2013年3月27日水曜日

WSML ループ単体の受信レベル

前回の実験では受信感度を高める要因のひとつ、S/L比を求めるためにループのインダクタンスを測定しました。その結果からは、S/L比が大きくても受信感度が低下する場合があることがわかりました。

ループの組み合わせ(配置と接続方法)と受信レベルとの関係はどのようになっているのでしょうか?今回はループの受信レベルを測定しました。



受信レベルの測定

今回の実験では、ループ・エレメントの受信レベルを(アンテナ・アンプを使用しない状態で)測定します。測定はAPB-1のスペクトラム・アナライザ・モードを使用しました。

APB-1の入力インピーダンス(50Ω)は、WSMLアンテナ・アンプの入力インピーダンス(約3Ω)に比べて大きいために測定結果に影響あるかもわかりませんが、受信レベルの相対的な比較できればよいと考えました。そのためインピーダンス整合をせずに直接接続しています。


測定周波数

APB-1のスペクトラム・アナライザ・モードでは、2つの測定カーソルが設定できます。今回設定する周波数は、1MHzと10MHzの付近から安定して受信できる放送局を選びました。

  • 1MHz付近からは、地元放送局 KBS京都1,143kHz (かなり強力)
  • 10MHz付近からは、ラジオ日経 9,595kHz

これらの周波数で受信レベルを測定しました。


受信レベルの測定結果

次の表は測定結果をS/L比順に並べ替えたものです。受信レベルの単位はdBです。

次の表は測定結果を1143kHzの受信レベルで降順に並べ替えたものです。

次の表は測定結果を9595kHzの受信レベルを降順に並べ替えたものです。

参考データ(以前の記録)

次の表は先日実験したときのもので、ループ単体の受信レベルを室内で測定したデータです。

次の表は少し前にベランダで実験したときのデータです。このときはループをWSMLのアンテナ・アンプに接続し、その出力を二分配後に、IC-R75とAR7030PLUSを接続して受信しました、そのときのSメーター指示値を記録しています。実際の使用に近い状態です。



今回のまとめ

今回はループの組み合わせ(配置と接続方法)と受信レベルとの関係を調べるため、ループ単体の受信レベルを測定しました。

今回の実験ではS/L比が同じような値でも、面積やインダクタンスが違う(約2倍)ループを使用しました。さらに実験場所が、建物の影響を受けやすい限定された空間(ベランダ)だったり、アンテナ・アンプを使用せずにAPB-1の50Ω入力に接続しました。そのため多ループ化の効果がわかりにくい結果になってしまいました。
1mシングル・ループを基準にすると他ループ化の効果が判りにくいですが、見方を変えて0.64mシングル・ループを基準にして比べると、他ループ化の効果が少し表れているようにも見えます。


周波数による各ループの組み合わせの特徴。

1143kHzでは、

  • インダクタンスが大きいループ(1mシングル)の受信レベルが高い。
  • 受信レベルが高い組み合わせは、1mシングルと8の字-クロス接続、そして◎(二重丸)配置と平行配置の各平行接続(この2つはS/L比が悪かった組み合わせ)。
  • 受信レベルが低い組み合わせは、0.64mシングル、◎(二重丸)配置と平行配置の各クロス接続(この2つはS/L比が良かった組み合わせ)、8の字-並行接続。
  • 各組み合わせ全体の受信レベルの差(最大値と最小値の差)は17.17dB。
  • ◎(二重丸)-平行接続は1.5MHzあたりに変な山が見えます、◎(二重丸)配置はLoop1にLoop2を内包した配置なので、互いのループが結合しているのでしょうか?
  • 以前に記録した211kHzでは、1mシングル・ループや◎(二重丸)-平行、8の字-クロスが良い結果でした。この結果は、今回実験した1143kHzの受信レベルと同じ傾向が出ています。

