Nano VNA 活用 (Mr.Smithを使う )

NanoVNAのスミスチャートを活用しよう。

NanoVNAを購入したが、今一つアンテナ製作に活用しきれない皆様に　フリーソフト　Mr.Smith Vr3.2 を使ってメーカー製に負けないアンテナ作りのノウハウ紹介します。

特に周波数の高いアンテナは組み立てのバラつきや取り付け寸法の具合で大きく変化しますので計測器の手助けが必要です。

まず手始めに変換コネクター追加での再校正

一般的に無線機に接続されるのはMコネクターかNコネクターですが、今回はMコネクターを接続するとして変換コネクター「SMA(P)⇔M(J)」をNanoVNAに追加します。

しかし200MHｚ以上は中継コネクターを追加するだけで、SWRは変化しますので校正用の治具コネクターを製作しましょう。

参照Link　「NanoVNAは正確か？」

Mコネクターに適合する変換コネクター

NanoVNAに取り付けた変換コネクターでOpenCheck（変換コネクターには何もつけません）

校正用のShortCapを準備しましょう（参考　Link  NanoVNAは正確か？）

ショートCapを取り付けShort Check（MコネクターにShort Capを取り付け）

50Ωダミーロード　（100Ωパラで50Ω）

ダミーロードを接続して50ΩをChekする。

433MHｚでは付属の校正用コネクターでSWRを校正しても、変換コネクターを付けての測定は、1：1が1：1.26になってしまいます。

製作したアンテナは 正確な校正値のNanoVNAで測れることが大事です。校正した値はスミスチャートの真ん中の50Ωに位置にいなければ、測定したアンテナはどの値か不明です。

いまさらスミスチャートってなに？

ここでは簡単に、高周波における無線機とアンテナの整合を論理的に計測するチャートと考えてください。

SWRは無線機から出力された信号がアンテナに供給されますが、不整合の部分が無ければ反射せず、無駄なエネルギーが　戻され無い場合SWRが1:1です。1:2になると12％程度アンテナから反射されます。1割程度ならOK！と考えないで下さい。ヽ(`Д´)ﾉ　　戻ったエネルギーはどうなる、大切なパワーICに負荷がかかります。パワーICの寿命を延ばすためにもSWRは1:1に限りなく近くして使いたいです。

SWRを下げる為、アンテナを切ったり伸ばしたり。同軸ケーブルを切摘めたりと、いろいろとチャレンジした方も多いと思います。NanoVNAがあればアンテナを最良の状態にすることができます。

SWR計だけではアンテナの状態が可視化できません。SWRを下げる為に切り貼りのジレンマに陥ります。アンテナアナライザー等があれば、アンテナのインピーダンスがわかるのでスミスチャートから改善点は導き出せます。

まーるい蜘蛛の巣 画面なんだろう？

設定した周波数でのインピーダンスです。アンテナに接続された同軸が無線機につながる交流抵抗値を表しています

NanoVNAはスミスチャートをトレースしますので、概略どうすればチャートの真ん中（50Ω）にアンテナのインピーダンスを引き込むことが可能か想定できます。これらの一連の作業をインピーダンスの正規化と呼びます。そうですスミスチャートは難解な高周波理論を可視化するチャートなのです。この理論はベル研究所のフィリップ・スミス氏が発表する2年前にKDDIの前身日本無線電信(株)の技術者 水橋東作氏がすでに四端子回路をもとに反射係数をインピーダンスに変換する理論を考えていました。

今でもOMさんの中には「水橋・スミスチャート」と言う方を見かけます。

Mr.Smithの使い方とアンテナの正規化

今回は仮にSWR1：2のポイントから正規化する手法を 100+ｊ0、25+ｊ0　と40+ｊ30、40-ｊ30　の4か所から50Ωへ正規化してみます。

ホームページからMr.Smithをダウンロードして正規化の手順を学習しましょう。下記のリンクにSetUpファイルがあります。Mr.SmithVr3.2

https://www.rf-world.jp/bn/RFW14/RFW14D.htm　　　　

正規化の方法

実際のアンテナ正規化の手順はアンテナのインピーダンスをNanoVNAのプロット、インピーダンスポイントをMr.Smithへ移行して正規化を行います。とりあえずSWR1：2のポイントを4か所に設定してどのように正規化するかチャートで見ましょう

SWR　1：2（100+ｊ0）＋j補正

SWR1：2の中央サークルの 右端の0 からスタートします。NanoVNAにはインピーダンスチャートしか表示してはいません。

正規化のLやCは現在の値（正規化前の手作りアンテナ等の浮遊容量や配線のインダクター 含む）に対しての補正値です。

1.　並列補正のLはアドミタンスチャート(橙)上を0→1迄、Lの変化で移動させます。円は∞Ω(左端)を起点とした同心円 。L増加⇒右回りからL減少⇒左回りで調整する(0から並列に37ｎHでインピーダンスチャート上に移動）

