ステレンスワイヤーの抵抗値

電気抵抗率 長さ 断面積 の電気抵抗 は

で求められる。オーステナイト系ステンレス鋼の電気抵抗率は 7.2e-7 ぐらいらしいので、φ1mm 20m のステンレスワイヤーでは

7.2e-7 * (20 / (Math.pow(1e-3 / 2, 2) * Math.PI))

で 約18.3Ω

AWG22

AWG22 は薄いシースのもので外形が約φ1.5mmになる。とりあえずこれを比較対象にする。

銅の電気抵抗率は 1.68-8、AWG22 は断面積 0.326mm^2、同じく 20mとすると

1.68e-8 * (20 / (0.326e-6))

で約1Ω

表皮効果

高周波になると表皮効果 (導体の表面付近にしか電流が流れなくなる現象) によってさらに抵抗値があがるため、電気抵抗率だけでの計算は実際はあまり意味がない。

表皮深さ (電流が表面の1/eになる深さ) は、電気抵抗率 、角周波数 、絶対透磁率 から

で求められる。7MHz で銅線を例にすると

var frequency = 7e6;
var resistivity = 1.68e-8;
var permeability = 1.26e-6;
var d = Math.sqrt( (2 *  resistivity )/ (2 * Math.PI * frequency * permeability) );
//=> 0.00002462325212298291

となり表皮深さは約25μmになる。中心には殆ど電流が流れず、実質的にはパイプのようになる。

表皮効果を考慮した線路全体の抵抗値は、長さ 直径 のとき、おおよそ以下のようになる

AWG22 は直径0.644mmなので、20mのときは以下のようになる。

var length = 20,diameter = 0.644e-3;
R = (length * resistivity) / (Math.PI * (diameter - depth) * depth);
//=> 7.01276192459946

約7Ω

同じようにステンレスワイヤーの場合も計算してみる。透磁率によって結構変わってしまうので、最悪の場合も計算してみる (透磁率はWikipediaから)。直径は1mmで計算する

var frequency = 7e6;
var resistivity = 7.2e-7;
var permeability = 1.26e-6; //〜 8.8e-6

var depth = Math.sqrt( (2 *  resistivity )/ (2 * Math.PI * frequency * permeability) );
var length = 20, diameter = 1e-3;
R = (length * resistivity) / (Math.PI * (diameter - depth) * depth);
//=> 58.89598121117798

約33〜80Ω

アンテナの効率

アンテナの効率とは、全放射電力と入力電力との比

アンテナの効率 η は、 を放射抵抗、 を損失となる抵抗とすると

で求められる。

短縮していないダイポールの場合放射抵抗は約73Ωと考えられる。ワイヤーの導体損だけを考慮すると、ステンレスワイヤーでは約33〜80Ω、AWG22 では約7Ωなので、それぞれ約48%〜69%、約91%となる。

抵抗損失による効率の低下は、放射抵抗が小さいアンテナほど、顕著になる。例えば、放射抵抗が10Ωのアンテナの場合、ステンレスワイヤーでは約23%、AWG22 では約59%となる。

アンテナは短縮するほど放射抵抗が下がるので、短縮すればするほど効率が落ちやすくなる。

ただ、実際のところは導体損だけではなく、接地抵抗やその他の抵抗による損失もあるので、どこまで導体損が支配的かはケースバイケースになりそう。超短縮アンテナなんかの場合短くなるアンテナエレメントそのものよりもコイルでの損失が非常に支配的になるし、λ/4 波長の場合接地抵抗が圧倒的に支配的になると思われる。

所感

事前に思っていたよりも効率の低下が大きく感じた。10W 入力して9W放射されるのと5W放射されるのとでは倍ぐらい (電圧比で 6db=約Sメータ1つ) 違う。とはいえ、ノイズぎりぎりの通信を行わないのであれば、利便性を優先してステンレスを使っても問題ない範囲ではあると思った。

自作

構造が簡単なら自作すればいい、ということで、冒頭の写真のように2つ作った。

Yo-Yo-Tenna はヨーヨーと言ってるが実際流用しているのは、キャンプ用のランドリーリールと呼ばれるもののようで、ほぼ同じのがかなり安く国内でも手に入る。

今回はこれを使った。

エレメントとなるワイヤーはAWG22 1007 (被覆が薄い=耐圧が低い) もの。外形1.5mm程度で 0.3sq と細いが、ある程度長さを巻こうとするとこれ以下でないと厳しい。

