Z-Match ATU
10数年前に、160m対応のATU候補として試作し、低インピーダンスのアンテナに対する整合テストを行い、ロスが多いと一度は諦めたZマッチアンテナチューナーでしたが、MMANAで計算しただけのアンテナインピーダンスは、実際のアンテナとかけ離れており、どんなに低くても実際の160mバンド用アンテナの実測値は12.5Ω以上になる事を実践的に確かめてきました。 もう一つの難題は高耐圧の2連バリコンの入手でした。 バリコンそのものが生産縮小され、価格も大幅に上昇していましたが、たまたま、コメットのMTUで使われている高耐圧バリコンを4個ほど入手できました。 これをステッピングモータとタイミングベルトで同期ドライブを行い、2連バリコンを実現出来る環境が整ってきましたので、再度ATU化に向け検討する事にしました。
まず、Z-Matchの基本であるVK5BR OMの資料を読み直し、推奨するコイルの通り空芯コイルを製作し、ATU化する為の基礎データを取得する事にします。
左の回路はVK5BRが推奨するZ-Match MTUのコイルとバリコンの配線図です。検討の都合でオリジナルの回路図に有ったL3は省略してあります。 このMTUの説明の中で、L2の底辺とL1の底辺はGND側で一致させるとありましたので、その通り試作しましたが、彼の資料の中にある写真ではGND側では無く、天面にL2を配置してありますので、もし、違ったら、写真のごとく、コイルを上下反対にすれば良い事なので、このまま行きます。
Zマッチチューナーの肝はコイルですから、VK5BRが推奨する線種、サイズ、形状のままでつくりますが、コイルを支える絶縁材は100均の5mm厚のまな板でつくりましたので、1.6φの銅線を通す、穴径は2mmでは難しく、2.5mmにしました。 また、最初直径50mmのパイプに、1.6φの銅線を16回巻き、これをカットした後、絶縁支持材の穴に銅線を押し込みますが、これが結構難しく、きれいな円弧状のコイルに仕上がりません。 結局、最後は板とコイルの間に直径25㎜の塩ビパイプを挟み、さらにL2とL1のコイルの間に5φのアクリル棒を差し込み、コイルの形を整えました。
右上は25φのパイプと5φの丸棒を抜き取った状態ですが、なんとか様になりました。
これを、木製のシャーシーに仮止めし、かつバリコンも仮止めして、配線図通り配線しました。 2連バリコンはまだ連動出来ていませんが、タイミングベルト、タイミングプーリーが入手できたら、連動させる事にし、それまでは、手で目見当で回転させます。 また、VC1はシングルで良いのですが、コメットのバリコンは2個連結されていますので、配線のみカットし、シングルバリコンとして使います。 最終的には、2個のバリコンを結合している支持材をカットしますが、今は写真の通りです。
構造が簡単ですので、配線も20分足らずで完成しました。
次はいよいよ整合テストです。
整合テストはまず7MHzでつまづきました。いくらやってもSWR1.8以下になりません。 色々試して判った事は、VC2を接続するコイルの位置は14Tでは無く、13.5Tに繋ぐとSWRが1.4まで下がるようになりました。 さらに、VC1のつながるコイルのタップ位置を10Tの位置から9Tに変更してやっと1.1まで下がりました。 この原因は、配線の長さも関係しますが、使用しているバリコンの最小容量が影響しているようです。 VK5BRオリジナルのバリコンの最小容量は20Pですが、コメットのバリコンは30Pでした。
ここまでやって、やっと3.5MHzから29MHzまで全部整合出来るようになりました。
次にバリコンのクリチカルの度合いですが、現在ステッピングモーターの候補は秋月で扱っているコパルの3度ステップ品を第1候補としています。 最近の３Dプリンターは1.8度ステップのバイポーラタイプのステッピングモーターが使われ、中華製に絞れば一番安価です。しかし、バイポーラタイプのステッピングモーターは低電圧大電流というドライブが必要で、専用のドライバー回路と専用のスィッチング電源を必要とし、アマチュアが1台限りで製作するには、かなり高コストになります。 アマチュアがシコシコと製作するには、最近あまり見かけなくなったユニポーラタイプのステッピングモーターが取り扱いが簡単なのですが、1.8度のユニポーラタイプはコパルの4倍以上の値段がします。
