ボクにもわかる地上デジタル - 地デジ設計編 - 自作アンテナ

              (作成:2003年10月)      地デジTopへ戻る
              (更新:2005年03月)
            (写真追加:2008年10月)

自作アンテナについて

  昨今は(放送開始当時と比較して)地上デジタル用の市販アンテナが普及し
  放送出力も上がってきましたので、アンテナは買ったほうが簡単で安全です。
  とはいえ自作アンテナで受信することに楽しみがあるので、夏休みの宿題と
  して、作ってみるのも良いでしょう。

  第一ステップとしては、最も容易なダイポールアンテナを自作することです。
  このページでは、プラスチック製ハンガーを利用した室内用アンテナの作り
  方を説明します。

        ━━━━━━━━━━┐┌━━━━━━━━━━
                  ││←中心線
               網線→┠┴┨
                  ┃同┃
                  ┃軸┃
                  ┃ ┃      ダイポールアンテナ

  第二ステップとしては、やはり、八木アンテナでしょう。このページでは、
  八木アンテナの設計方法についても、説明します。
                          _
                         //    導波素子
                ━━━━━━━━━━━━━━━━━━
                       //
                      //
                     //      給電素子
          ━━━━━━━━━━┐┌━━━━━━━━━━
                   /││←中心線
                  //┠┴┨
                 // ┃同┃
                //  ┃軸┃
               //   ┃ ┃  反射素子
  ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
             //     ┃ ┃
              ̄      ┃ ┃       八木アンテナ

ダイポールアンテナの製作

  ダイポールアンテナは手軽に製作できるアンテナです。電波の強い地区での
  室内アンテナや、ワンセグ受信用や、ワンセグの微弱再送信用アンテナ等に
  適しています。

ダイポールアンテナ
自作ダイポールアンテナの製作例

  下図はアンテナ部の配線図です。2本の銅線で構成されたアンテナ素子を、
  同軸線の網線と中心線に接続します。上図はアンテナ素子をプラスチック製
  ハンガーに取り付けて固定している製作例です。

                ┃同┃
                ┃軸┃
                ┃線┃
             網線→┠┬┨
      アンテナ素子    ││←中心線
      ━━━━━━━━━━┘└━━━━━━━━━━

      |←───────── 28cm ───────→|

  以下の配線部分の拡大写真も参考に製作してみてください。

配線部分
配線部分の拡大写真

  この自作アンテナにブースターを搭載してみました。自作ブースターの製作
  例は「設計編-自作ブースター」を参照ください。

ブースター内蔵の室内アンテナ
自作アンテナ+自作ブースター

  「設計編-アンテナ測定」にもダイポールアンテナに関する説明があります。

CQ出版の広帯域アンテナ[新着]

  CQ出版社から「すぐに使える地デジ受信アンテナ」というアンテナ基板つき
  書籍が発売されました。書籍と言っても文字の書かれたページは38ページし
  か無く、付録のアンテナ基板がメインです。
  特長は帯域が広い独自のパターンをシミュレーションで設計されていること
  です。読み応えはありませんがポイントが押さえられているのでアンテナを
  実践的に学ぶにはちょうど良いでしょう。

CQ出版
CQ出版の広帯域アンテナ



アンテナとプリアンプをセットでどうぞ


八木アンテナの概略

  八木アンテナの構造は下図のようになっており、図の上方向からの電波を受
  信することが出来ます。

           放送局の送信所方向
          ↑

       ━━━┿━━━  導波素子(第3素子).....位相が進む
          │                  |
          │                  |
          │                  ↓
      ━━━━│━━━━  給電素子(第2素子)...同位相で合成される
          -│+                  ↑
          │                  |
          │                  |
     ━━━━━┿━━━━━  反射素子(第1素子)....位相が遅れる

  給電素子は、中央で分割されていて、それぞれ、同軸ケーブルの中心導体と
  外部導体に接続されます。実際には、この部分に「整合回路」と呼ばれる回
  路が必要になります。(後述)


アンテナの設計

  はじめに検討しなければならないのは必要なアンテナ利得と周波数等です。
  予め、受信地点における必要な利得と中心周波数を求めておく必要がありま
  す。中心周波数は、アンテナ利得が最も高くなる周波数です。利得は、全て
  周波数で一定ではありませんので、最も受信したい周波数、もしくは、最も
  遠い放送局を中心に選択します。また、受信したい放送局の方向が、1方向
  でない場合は、指向性も考えなければいけません。
  アンテナ利得は、回線設計から算出できますが、放送局が見通しで無い場合
  は、ダイポールか2素子アンテナで実際に受信して、CNRを測定したほうが、
  早いかもしれません。
  これらが決まれば、八木アンテナの設計ツールを使って、実際のアンテナの
  パラメータを調整してゆきます。私は、下記のツールを使用しています

