アンテナチューナー

1 ～ 30MHzで動作するソリッドステート電力増幅器は、通常、フェライトコアに巻かれた1つ以上の広帯域トランスを使用します。MOSFETとバイポーラ接合トランジスタは低インピーダンスで動作するように設計されているため、トランスの一次側は通常1ターン、50Ωの二次側は2～4ターンになります。この給電線システムの設計は、動作周波数を変更する際に必要な再調整を減らすという利点があります。同様の設計でアンテナを伝送線路に整合させることができます。たとえば、多くのテレビアンテナは300Ωのインピーダンスを持ち、75Ωの同軸線路を介してテレビに信号を供給します。小型のフェライトコアトランスが広帯域インピーダンス変換を行います。このトランスは調整を必要とせず、また調整機能もありません。テレビで受信専用に使用する場合、周波数によるSWRのわずかな変化は大きな問題にはなりません。     

なお、多くのフェライト系トランスは、インピーダンス変化と同時に平衡から不平衡への変換も行います。平衡から不平衡への変換機能を持つトランスはバラン（そうでない場合はアンアン）と呼ばれます。最も一般的なバランは、1:1または1:4のインピーダンス変換を行います。

オートトランスを用いたインピーダンス整合にはいくつかの設計があり、オートトランスは巻線に沿って異なる接続点またはタップが間隔を置いて配置された単線トランスです。これらは主にインピーダンス変換比（1:1、1:4、1:9など、巻線比の2乗）と、入力側と出力側が共通の接地を共有するか、片側が接地されたケーブル（不平衡）から非接地（通常は平衡）ケーブルへの整合を行うかによって区別されます。オートトランスが平衡線と不平衡線を接続する場合、 2巻線トランスと同様にバランと呼ばれます。接地が異なる2本のケーブルまたは回路を接続する必要があるが、接地を独立させておく必要がある場合は、目的の比率を持つ完全な2巻線トランスが代わりに使用されます。

右図の回路は、超高周波用には「空芯」、中低周波用にはフェライトコアのいずれかに、同じ方向に巻かれた3つの同一の巻線で構成されています。図示されている3つの同一の巻線は、2つの不平衡線路で共有される共通の接地線に接続されており（そのため、この設計はアンアンと呼ばれます）、選択したタップに応じて、1:1、1:4、または1:9のインピーダンス整合として使用できます。（同じ巻線を異なる方法で接続すれば、バランにすることも可能です。）

例えば、右側に10オームの抵抗負荷が接続されている場合、ユーザーはオートトランスの左側にある3つの非接地端子のいずれかに電源を接続することで、異なるインピーダンスを得ることができます。左側では、右側と同じ10オームの負荷に対して、巻線数の多い方の線路の方がインピーダンスが高くなることに注目してください。 

主線路とは異なる特性インピーダンスを持つ特殊な伝送線路を挿入することで、主線路とアンテナの整合を行うことができます。適切なインピーダンスを持つ挿入線路を適切な場所に接続することで、非常に高い効率で複雑な整合効果を実現できますが、周波数範囲は非常に限られています。^{[ 6 ]}

この方法の最も単純な例は、インピーダンス不整合のある伝送線路を接続部で接合して作られる1/4波長インピーダンス変換器 です。75Ωの同軸ケーブルの1/4波長を50Ωの負荷に接続すると 、75Ωの1/4波長におけるSWRは75Ω / 50Ω = 1.5 と計算できます。この1/4波長の線路は、インピーダンス不整合を112.5Ω （75Ω × 1.5 = 112.5Ω ）に変換します。このように挿入された部分によって、112Ωのアンテナが50Ωの主線路に整合されます。             

1/6波長同軸トランスは、 同じ一般的な方法を使用して50Ω^から75Ωに整合させるのに便利な方法です。 ^[ 7 ^{] [ 8 ]}

2 つ目の一般的な方法はスタブの使用です。短絡または開放された線路セクションが主線路と並列に接続されます。同軸ケーブルでは、これは「T」コネクタを使用して行われます。スタブの長さと位置は、アンテナ自体の複素インピーダンスやSWRに関係なく、スタブの下に整合線路が生成されるように選択できます。 ^{[ 9 ]} Jポールアンテナは、スタブ整合が組み込まれたアンテナの一例です。

集中定数容量とインダクタを使用する場合に必要な基本回路を以下に示します。この回路は、多くの自動アンテナチューナーで使用されていること、また、より複雑な回路をL型ネットワークのグループとして解析できることから重要です。

