JH1LHVの雑記帳

和文電信好きなアマチュア無線家の雑記帳

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NanoVNA(SWR 測定専用)

私の NanoVNA は、SWR(定在波比)測定に特化したセッティングを施しています。電源を入れた際、画面には CH0(チャンネル 0)のみが表示され、Smith チャートと SWR のみを確認できるようになっています。

フィルタの設計や調整などの用途が必要ない場合、CH0 の S11 パラメータだけで充分です。また、起動時の画面が複雑になるのは好みではないため、CH0 のみを表示するシンプルな画面設定にしています。このような設定は、私にとって最も使い勝手が良く、心地よいものです。

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ハムのアンテナ接栓は M 型コネクタが多いので、わたしは "MJ-SMAP ケーブル"(13cm)を接続して校正を行ってます。

  • START → 1MHz
  • STOP → 500MHz
  • TRACE 0 → SMITH(Smith chart)
  • TRACE 2 → SWR
  • MARKER 1 のみ

基本はこれで校正して、SAVE 0 に保存します。(起動時は自動で SAVE 0 の内容が読み出されます。)
測定するハムバンドが決まってるなら、そのバンドの周波数範囲を START と STOP に設定します。

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これ、自宅のバンザイ・アンテナ、7メガ帯の SWR とそのインピーダンスなんですが・・・
イマイチ、悪いんですよね。。。

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(iPhone アプリ、RF-Toolbox で計算)

リアクタンス Xc は、この式から 32.99 Ω ということが分かります。
(NanoVNA の CH0 に REACTANCE を追加して X を表示するのが簡単ですが、ここでは SWR 測定専用としているので必要最小な項目としています。)

で、アンテナ作りをやってる人達は、このインピーダンス Z = 71.0 - j 32.99 の虚数部分をゼロにするため、コイル、コンデンサを直列や並列に入れてマッチングをとっています。

そして、71.0 - j 32.99 を 50Ω にマッチングするために必要なコイルのインダクタンスやコンデンサのキャパシタンスは、イミッタンスチャート(スミスチャート+アドミタンスチャート)を使って求めるのが一般的です。

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アンテナチューナは、コイルやコンデンサの値を自動で変えながら、50.0 + j0 に強制的に合わせる機器になります。

7メガバンド内がどこでも、素の状態で Z = 50.0 + j 0 なら SWR は 1.0 なんですけど・・・
そんなことは絶対にムリだからねぇ、アンテナは適当なところで妥協が必要です。

それに、アンテナのインピーダンスは天候でも変わったりするので、やっぱりアンテナチューナは必須で、無線機の終段を壊さないためにも、チューナさんに身代わりになってもらう必要があるんですね。

www.jh1lhv.tokyo

(参考)

〇 アンテナな直下と同軸ケーブルを含んだ無線機付近での測定について

アンテナアナライザーを使用したアンテナの測定では、給電点での直接的な測定が非常に重要です。アンテナエレメント直下でアナライザーを接続することには複数のメリットがあります。まず、同軸ケーブルの影響を受けないため、アンテナそのものの SWR(定在波比)、インピーダンス、共振周波数などをより正確に測定できます。これにより、アンテナのチューニングやマッチングを精密に行い、最適な性能を引き出すことが可能になります。

一方、無線機からの同軸ケーブルを含めて測定する際には、いくつかのデメリットがあります。ケーブルの損失や特性が測定結果に影響を与える可能性があり、アンテナの実際のパフォーマンスの正確な評価が困難になることがあります。また、ケーブルの長さや品質によって測定結果にバリエーションが生じ、一貫した評価が難しくなります。

アンテナアナライザーに短い専用ケーブルを使用し、給電点での測定を行うことは、アンテナの性能を正確に評価し、最適なチューニングを行う上で非常に有効です。特にアンテナの設計や改善に取り組む際には、このアプローチが推奨されます。

アンテナ直下での測定は、同軸ケーブルの長さによる影響を排除できるため、より正確な測定が可能です。しかし、無線機までの同軸ケーブルを含めた測定は、特にアンテナの給電点での測定が困難な場合に有用ですが、ケーブルの長さによる影響を受けるため、測定値を注意深く解釈する必要があります。

また、アンテナ直下で測定する場合や同軸ケーブルをつないで手元で測定する場合にも、ELECTRICAL DELAY(電気的遅延)の補正を行うことがあります。これは、信号がアンテナや測定機器内を伝わる際に生じる時間遅延を指し、信号が電気回路やケーブルを通過する際の速度に依存します。この遅延を正確に知ることは、アンテナのパフォーマンスを測定する際に重要です。測定精度を高めるため、この遅延を測定や計算により補正することが推奨されます。補正しない場合、アンテナの特性に関するデータが不正確になる可能性があります。したがって、ELECTRICAL DELAY はアンテナの性能を正確に評価するために重要な要素です。

