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2016年8月24日 (水)

ケーブルの定在波のはなし

ケーブルの定在波のはなしとは

 SWRとか VSWR とか、アマチュア無線やアンテナ関連で良く聞く話だと思いますが、通常の SWR 2.0以下ではあんまり気にしないで済むはなしですが、λ/4 のアンテナが折れたり、ケーブルが切れたりした場合、その長さによって定在波というケーブルの位置によって電圧や電流が変化する状態がおこるというはなしです。
 シミュレーションで説明します。
 まず、ストリップラインで作った方向性結合器と 40cm の理想ケーブル、負荷は 50Ωとして方向性結合器の反射端を見てみます。以下図では S21 に出てきます。
20160820_94738
 方向性結合器をきっちり設計した訳で無いので,性能は S11 = -10dB 程度ですが、マッチング取れていれば,反射波は -45dB ぐらいです。
 ここでSWRを悪化させるため、負荷を 10Ωにします。 稚拙のiOSアプリ SWR pro を使って 反射電力を増やして行きながら,等価負荷抵抗が 10Ωになる点を見つけると、SWRで言えば 5.0 ぐらいの設定です。
20160820_94807
 この状態で,反射レベルは 100MHz 付近で言えば +5dB ぐらい増えて、反射が多く検出されるようになったのが判ります。
 そこで、この状態でケーブルを 100cm まで長くすると以下の様な結果になります。
20160820_94857
 この例では 100MHz付近では大丈夫ですが、60MHz付近と 130MHz付近に大きな落ち込みが生じて,この付近の周波数では、反射波がかえって少なくなっているように見えることです。これは定在波による電圧の最小ポイントがこのケーブル 100cm の長さで起こっていることを示しています。
どんな不具合が起こるのか?
 通常 SWRが悪くなっても、アンテナや負荷に出力されるエネルギーが減るだけでたいした問題にならないし、使っている周波数が狭い範囲ならば,ケーブルの長さで SWRが悪くなったときにトラブルが起こることはあまりありません。
 ただ、大きなパワーを扱っている場合、VSWR悪化を検知出来ずに、アンプを壊してしまったり、ケーブルの特定部分が熱くなって燃えてしまうこともあります。
 PHS の基地局の仕事では、方向性結合器を使って,VSWRが悪くなるのを検出して、アンテナが壊れた場合などにアラームを出す機能があるのですが、ケーブル設置業者にケーブルの長さまでは厳密に指定できないため、あるときアンテナが折れて Open状態になったにもかかわらず、アラームが出ない事態が起きました。
 調べてみるとちょうどこのケーブル長が、反射波の小さくなる周波数と長さだったのです。
 それで、どう解決したかというと非常に単純で、アンテナ端まで繋がっていると電流が流れ、壊れて切り離されるとオープンになるように、直流電流で測るようにした訳です。単純な機能ほどうまく動作するものですね。

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