これは、インダクタが含まれているからではなく（実際には、L型ネットワークの中には2つのコンデンサで構成されているものもあります）、2つの構成要素が互いに直角に配置され、回転した、場合によっては反転した英字 「L」のような形をしていることから、L型ネットワークと呼ばれています。「T」（ティー）型ネットワークとπ（パイ）型ネットワークも、それぞれ名前の由来となった英字とギリシャ文字に似た形をしています。

この基本ネットワークはインピーダンス変換器として機能します。出力が抵抗 R _load とリアクタンス j X _{loadからなるインピーダンスを持ち、入力が抵抗}R _source とリアクタンスj X _sourceからなるインピーダンスを持つ電源に接続される場合 、  

${\displaystyle X_{\text{L}}={\sqrt {{\Big (}R_{\text{source}}+jX_{\text{source}}{\Big )}{\Big (}(R_{\text{source}}+jX_{\text{source}})-(R_{\text{load}}+jX_{\text{load}}){\Big )}}}}$

そして

${\displaystyle X_{\text{C}}=(R_{\text{load}}+jX_{\text{load}}){\sqrt {\frac {(R_{\text{source}}+jX_{\text{source}})}{(R_{\text{load}}+jX_{\text{load}})-(R_{\text{source}}+jX_{\text{source}})}}}}$。

この回路例では、 XL と _{XLCを入れ替えることができます。以下のATU回路はすべて}、 インピーダンスの異なるシステム間に存在するネットワークを形成します。

例えば、電源の抵抗インピーダンスが50Ωで 、負荷の抵抗インピーダンスが1000Ωの 場合 ：

${\displaystyle X_{\text{L}}={\sqrt {(50)(50-1000)}}={\sqrt {(-47500)}}=j\,217.94\ {\text{オーム}}}$

${\displaystyle X_{\text{C}}=1000{\sqrt {\frac {50}{(1000-50)}}}=1000\,\times \,0.2294\ {\text{オーム}}=229.4\ {\text{オーム}}}$

周波数が28MHzの場合 、

として、

${\displaystyle X_{\text{C}}={\frac {1}{2\pi fC}}}$

それから、${\displaystyle 2\pi fX_{\text{C}}={\frac {1}{C}}}$

それで、${\displaystyle {\frac {1}{2\pi fX_{\text{C}}}}=C=24.78\ p{\text{F}}}$

一方、${\displaystyle X_{\text{L}}=2\pi fL\!}$

それから、${\displaystyle L={\frac {X_{\text{L}}}{2\pi f}}=1.239\ \mu {\text{H}}}$

抵抗要素（1000  Ω）とリアクタンス要素（-j 229.415 Ω ）からなる並列ネットワークは、抵抗要素（50 Ω）とリアクタンス要素（-j 217.94 Ω）からなる直列ネットワークと同じインピーダンスと力率を持つ。     

直列に別の要素（リアクタンスが + j  217.94  Ω のもの）を追加すると、インピーダンスは 50  Ω（抵抗性）になります。

「L」型ネットワークは8種類の構成が可能で、そのうち6種類をここに示します。残りの2種類は、一番下の行と同じ構成ですが、並列要素（垂直方向の配線）が、図のように直列要素（水平方向の配線）の左側ではなく、右側に配置されています。

以下の図の説明では、入力コネクタは送信機または「ソース」から、出力コネクタはアンテナまたは「負荷」に接続されています。一般的なルール（後述するいくつかの例外を除く）は、「L」ネットワークの直列要素はインピーダンスが最も低い側に接続されるということです。^{[ 10 ]}

例えば、左列の3つの回路と下段の2つの回路は、直列（水平）素子が外側にあるため、一般的に低インピーダンス入力（送信機）から高インピーダンス出力（アンテナ）への昇圧に用いられます。これは、前述のセクションで分析した例と同様です。一方、右列の上の2つの回路は、直列（水平）素子が入力側にあるため、一般的に高インピーダンス入力から低インピーダンス出力への降圧に用いられます。

一般的なルールは、リアクタンスが非常に小さい、主に抵抗性の負荷にのみ適用されます。共振周波数から大きく離れた信号で給電されるアンテナなど、負荷のリアクタンスが大きい場合は、逆の構成が必要になる場合があります。共振周波数から大きく離れている場合は、代わりに下側の 2 つの降圧回路 (高入力から低出力) を使用して、昇圧 (低入力から高出力、主にリアクタンス) に接続します。^{[ 11 ]}

上段2列に示されている4つの回路のローパスおよびハイパスバージョンは、インダクタとコンデンサをそれぞれ1つずつしか使用していません。通常、送信機では高調波を減衰させるためにローパス構成が好まれますが、部品の入手が容易な場合、ラジオに既にローパスフィルタが内蔵されている場合、または低周波の減衰が望ましい場合（例えば、中周波で放送しているローカルAM局が高周波受信機を過負荷にしている場合など）には、ハイパス構成を選択することもできます。

