計
(トロイダルコア活用百科に載っているもの)などで測定した方が良いと思います。
28MHzぐらいがリーズナブルではないでしょうか。

今後ともよろしくお願いいたします。

ご返信ありがとうございます。

シュペルトップが被さっている部分については表皮効果を使った高周波電流の分岐となっているので、もともとの網線との間で伝送路は形成していないと思うのですがいかがでしょうか?

この問題は本当にややこしいですね。
CQ誌なりQEXあたりで測定して広めてもらいたいものです(笑)

今後ともよろしくお願いいたします。

JNFさん、こんばんは。
また長文になってしまい、大変恐縮です。
また、ご気分を害してしまうようでしたら、申し訳ございません。

念のために確認させていただきたいのですが、
シュペルトップバランをアンテナに接続する場合、同軸ケーブルの芯線と同軸ケーブルの編線
(外部導体)とを接続すると思いますが、同軸ケーブルに被せた編線はアンテナとは接続しない
ですよね。この認識で間違っていないでしょうか。
もし、同軸ケーブルに被せた編線もアンテナと接続していると認識されているのであれば、
いくら議論しても話は平行線に終わってしまうと思います。

その認識が合っているという前提で話を続けますと、仰るとおり、
「シュペルトップが被さっている部分については表皮効果を使った高周波電流の分岐と
なっているので、もともとの網線との間で伝送路は形成していない」
というのは、正しいと思います。
ただし、それは不平衡電流のループを辿っていき、シュペルトップの「開放端」としている部分に到達する
までのことだと思います。

問題はその先です。昨日も書きましたが、不平衡電流が最終的にアンテナの給電点まで戻るには、
同軸ケーブルに被せた編線(シュペルトップの外側)から同軸ケーブルの編線(アンテナの
給電点)まで辿り着かなければなりません。

この経路をごく定性的に書きますと、不平衡電流は「開放端」の部分で同軸ケーブルに被せた編線の
内側に折り返し、さらに「短絡端」でターンして同軸ケーブルの編線の外側を通って、
アンテナの給電点まで到達すると考えます。
言葉で書くと、非常に分かりづらいと思いますが、

「同軸ケーブルに被せた編線の内側」と「同軸ケーブルの編線の外側」とは平行二線の
伝送線路が形成されているのはお分かりだと思います。片側が短絡端なので反射が起こり、
短絡端で電圧最小/電流最大の節ができます。そうすると、伝送線路の反対側すなわち
シュペルトップの「開放端」は電圧最大/電流最小となります。

図が書けないので、Webからトロイダルコア活用百科の見本を引用させていただきますが、
www.cqpub.co.jp/hanbai/books/30/30671/30671_3syo.pdf
84ページの[図3.2] 1/4波長線路の性質に、「片方を短絡すると、他方からはインピーダンスは
無限大に見える」とあります。シュペルトップの開放端は、まさにこの状態です。
この無限大のインピーダンスを得るために、1/4λと短縮率という数字が
重要な意味を持っているのだと認識しています。

なので、「同軸ケーブルに被せた編線の内側」と「同軸ケーブルの編線の外側」とで形成される
伝送線路に掛かる短縮率は、それらの間にあるポリ塩化ビニルの誘電率に依存すると考えます。

どうぞよろしくお願いいたします。

 シュペルトップの短縮率を調べていて、こちらに行き着きました。まだ、投稿が続いているようなので、一筆差し上げます。

 私は、シュペルトップの短縮率はシース(塩化ビニル製)の誘電率によると考えて、何度か実験してきました。今日、4回目の実験をまとめたところです。

 2種類の方法で測定して、同じ値「0.57」を得ました。これは誘電率にすると約3.0になります。

 上記のアドレスに結果を載せてありますので、ご笑覧下さい。

 どうもアドレスが表示されないようなので、再送します。

http://www.takatoki.justhpbs.jp/maddo/syupe4/syuperu4.html

ja3uenさん、こんばんは。

実験内容、非常に素晴らしいです!!
きちんと測定されているので確かな結果だなと思って、見入ってしまいました。

一人歩きした「数値」を鵜呑みにせず、地道に実験をなされ、自分で考えていることが正しいことを証明なされる
OMの取り組みには、本当に頭が下がります。

実験を続けられておられるので、今後も楽しみにしております。

 ありがとうございます。まだ納得のいかないところがたくさんあります。例えば、コモンモードフィルタと違って、シュペルトップは同軸ケーブルの外側を流れる電流を阻止するだけです。じゃあ、阻止されて行き先を失った電流はどうなってしまうのでしょう。などなど。