〇 同軸ケーブルを含んだ測定で SWR が低く見えることがある

1. ケーブルの損失
同軸ケーブルには内部損失があります。これにより、アンテナから反射された信号が戻る際に一部が吸収され、減衰します。その結果、測定装置に戻る反射信号の量が減少し、SWR が良く見えることがあります。

2. 位相の変化
ケーブルを通過する際に、信号の位相が変化することがあります。これにより、特定の長さのケーブルで偶然にも反射信号が減衰するような位相条件が生まれ、SWR が低く見えることがあります。

3. インピーダンスの変化
ケーブルの特性インピーダンスとアンテナのインピーダンスが完全に一致していない場合、ケーブルが一種のインピーダンス変換器として機能し、結果として SWR が低く見えることがあります。

4. 共振効果
ケーブルの長さが特定の周波数で共振状態を作り出すことがあり、これが SWR の改善に寄与することがあります。

しかし、これらの効果は信号の真の反射損失を正確に示しているわけではありません。ケーブルの損失や位相の変化によって SWR が改善されたように見えても、アンテナ自体の性能は変わらず、システム全体としての最適な性能を示しているとは限りません。したがって、アンテナの真の特性を理解するためには、アンテナ直下での測定が依然として重要です。

 

少し、校正のはなし 

まず、付属のジグ(SHORT、OPEN、LOAD)をそのまま NanoVNA の CH0、SMA-J に接続して校正してみました。 

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Open → マーカの位置はちゃんとレジスタンス(R)目盛りのイチバン右側の ∞ Ω に表示されてます。
 

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Short → イチバン左側の 0 Ω に表示されてます。

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Load → 中心付近の 50Ω に表示されてます。

次に、NanoVNA の SMA 端子をジグ直接接続から、下の3種類の変換ケーブルに変えて校正ジグを取り付けて測定してみます。

変換コネクタとケーブルを含めた周波数に対するロスの測定です。
このロスが小さいほど、優秀なコネクタ、そして測定ケーブルということです。

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先端 M コネのメス、3種です。 
校正ジグ側は、MP - SMAJ 変換コネクタを使います。

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1MHz から 500MHz で SWR はこういう感じで波を打ち、410 MHz 付近で 1.36 を示しました。
インピーダンスも円は小さいですが、ナルト的に変化してます。 

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こんな短いケーブルでも、理論上理想的な(?)直線で増加してます。

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どこで買ったか忘れたけど、M 型のコネクタなんてこんなもんなんでしょうね。
430メガとかでこういうコネクタを使ったりすると、もうこれだけで SWR は高くなってしまいます。

ということで、NanoVNA のデフォルトの変換コネクタとして、こういった単品変換コネクタの使用はおススメできませんね。それに、結構、変換コネクタって重いので NanoVNA 本体の SMA コネクタにモロかかってくるので破損の危険も大ありです。

わたしとしては危険回避とケーブルの接続の容易さを考慮して、13cm の MJ - SMAP 変換ケーブルをデフォルトの測定ケーブルとして常用することにしております。

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結果として、最終的な校正はこの測定ケーブルを接続した状態で行っております。

と、このように NanoVNA の校正は、
測定対象ケーブルが接続される最後のところ(基準点)を含んだ形で行います。

ようするに、NanoVNA の SMA 端子に測定ケーブルを接続して校正を終えたら、もう二度とその測定ケーブルは外さない、そういう構成にしておくのがイチバンです。

■ ■ ■

 

ところで、アナログテスターって知ってますか。
指針の振れで教えてくれるやつです。

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これ、抵抗を測る前に必ず、リード棒の + と ー をショートして、ADJ ツマミでゼロに合わせてから使いますよね。
NanoVNA の校正もこれと同じで、ちゃんと校正しないと結果がズレちゃうんです。

とはいっても、アンテナの SWR 程度の測定なら、そんなに神経質にならなくてもいいんですがね。

■ ■ ■

 

ベクトル・ネットワーク・アナライザ、通称 VNA は、高周波を測定する最高級の測定器です。かつては非常に高価で、VNA 一台の値段で乗用車が買えるほどだったんですよ。まさにハムにとっては夢のような測定器だったんです。

しかし時代は変わり、コンピュータ技術の進化によって、nanoVNA という手頃な価格のVNA 測定器が登場しました。これが数千円で手に入るなんて、本当に驚きですね。

VNA は、高周波信号の伝達特性を測定するためのものです。無線機には多くのフィルタがあり、これらのフィルタ回路の設計や調整には欠かせない測定器なんです。

ですが、現在ではほとんどの方が無線機を一から自作することはありません。そのため、この夢のような測定器が手軽に入手できるにも関わらず、実際にVNAを使う機会は少ないのが実情です。

自作をしないハムにとっては、アンテナの SWR(定在波比)を確認する際にアンテナアナライザとして使うくらいでしょう。

NanoVNA は、専用のアンテナアナライザと比べても非常に安価です。ぜひ手に入れて、自宅のアンテナ整備に役立ててみてください。こんな便利なツールがあるんですから、使わない手はありませんよ。