9595kHzでは、

  • 受信レベルが高い組み合わせは、平行-平行接続と1mシングル、そして◎(二重丸)配置の平行接続とクロス接続(この2つはS/L比が悪かった)。
  • 受信レベルが低い組み合わせは、8の字配置の並行接続とクロス接続、0.64mシングル、平行-クロス接続(これはS/L比が良かった)。
  • 各組み合わせ全体の受信レベルの差(最大値と最小値の差)は6.43dB。
  • この周波数の平行配置は接続方法の違で受信レベルに大きな差が出ました。特に平行接続が良く、これは低い周波数でもそこそこ良い結果を出しています。反対に、クロス接続の場合はどの周波数でも結果が良くありません。

周波数別の受信レベルの差は、1143kHzの(17.17dB)に対して9595kHzが半分以下の(6.43dB)。



今回の測定結果から、ループの組み合わせと受信レベルの関係についてわかったこと。

低い周波数帯(LWやMW)では、ループの組み合わせの違いが分かり易いです。そのなかで、8の字-並行接続や、平行と◎(二重丸)の各クロス接続は、シングル・ループに比べて大きく感度が低下する組み合わせということがわかりました。

低い周波数帯で受信レベルの値が近い、8の字-クロス接続と、◎(二重丸)-平行接続や、平行-平行接続は、低い周波数帯ではよく似た特徴がありますが、10MHz付近(9595kHz)になると特徴に違いが表れます。そのなかで平行-平行接続は、どちらの周波数でも受信レベルが良好なことがわかりました。

反対に、この10MHz付近(9595kHz)の結果には、よくわからない部分もあります。◎(二重丸)や8の字配置は、接続方法の違いによる受信レベルの差は僅かです。さらに不思議なことは、8の字-クロス接続よりも、8の字-並行接続の受信レベルが僅かに高い結果になりました。これは、LWやMWとはずいぶん違う結果です。他にも何か要因があるのでしょうか?
考えてみるとこの周波数(9595kH)の0.1波長は3.12mですが、これは1mループのループ長3.14mにとても近い長さです。このあたりが関係しているのでしょうか。

多ループ化については、同じサイズのループを使わないと効果が少ない(判りにくい)こともわかりました。

今回良い結果が出た平行-平行接続はとても興味深いです。機会があれば同じサイズのループを組合わせて追試してみたいですね。

次回は、ループの電流について考えてみます。
つづく



今回の測定結果を以下に記載します。(ループ・エレメントの受信レベルを、アンテナ・アンプを使用しない状態で測定しています。)

シングルループの特性

直径1.0m シングル・ループ

直径0.64m シングル・ループ


8の字配置の特性

8の字配置 クロス接続

8の字配置 平行接続


平行配置の特性

平行配置 クロス接続

平行配置 平行接続


◎(二重丸)配置の特性

◎(二重丸)配置 クロス接続

◎(二重丸)配置 平行接続

2013年3月22日金曜日

WSMLのループ・インダクタンス特性と S/L比。

はじめに

先日のことですが、XYZさんの掲示板で最近話題になった投稿の中にRJGさんの投稿がありました。その投稿の中では、ループを並列に並べたものをクロス接続すると感度低下し、平行接続すると感度が上昇したことが書かれていました。そのことに私も興味を持ち、いくつかの実験を行ったところ同様の結果が得られました。

その後、DFSさんがAAA-1とPCL(parallel crossed loop)を使い、クロス接続と平行接続で追試を行われて、その時のPERSEUS受信ファイルをアップロードされました。私もそのファイルの受信音声を比較しながら興味深く聴くことができました。DFSさんありがとうございます。

さて、ループの配置や接続方法の違いが、どのように受信感度に影響するのでしょうか? このことに興味を持ったので少し調べてみることにしました。


使用したループについて

今回実験したループ配置は、WSMLオリジナルの8の字配置の他に、平行配置と◎(二重丸)配置で行いました。 実験に使った2つのループ寸法と材質は以下のようなものです。

Loop1:
直径1.0mループ(WSMLで現用中)、幅20mm、厚さ3mmのアルミ・フラットバー
Loop2:
直径0.64mループ(以前に試作した時のもの)、幅20mm、厚さ2mmのアルミ・フラットバー