材料が手に入れば、あとはランドリーリールを分解してワイヤーを計って巻くだけなので何も難しいことはない。あえていうならワイヤーの長さを測るのが面倒くさい。

今回ワイヤーは1つにつき20m巻くことにした。つまり3.5MHzのλ/4までカバーしようという目論見がある。ただ、AWG22 であっても、このランドリーリールに20m巻くとかなりキツキツでぎりぎり。

オリジナルだと先端にはワニ口クリップがついているが、自分はバナナクリップにした (KX3 + BNC計測器用ターミナル変換に直接繋げるため)。

試し

ちょっとタイミングが悪く実際の運用はできていないが、室内で同調とるまでは試してみた。λ/4 の垂直系アンテナ + ラジアルのイメージ (なので入力インピーダンスは理論値だと36Ωぐらいになる)

あまり長く張ることができないので14MHz帯で同調させてSWRを落とすことを考えてアナライザーで見ながら試行錯誤した。以下のような手順で調整すると結構簡単にSWRが落ちる。

• アナライザーに直結して繋ぐ (最終的にKX3に直で繋ぐため)
• ホット側とコールド側あわせてλ/2ぐらいになるようにワイヤーを出す
• アナライザーで複素インピーダンス表示にして、まずはリアクタンスを0になるようにする
  • 長くする場合はホット側、短かくする場合はコールド側をいじる (レジスタンス成分が低くでることを想定してオフセンター気味にする)
• レジスタンス成分が50Ωよりおそらく低いので、ホット側を少し長くし、コールド側ど同じ分だけ短かくする
  • 高い場合はエレメントの張りかたを変えたりしてから (角度など)、ホット側とコールド側が同じ長さになるように調整する

これで、非常に悪い環境でも同調+インピーダンス50Ωは結構簡単に達成できた。KX3 直結の場合は同調させさえすればあとはチューナーであわせてもいいと思うけど、アナライザーがあれば完全にあわせこめるのでチューナーもいらない感じがする。

調整してみると出しているワイヤーの長さに応じてアンテナ系全体のインピーダンスがちゃんと変化することがわかった。ホット側とコールド側いずれも自由に長さを変えられることで、調整の自由度が非常に高い。

懸念点

外に出ているワイヤーの長さを可変できるといっても、残りの部分は絶縁もショートもせずにコイル状に巻かれているので、これがどういう働きをするのか疑問がある。とはいえ、たとえコイルとしてトップローディング的に動作しても、トップローディングの場合非常に大きなインダクタンスが必要になる部分だし、先端は電波が飛ぶところでもないので、あまり影響はなさそう。ただ、波長の短かい一部バンドで同調がとれなくなる感じがしたので、追試をしたい。

あとは実際運用してみたい。

KX3 のマイクの仕様

純正マイクは持っていないが、回路図は公開されており参照できる。大変ありがたい。KX3 側のマニュアルだと MIC 端子のピンアサインは書いてあるが、UP/DOWN スイッチの仕様などは書いていない。

これと同じようになるように、MH-31 を配線しなおす。

MH-31 の仕様

MH-31 は RJ-45 ジャックを持っており、FT-450D も RJ-45 ジャックになっている。付属のカールコードは電気的にはストレートのLANケーブルとほぼ一緒っぽい。

特にカールコードにこだわりはないので、100均で黒くて細いLANケーブルを購入し、1m 程度で切って配線しなおした。

左側は MH-31 の内部回路と結線。右側が今回作った部分。TRRSプラグの中に抵抗も無理矢理押しこんでエポキシで固めたので、見掛けはかなりスッキリしてる。

使用感

特にどうということはなく普通に使える。FST スイッチは無効だが UP も DOWN も機能してる。ただ、マイクゲインを結構上げなければならない。KX3 側のマイクバイアス電圧が3Vと、本来 MH-31 が想定している 5V より低いせいかもしれない。

黒いLANケーブルなので、見た目も悪くない。思ったより良くできた。ただ MH-31 は中に重りが入っているらしく、無駄に重いのが良くないところ。

余談だけど100均のLANケーブルはピンアサインとケーブルの色が対応してない(適当に圧着してる?)ので、よくよくテスターで確認したほうが良い。

測定方法

テスターの抵抗測定機能だと微小抵抗はちゃんと測れないので、デジタルマルチメーター2台による4点計測方式で測定した。

電池の金具部分に比較的大きな電流 (経路中の定格を上回らない程度) を流し、測定対象で降下した電圧を計って抵抗値を求める。今回は直読できるように、安定化電源の定電流モードで、丁度1A流れるようにして測定した (1A 流した場合、R = E / I なので、R = E になる)