2.　直列補正のCはインピーダンスチャート(緑)で 1→2迄　Cの変化で移動させます。円は0Ω(右端)を起点とした同心円。C増加⇒右回りからC減少⇒左回りで調整する（1から直列に7.5ｐFで50Ω）

手順　1　　100+j0から並列(//)にL追加37ｎHでインピーダンスチャート上(緑)にのせアンテナに直列(+)に7.5pF追加で50Ωへ

SWR　1：2（100+ｊ0）-ｊ補正

右の0からスタートします。

1）並列補正のCは　0→1 迄 アドミタンスチャート(橙)上をCの変化で移動させます。C増加⇒右回りからC減少⇒左回りで調整する（0から並列に3.7ｐFでインピーダンス上に移動）

2） 直列補正のLは　1→2迄 インピーダンスチャート(緑)でLの変化で移動させます。L増加⇒右回りからL減少⇒左回りで調整する　（1から直列に18ｎHで50Ωへ）

手順　2　　100+j0から並列(//)にC追加3.7ｐFでインピーダンスチャート上(緑)にのせアンテナに直列(+)に18ｎH追加で50Ωへ

SWR　1：2（25+ｊ0）+ｊ補正

左の 0 からスタートします。

1）直列補正のLは　0→1 迄インピーダンスチャート(緑)上をLの変化で移動させます。L増加⇒右回りからL減少⇒左回りで調整する

2）平列補正のCは　1→2迄アドミタンスチャート(橙)でCの変化で移動させます。C増加⇒右回りからC減少⇒左回りで調整する

手順　3　　25+j0から直列(+)にL追加9.2ｎHでアドミタンスチャート上(橙)にのせアンテナに並列(//)に7.3ｐF追加で50Ωへ

SWR　1：2（25+ｊ0）-ｊ補正

左の 0 からスタートします。

1）直列補正のCは　0→1 迄 インピーダンスチャート(緑)上をCの変化で移動させます。C増加⇒右回りからC減少⇒左回りで調整する

2）平列補正のLは　1→2 迄 アドミタンスチャート(橙)でLの変化で移動させます。L増加⇒右回りからL減少⇒左回りで調整する

手順　4　　25+j0から直列(+)にC減少14.5ｐFでアドミタンスチャート上(橙)にのせアンテナに並列(//)に18ｎH減少で50Ωへ

SWR　1：2（40+ｊ30）＋j補正（アドミタンス補正）

上の 0 からスタートします。

1）直列補正のCは　0→1 迄 インピーダンスチャート(緑)上をCの変化で移動させます。C増加⇒右回りからC減少⇒左回りで調整する

2） 平列補正のLは　1→2迄 アドミタンスチャート(橙)でCの変化で移動させます。C増加⇒右回りからC減少⇒左回りで調整する

手順　5　　40+j30から直列(+)にC減少36ｐFでアドミタンスチャート上(橙)にのせアンテナに並列(//)に3.5ｐF追加で50Ωへ

SWR　1：2（40+ｊ30）＋j補正（インピーダンス補正）

上の 0 からスタートします。

1）平列補正のCは　0→1 迄 アドミタンスチャート(橙)上をCの変化で移動させます。C増加⇒右回りからC減少⇒左回りで調整する

2） 直列補正のCは　1→2迄 インピーダンスチャート(緑)でCの変化で移動させます。C増加⇒右回りからC減少⇒左回りで調整する

手順　6　　40+j30から並列(//)にC追加1.5ｐFでインピーダンスチャート上(緑)にのせアンテナに並列(//)にC成分15ｐF減少で50Ωへ

SWR　1：2（40-ｊ30）-j補正（Toアドミタンス補正）

下の 0 からスタートします。

1）直列補正のLは　0→1 迄 インピーダンスチャート(緑)上をLの変化で移動させます。L増加⇒右回りからL減少⇒左回りで調整する

2）並列補正のLは　1→2迄 アドミタンスチャート(橙)でLの変化で移動させます。L増加⇒右回りからL減少⇒左回りで調整する

手順　7　　40+j30から直列(+)にL追加4ｎHでアドミタンスチャート上(橙)にのせアンテナに並列(//)にL成分38ｎH減少で50Ω

SWR　1：2（40-ｊ30）-j補正（Toインピーダンス補正）

下の 0 からスタートします。

1）平列補正のLは　0→1 迄 アドミタンスチャート(橙)上をLの変化で移動させます。L増加⇒右回りからL減少⇒左回りで調整する

2）並列補正のLは　1→2迄 インピーダンスチャート(緑)でLの変化で移動させます。L増加⇒右回りからL減少⇒左回りで調整する

手順　8　　40+j30から並列(//)にL成分100ｎH減少でインピーダンスチャート上(緑)にのせアンテナに直列(+)に10ｎH追加で50Ωへ