ループの配置

下図は、今回実験したループどうしの位置関係を表しています。左から順に、8の字配置、平行配置、◎(二重丸)配置となっています。

8の字配置はループを上下に、給電点を約20cmの間隔で並べた状態。 平行配置はループを同軸上に、給電点を約20cmの間隔で並べた状態。 ◎(二重丸)配置はループを同心円上に、給電点を約18cmの間隔で並べた状態です。


ループの接続方法

次の図は、2つのループLoop1とloop2の接続方法を表しています。左から順に、クロス接続、平行接続です。実際の接続には2.0sqの電線の両端に、2-M4圧着端子を取り付けたものを使用しました。

クロス接続は、ループの給電部分が交差するように接続した状態。平行接続は、ループの給電部部を平行に接続した状態です。


ループのインダクタンス特性とS/L比

上記のループ配置と接続方法の組み合わせを替えて、それぞれのインダクタンスを測定しました。
インダクタンス測定は、APB-1とリターンロスブリッジを組み合わせた、APB-1のインピーダンス・アナライザ・モードで行いました。リターンロス・ブリッジは先日製作したものです。

次の表は、ふたつのループの組み合わせのインダクタンス特性の測定結果です。
測定周波数は、DFSさんが追試されたときの10MHz付近の変化に興味があったので、インダクタンスの測定周波数を9.9MHzにしました。(カーソルを10.0MHzに合わせたかったのですが、カーソル・ステップの都合で9.9MHzになりました。)

次の表は、測定結果からS/L比を計算し、S/L比を降順に並べ替えたものです。


S/L比について

WSMLの作者Chavdarさんが書かれたwideband-small-receiving-loop-simplified.pdf によると、 ループの誘起電流が大きくなると感度が向上し、その電流の大きさは S/L 比で決まると書かれています。
以下の引用は、一部を翻訳したものです。

This is a small loop connected to an amplifier with very low input resistance e.g. 3 ohms. The small loop is injecting current into this amplifier. The loop works almost in short circuit mode (shunted with 3 ohms resistor). This current is induced by the electromagnetic field. The higher the current the better will be loop sensitivity.
これは、大変低い入力抵抗(例えば 3 Ω)の増幅回路に接続されたスモール・ループである。スモール・ループは増幅回路に電流を注入している。ループは、ほとんど短絡モード( 3 オームの抵抗を短絡して)で動作する。この電流は電磁場によって誘起される。電流が高ければ高いほど、ループの感度はより良くなる。

The magnitude of this current I depends only from 2 factors: proportional to loop area S and inversely proportional to loop inductance L. It does not depend from the frequency!. The shape of the loop is important only as factor which influences the loop inductance.
この電流 I の大きさは、ただ 2 つの要因によって決まる:ループの面積 S に比例し、ループのインダクタンス L に反比例する。それは周波数に依存しない! ループの形は、唯一ループインダクタンスに影響を及ぼす要因として重要である。


今回のまとめ

ループの誘起電流と受信感度は比例関係にあり、この電流はS/L比とも比例関係にあります。今回は2つのループ配置や接続方法の違いとが、どのように受信感度に影響するのかを調べるために、ループのインダクタンスを測定しました。そして、その結果からS/L比を求めました。

今回の測定結果から、ループの組み合わせとインダクタンスの関係についてわかったこと。

  • インダクタンスの値はシングル>平行接続>クロス接続の順で小さくなる。
  • クロス接続のほうがS/L比が良い。
  • 平行配置と◎(二重丸)配置のインダクタンスは、平行接続からクロス接続に変えると値が大きく減少する。
  • ループの直径が小さくなると、インダクタンスが減少する。

S/L比の大きいものは受信レベルが大きくなるはずですが、先日行った受信レベルの比較実験とは異なる結果になりました。 そのときは、平行配置と二重丸配置の受信レベルが、クロス接続で低下し平行接続で上昇する結果でした。 他にも、DFSさんが行われた8の字配置の実験で、10MHz付近の受信レベルが、クロス接続より平行接続のほうが大きい結果でした。