コパルのワンステップ3度のモーターの場合、５対１の減速比となるプーリーを使い最小ステップ角度0.6度になりますが、これで、ちゃんと整合できるのか心配になります。
実験した結果、一番クリチカルなバンドは28MHz帯でSWR1.01くらいから1度違えばSWR3くらいまで跳ね上がります。SWR1.5までを許容値とすると、0.4度くらいがリミットで、コパルの0.6度ステップは微妙という状態です。 コパル製は350円、1.8度のユニポーラタイプは最小ステップ0.36度になりますが、1640円。
今回の試作機の場合、VC2とVC3の容量が一致した連動状態のままでは、SWR1.1以下の状態にならないバンドがありました。 12年前にラフに作った試作1号機ではこれほどのクリチカルさは無かったような記憶でしたが、バリコンは連動のままで整合できました。 当時の1号機はQが低く、調整が楽だった代わりにロスが大きかったのかも知れません。 そこで、今回の試作機の配置を見直し、配線が最短となるように組みなおしてみました。
まだVC3への配線が長いですが、改造前より線長で50cmくらい短くなり、かつコイルの下にはGNDとなる銅箔シートを敷き、これにコイルやVCのGNDを落とすようにしたところ、コイルのタップ位置はVC１の接続位置が9Tになった以外、オリジナルの配線図の通りで、3.5MHzから28MHzまでVC2とVC3の角度はほぼ同じ状態、すなわち連動した状態で整合出来るようになりました。
ステッピングモーターのワンステップの角度については前述しましたが、３Dプリンターにはなぜ1.8度のステッピングモーターが使われているのか調べてみました。 普通に考えたら、あの細かい造形を行う為には1.8度では粗すぎると思えるからです。
バイポーラタイプのステッピングモーターの場合、基準のワンステップ角度に対して、さらに1/2とか1/4の角度にドライバー側で設定できるという説明があります。バイポーラステッピングモーターに使われているドライバーユニットがモーター本体より高価な場合が多いのですが、このドライバーの中で細かく制御する事により、この基準の公称ステップ1.8度をさらに1/2とか1/4のステップに変更できるらしい。 最大で1/256まで可能という資料もありました。 以前はワンステップ1.25度とか0.9度とかのステッピングモーターが有りましたが、最近はほとんど1.8度に統一されているのもうなづけます。
この情報が判っていたら、3Dプリンターでは標準となっている3:1のタイミングプーリーより高価な5:1のプーリーを手配する事は無かったのに。
以上の経緯から、コパルや1.8度のユニポーラタイプを諦め、中華製の安いバイポーラステッピングモーターを2個手配しました。注文した4日後には届きました。2個で1900円弱でした。
このバイポーラタイプのドライバーは秋月で取り扱っていますが、モーターより高価（2台分で2000円弱）です。 中華製なら1台分、600円台であるのですが、使い方を説明した資料がありません。 秋月のドライバーの場合、メーカーのホームページに制御の仕方や発熱についての注意文などが有り、初めて使うには安心です。 そして、基準ステップ角の1/2から1/256までの設定方法も詳しく書かれていますので、中華製ですが、秋月のSTマイクロ製のIC品で進行する事にします。 ただし、基準の1.8度以下のステップにした場合、停止位置で通電を続けないと基準の1.8度の位置に戻ってしまうという情報もあります。 対策として、停止位置をキープする為に、運転中より低い電流を流し続けるというアイデアもあるそうですが、この現象がATUにどのような影響を与えるかは、作ってみないと判らないです。
モーターとプーリーが手に入り、図面化しないと、タイミングベルトの長さが決まらないので、ベルトの手配は最後になります。
また、1.8MHz対応は私のアンテナに合わせて、リレーで切り替える事にします。
ステッピングモーターとドライバーが入手出来ましたので、動作確認をしました。