ここまで進むと気付いた方もいますね。正規化のパターンはもっとあります。

SWR　1：2（40-ｊ30）+j補正（Toインピーダンス補正）

下の0からスタートします。

1）並列補正のLは　0→1 迄 アドミタンスチャート(橙)上をLの変化で大移動させます。L増加⇒右回りからL減少⇒左回りで調整する

2） 直列補正のCは　1→2迄 インピーダンスチャート(緑)でCの変化で移動させます。C増加⇒右回りからC減少⇒左回りで調整する

手順　９　　40+j30から並列(//)にL成分減少18.3ｎHでインピーダンスチャート上(緑)にのせアンテナに直列(+)にC成分14.5ｐFで50Ω

インピーダンスサークルからアドミタンスへ交差して-ｊ（コンデンサー）補正もありますね

インピーダンスとアドミタンスチャートは+ｊとｰｊで2か所クロスしますので　付加する部品の値がシビアな場合は適当な場所で正規化を図ってください。

操作のポイント

　1.　並列と直列

　　整合部と並列に部品を接続はアドミタンスチャート上を移動する。直列に挿入するとインピーダンスチャート上を移動する

　2.　-ｊと+ｊ

　　追加した部品がCの場合-ｊ方向（下側）に移動する。Lの場合+ｊ方向（上側）に移動する

　3.　挿入の値

　　前記の記述の様に挿入した値が大きくなると右に回転、少なくすると左に回転します

今回はインピーダンスとアドミタンス上からの正規化でしたが、実際はチャート上にあることは稀です。チャート上にない場合はMr.Smthを使って正規化チャートをしやすい場所に移行してください。

NanoVNAからのMr.Smithへの書き換え

NanoVNAの測定値を目安でポイントをチャート上に置くのは納得がいかない方は-ｊ（虚数部を）書き換えてください

例えばNanoVNAで　145MHzでの測定値　65-71.3ｐFと表示されている場合。実数部はそのままで虚数部は　-ｊの場合　1/ωC　で表わせますので　1/（145MHｚ×2π×71.3ｐF)⇒1/（1.45E+08×6.28×7.13E-11) で計算されますので   -j15.4になり　Mr.Smithには65-ｊ15.4と打ち込みます。　計算が面倒な方は　えいヤ！でクロスマーカーをチャート上に乗せてください。虚数部が+ｊの場合ωLとなります

アンテナの正規化で挿入したコイル

144MHz 7ELスタック製作記事　　144MHz用7EL×2アンテナ製作（アンテナ製作 第９弾） 参考

Mr.Smith　の使い方

1.　周波数とインピダンスの設定

         Frequency Sweep のアイコンのクリックを外しスポットとする。測定周波数を設定後で インピーダンス Zo（50Ω）設定

2.　マーカーポイントの設定

      　NanoVNA又はアンテナアナライザーで確認したインピーダンスをマーカー(M)をクリックしてIｍpedance R+xｊを設定

　　 （インピーダンスを打ち込む、又は✛アイコンでチャート上をクリック⇒OKで　0ポイントが決定します）

3.　正規化の作業

　 　チャートをクリックしてImmttance ChartをクリックしてAdmittance Chart を表示させる。

　　 回転をクリックして　Series /Parallel Element  を設定して　Series/Parallel の コンデンサーとコイルの容量を打ち込む

　　 Set/Closeを繰り返し正規化が終了しチャートの中央に呼び込んだらチャートをクリック、SWR CursorをDrawをセット

3.　正規化する値（SWR　1：2（100+ｊ0）-ｊ補正の場合）

　　1並列補正　3.7pF アンテナ端子に3.7ｐFをパラレル接続

　　2直列補正　アンテナ端子と同軸芯線に18ｎH直列接続することによりSWR1：2の100Ω+0ｊで正規化されました。

この値は机上の計算値です。アンテナの構造や補正するコンデンサーやコイルの取り付け位置でも大きく変化することがあり。容量が固定化されたコンデンサーをベースとして、手巻きで作られるコイル（空芯）の巻き数や巻き密度で微調整するのがベストと思われます。

ホームメードのHB9CV　4EL×2

位相給電のフィーダーを延ばしたり広げたりしてSWRを1.2以下にすることが出来た。帯域幅は145±5MHｚで1.5以下

参考記事は

144MHz HB9CV 4EL スタック（アンテナ製作　第4弾）と144MHz HB9CV 4EL（アンテナ製作 第3弾）