     YSIM(八木アンテナのシミュレータ)  数理設計研究所

  下図および表はYSIMを使った3素子の八木アンテナの計算の結果例です。
  
  YSIMの計算結果例

3素子の八木アンテナ計算結果
素子名 番号 素子の全長[mm] 間隔[mm]
導波素子 第3素子 281.8 mm
89.9 mm
給電素子 第2素子 293.8 mm
119.9 mm
反射素子 第1素子 299.8 mm
給電インピーダンス 10.66 + 26.56i



八木アンテナの整合回路設計

  アンテナのインピーダンスは、同軸ケーブルのインピーダンスである75+0iΩ
  に近づけなければいけません。アンテナと同軸ケーブルのインピーダンスが
  あっていないと、受信した電波が同軸ケーブルに入ってゆかないためです。
  インピーダンスが75+0iに、どれだけ近いかを「VSWR(電圧定在波比)」という
  指標で表し、一般には、VSWRが3以下であればアンテナとして動作します。
  また、より良い受信のためには2以下が目標です。
  VSWRは、上記のシミュレータYSIMでは「SWR」と表示されています。上記の例
  では、SWR=7.9と非常に大きくなっています。
  もちろん、各アンテナ素子の長さや間隔といったパラメーターを変更して、
  VSWRが下がるように設計する方法や、給電素子でインピーダンスを75Ωに変
  換する方法もありますが、そのような設計は容易ではありません。ここでは、
  八木アンテナと同軸ケーブルの間に整合回路を挿入する方法について紹介し
  ます。

  八木アンテナの整合回路は、シミュレータYSIMで計算されたインピーダンス
  を元にコイルやコンデンサを使って75+0iΩに変換します。
  下図では、Zin(ANT)のZの欄に上記の3素子八木アンテナのインピーダンス
  11+27iが入力されており、次の欄に10pFのコンデンサをShunt(並列)に接続
  することでインピーダンスを76+6iに変換できる例を示しています。VSWRも
  整合回路の無い場合のVSWR=7.9からVSWR=1.1に改善されています。

  

  以上を元に給電素子(第2素子)に整合回路を追加して同軸ケーブルを接続し
  た例が下図です。C1の10pFだけでも動作しますが、下例ではチューナーに静
  電気が混入することを防止するためにC2とL3を挿入しています。L3は性能の
  劣化を伴うことがあるので、必要に応じて入れてください。

                 ┏━┓10pF    給電素子(第2素子)
   ━━━━━━━━━━━━━┬┨C1┠┬━━━━━━━━━━━━━
                |┗━┛|
                |  ┏┷┓
                |  ┃C2┃
                |  ┗┯┛47pF
                |┏━┓|
                ├┨L3┠┤
                |┗━┛|0.22uH (アキシャルリード型)
                │┌──┘100nH (チップ型)
                ┠┴┨
                ┃同┃       C3、L3は静電気防止用
                ┃軸┃
                ┃ ┃

  整合回路をアンテナに含めた変則的形状の給電素子を使ったアンテナも多い
  と思います。このようなアンテナは、給電素子でインピーダンス変換を行っ
  ています。例えば、電磁界シミュレータを使用して設計しているのだと思い
  ます。フリーソフトでは、SONNET Liteがあります。
  ユーザ登録によって2〜3素子程度の八木アンテナが設計できますが、複雑
  な構造になると無料版では難しいです。また、アンテナ利得の計算も有料版
  のみの対応なので、整合を合わせるところまでしか設計できません。

     SONNET Lite(電磁界シミュレータ)   有限会社ソネット技研


落雷や落下などに御注意

  自作アンテナを屋外に設置する場合は落雷に注意が必要です。アース接地や、
  落雷保護用の回路を挿入、落雷前にアンテナケーブルをアンテナや機器から
  取り外したりする等の対策を推奨します。
  住居が鉄筋コンクリート造の場合や、窓の手すりやベランダへの設置などは、
  比較的、安全ですが、特に、屋上や屋根の上等の住居よりも高所に設置する
  場合は、同軸ケーブルを十分にアース接地された金属管の中を通す等の対策
  も必要です。火災等の大きな事故に繋がる場合がありますので、十分に注意
  してください。加えて、高所作業を伴う場合は、作業時のご自身の落下や、
  風雨などによる設備の落下などの事故にも備える必要があります。

  いかなる事故や損害が発生しても、当方は、一切の責任を負いません。


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