 ところで、平衡度メーターを作成されているようですが、よろしければ回路図など詳しいことを教えていただけないでしょうか。

ja3uenさん、こんばんは。

シュペルトップバランの動作は、直感的に解りにくいと思っています。
ただ、コモンモードとなってしまう電流ループのパスをシュペルトップで切ってしまうので、電流が行き先を失うのではなく、
そもそも電流自身が最初から流れない(そのような回路を構成させていない)と理解するようにしています。

平衡度メーターですが、基本は「改訂新版 定本 トロイダル・コア活用百科」の377ページの[図9.24]の回路です。
この回路には電圧計が二つ必要ですが、この部分をオペアンプの差動増幅回路に置き換え、電圧の差分をメーターで
振らせるようにしています。
実際には4個入りのオペアンプを用い、ボルテージフォロワ(2個)+バイアス回路+差動増幅回路の構成にしています。
レールtoレールのオペアンプを用いて片電源で苦し紛れに動かしていますが、+/−電源にした方が良かったと思います。
メーターはケチってラジケータにしましたが、センターメーター型の電圧計があれば、もっと良くなると思います。

コメント部分に図面を貼り付けることができず、申し訳ありません。

 おはようございます。平衡度メーターについてありがとうございます。よく分かりました。私も作って遊んでみます。以前、pH計を何個か拾ってきて、でっかいセンターメーターがあるので、それでやってみます。


 さて、シュペルトップで行き先を失った同相電流の、その後の運命ですが。ループしている同相電流が減少するのは確かにそうでしょう。

 しかし、そこはインピーダンスが無限大すなわちオープンになっているのと同じですから、そこで反射して、あちこち迷ううちに熱になって消えていく電流も有るでしょう。アンテナに戻って、空間に輻射されていく幸せな電流も有るかも知れません。

 あるいはインピーダンスが無限大よりも多少はマシな経路、例えば網線の表面より深いところ(網線の導体の内部)や網線の裏側(同軸の内側)、同軸の芯線などに逃げているかも知れません。


 実際、シュペルトップの共振点でも電流が3分の1くらい残っています。これは、普通に同軸ケーブルでトラップを作ると数十dBは減衰するのと比べて、ずいぶん性能が悪いと言えます。

 また、同軸の外側を流れる電流の測定なので、芯線はオープンで測定しましたが、これを網線とパラレルにすると、ディップが浅くなります。つまり、阻止された電流の一部は芯線を通ってしまうということでしょう。


 「高周波電流が阻止される」とはどういうことでしょう。阻止されて流れなくなるのか、トラップの中で干渉し合って熱になってしまうのか、反射されて元に引き返していくのか。私にはイメージが見えません。

 とりあえずシュペルトップの短縮率は分かりましたので、他の疑問点については、実験方法を思いついたらまたやってみたいと思っています。

 ありがとうございました。

ja3uenさん、こんにちは。
お返事が遅くなりまして、申し訳ありません。

仰るとおり、同相電流の「回路」にシュペルトップで高インピーダンスを差し込んで高周波電流を阻止しても、
他に同相電流「源」に戻るパスがあれば、同相電流はそちらに逃げてしまうと思います。
実際には色んなパスがあるでしょうから、完全に同相電流を阻止することはできず、同相電流を極力減らす
ことに努めていくことになるでしょう。
これはコモンモードフィルタやフロートバランも同じです。

同相電流源から同相電流源まで一筆書きのパスが全くなくなれば、同相電流の「回路」は存在しないので、
そのときには同相電流は全く流れず、高周波電流は同軸ケーブルの中を流れる差動モードのみとなり、
すなわち不平衡⇔平衡の変換が行われたことになると思います。
これが理想的なバランの動作ですよね。

私の理解は、キルヒホッフの法則のとおり電流は消えて無くならない、熱になって消費されるのは電力
すなわちエネルギーであるということです。

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