前回の結果と今回の実験結果からわかったことは、S/L比が大きくても受信感度が低下する場合(組み合わせ)があることがわかりました。
引き続き、S/L比の他に受信感度に影響を与えるものを調べていきます。

つづく


インダクタンス測定結果

以下は、今回のインダクタンス測定結果です。


シングルループの特性

直径1.0m シングル・ループ

直径0.64m シングル・ループ


8の字配置の特性

8の字配置 クロス接続

8の字配置 平行接続


平行配置の特性

平行配置 クロス接続

平行配置 平行接続


◎(二重丸)配置の特性

◎(二重丸)配置 クロス接続

◎(二重丸)配置 平行接続



つづく

2013年3月17日日曜日

リターン・ロス・ブリッジ

リターン・ロス・ブリッジが完成しました。

回路構成は「トロイダル・コア活用百科」に記載されている回路です。相違点は入力側の 10 dBパッド無し、出力側に強制バランを追加しました。この構成は「おじさん工房 BBS」で以前に話題になっていたものです。

出力側のフロート・バランと強制バランは、FB-801-43 に 8 回巻きです。

使用した抵抗は 1/4 Wカーボン抵抗 5 % 品です。高精度な抵抗ではないのでそのまま使用するとブリッジのバランスが悪くなってしまいます。そこで 2 段階の選別を行いました。



抵抗の選別方法

  1. 初めに 51 Ω 5 %品(約 90 本)の中から、50 Ωに できるだけ近いもの をデジタル・マルチメータで選別します。
  2. 次に、この抵抗を使ってリターン・ロス・ブリッジを組み立てます。
  3. 選別した抵抗を、組み立てたリターン・ロス・ブリッジを使って APB-1 のインピーダンス・アナライザで測定し、さらに 50 Ωに近いものを選別します。
  4. 最後に、組み立てたリターン・ロス・ブリッジの抵抗を、この選別品の抵抗と交換します。

抵抗値の精度については何とも言えませんが、この方法で少なくとも値の揃った抵抗を選び出せるはずです。この選別品を使えばバランスの良いブリッジが作れると思います。

完成したリターン・ロス・ブリッジと APB-1 は、このように接続します。

DUT オープンで正規化後、自作 50 Ωターミネータを接続してリターンロスを測定してみました。概ね 50 dB以上のリターンロスが取れているようです。5 MHz以下のリターン・ロスは 60 dB以上取れました。

内部の様子はこんな感じです。バランスが良くなるように対称配置にしました。

ショート・プラグと 50 Ωターミネータ、インピーダンス・アナライザ用の測定治具です。
ターミネータは同軸ケーブルの芯線部分に抵抗を仕込んで作りました。



APB-1のインピーダンス・アナライザ

リターン・ロス・ブリッジを APB-1 に接続することで、インピーダンス・アナライザ・モードが使用できるようになります。ショート・キャリブレーションの時は、こんなふうに測定治具にショートピンを挿入します。

選別した抵抗の一つを測定してみました。

なかなかいい感じです。

220 uHインダクタ(アキシャル・リード)のインピーダンス特性。測定治具にミノムシ・クリップを取り付けています。

インピーダンス測定結果

220 uHインダクタ(ラジアル・リード)のインピーダンス特性

インピーダンス測定結果

インダクタをインピーダンス・アナライザで測定すると、自己共振周波数が良くわかりますね。コイルを巻くときに活用できそうです。

2013年3月5日火曜日

TiddlyFox 1.0alpha11 がリリースされました。


バックアップ・ファイルの、文字処理の問題が修正されました。

変更を「保存」したときにバックアップ・ファイルが作成されます。このファイルをブラウザで開いたときに文字化けする問題が発生していました。


現在(2013/03/05)の最新版は、開発版の1.0alpha11です。ダウンロードはGitHubが確実です。

TiddlyFox extension for Firefox
https://github.com/TiddlyWiki/TiddlyFox/raw/master/tiddlyfox.xpi

ダウンロードしたxpiファイルを、Firefoxにドロップするとインストールできます。