ただし、電池を入れた状態での測定ではないので、電池の端子との接触抵抗は測れていない。あくまで金具中の抵抗値だけを計っている

部品

使ったのは

• RN-42 (Bluetooth SPP モジュール)
• 3.3V レギュレーター付きの RS-232C 3.3V ロジック変換モジュール

RN-42 は1500円と、余り安くはないのだけれど、国内技適マークがついており合法的に使える。また、シリアル経由または、接続済みBluetooth経由で内部設定を変更できるモードがあり、簡単に柔軟な設定ができる。

ロジック変換には3.3Vレギュレーター付きのちょうど良いのがあったので、これにしてみた。

実際のところ、負の電圧はいらないので真面目にRS-232C変換する必要はなく、単に電圧と論理変換さえできればいいので、ICを使う必要はないけど、面倒なのでこれにした。

レギュレーターの耐圧が14Vなので、13.8V だとギリギリすぎるのと、ドロップ電圧が大きくて結構発熱してしまう。本当ならKX3内部のスイッチングで降圧された3.3Vに接続できたらいいのだけれど、良い方法がない。40mA 流すと 0.42Wは熱に変わってしまってエコではない。

製作

ただ繋ぐだけなのでデータシート見つつ半田付けしたら普通に動いてくれた。

デフォルトだと115200baudになっているので、screen /dev/tty.xxx 115200 で接続した後に、以下のコマンドで設定しなおす。(38400baudに)

// <CR> は改行

// コマンドモードに入る (GPIO5 が10Hzで点滅するようになる)
$$$<CR>
// ボーレート設定
SU,38.4<CR>
// 設定確認
D<CR>
// 再起動
R,1<CR>
// コマンドモードを抜ける
---<CR>

（エコーされないので、ローカルエコーを有効にしたほうがわかりやすい。コマンドモードに入ってから + を送るとエコーが有効になる）

これはどうやら電源を切っても記憶されているようなので、最初の一度だけで良い。

最初、ボーレートの設定方法がわからず、GPIO7をプルアップして9600baudに固定してみたが、上記の方法で自由にボーレートを設定できるので、GPIO7は何もしなくてよい。GPIO7 をプルアップした場合、ソフトウェア設定に関わらず強制的に9600baudに固定される。マイコンとか別途繋いだ場合、設定はボーレート強制したほうが安定するとか、そういう用途に使えそう。

GPIO5 は接続が完了すると出力がゼロになるので、LEDを繋いでいても接続中は電流が流れずエコ。ただ、これは対応するデバイスファイルを open しタイミングで消えるので、ペアリングしただけではチカチカしたまま。

使用感

デバイスを指定すれば自動的にペアリングされ、/dev/tty.xxx に勝手にデバイスファイルが作られるので、それを指定して普通にシリアル通信すればよく、特に Bluetooth だからといって難しいことはない。

遅延がちょっとあって、ケーブル直と完全に同じ使用感という感じではない。

メリット

• シリアルケーブルがいらない
• ホストPCのUSBポートを占有しない
• PC との GND の分離

デメリット

• KX3側での消費電力増
• 遅延

無線化できるメリットはあるにはあるけど、めっちゃ便利というほどでもない。サイドに繋いでいるケーブル類の殆どの無線化できたら便利だろうけど、難しい。数本繋いでいるうちの1本ケーブル減ったくらいでは嬉しさがあんまりないなという感じ。

可能なら

電源をスイッチング降圧にしたいが、スイッチングだと

• デカい
• ノイズ対策が必要

というのが厳しい。0.6W ぐらいならリニアレギュレータで我慢するほうがいいかもしれない。

あと、丁度いい小型のケースを見つけるのが難しい。今回は aitendo のプラケース (22x11x43)を使ってみたが、aitendo は在庫が安定してないので、タカチの SW-30B (20x18x30) か SW-40B (30x20x40) がいいかもしれない。

RS-232C をモジュール基板でやってるのも無駄なので、表面実装の適当な Vth 低い FET でやるようにできるとよさそう。

$$$
SQ,16 // low latency 優先モードになる (スループットが落ちる) SQ,0 でデフォルト
GQ // 現在のモード