低抵抗・高容量の回路は、小型のモバイルアンテナなど、アンテナの最低固有共振周波数以下の周波数で使用されるような、短い垂直アンテナに給電する様子を示しています。ここでは、短いランダムワイヤアンテナの固有容量が非常に高いため、コンデンサを使用して問題を悪化させるのではなく、 「L」ネットワークは2つのインダクタで実現するのが最適です。

図は、低抵抗・高インダクタンスの回路が小型ループアンテナに接続されている様子を示している。共振周波数以下では、このタイプのアンテナはインダクタンスが非常に大きいため、コイルを追加してインダクタンスを増やすと、リアクタンスがさらに悪化する。そのため、「L」ネットワークは2つのコンデンサで構成されている。

「L」ネットワークは、目的の変換を実現できる最も単純な回路です。任意のアンテナと周波数に対して、8つの可能な構成（上に示した6つを含む）から回路を選択すると、入力インピーダンスと出力インピーダンスを一致させる部品値の組み合わせは1つだけになります。これに対し、他の箇所で説明されている回路は3つ以上の部品で構成されているため、インピーダンス整合を実現できるインダクタンスとキャパシタンスの選択肢がはるかに多くなります。通常は少なくとも2つ、場合によっては連続した選択肢があり、そのうちのいくつかは「不良」、つまりATU内部で共振を引き起こし、大きな損失につながる可能性があります。無線オペレーターは、利用可能な設定を実験してテストし、同じインピーダンスに一致させることができる可能な調整の中から最適なものを選択するために、十分な情報に基づいた判断を下す必要があります。

インピーダンス整合を行うあらゆる手段は、何らかの電力損失を引き起こします。これは、フェライトコアを持つトランスでは数パーセントから、不適切なチューニングがされているかチューニング範囲の限界で動作している複雑なATUでは50%以上まで変化します。^{[ 12 ]}

狭帯域チューナーでは、「L」ネットワークが最も損失が少なくなります。これは、部品点数が最も少ないことも理由の一つですが、主な理由は、与えられたインピーダンス変換において、必然的に可能な限り低いQ値で動作するためです。「L」ネットワークでは、負荷Q値は調整できず、ソースインピーダンスと負荷インピーダンスの中間値に固定されます。実用的なチューナーでは損失の大部分がコイル（インダクタ）で発生するため、必要なインダクタンスを最小限に抑えるために、ローパスネットワークとハイパスネットワークのどちらかを選択することで、損失をある程度低減できる可能性があります。

コンデンサのみを使用した「L」型ネットワークは損失が最も少ないが、このネットワークは負荷インピーダンスが非常に誘導性である場合にのみ機能するため、小型ループアンテナに適している。誘導性インピーダンスは、共振周波数よりわずかに高い周波数で使用される直線アンテナでも発生する。これは、アンテナが長すぎる場合（例えば、動作周波数で1/4波長から1/2波長の間）である。しかし、問題のある直線アンテナは、通常、使用周波数に対して短すぎる。

ハイパス「T」ネットワークでは、チューナーの損失は、最小損失に調整した場合数パーセントから、チューナーが適切に調整されていない場合は50%を超えるまで変化する可能性があります。利用可能な最大容量を使用すると、設定を考慮せずに単にマッチングするように調整する場合よりも損失が少なくなります。^{[ 13 ]}これは、容量を増やすとインダクタの巻数が少なくなり、損失は主にインダクタにあるためです。

SPC チューナーでは、インダクタの両端に追加された容量によって一部のリアクタンス電流が接地へ分流され、それをインダクタ内の追加電流で相殺する必要があるため、損失は「T」ネットワークの場合よりもやや高くなります。^{[ 14 ]}トレードオフとして、コイルの実効インダクタンスが増加し、そうでなければ不可能な低周波数での動作が可能になります。

追加のフィルタリングが必要な場合は、インダクタを意図的に大きな値に設定することで、部分的なバンドパス効果を得ることができます。^{[ 15 ]}この方法で、ハイパス 「T」、ローパス「π」、またはSPC チューナーのいずれかを調整できます。同調周波数での追加損失はわずかで、高調波周波数での追加減衰を大幅に増やすことができます。

最小損失に調整した場合、SPCチューナーは内部タンク回路がバンドパスフィルタであるため、 ハイパス「T」よりも優れた高調波除去性能を発揮します。わずかな追加損失が許容できる場合は、どちらのタイプも良好な高調波除去性能を備えています。ローパス「π」は、最小損失を含むあらゆる設定において、卓越した高調波減衰性能を発揮します。 

ATUは、無線送信機または受信機とアンテナを接続するラインのどこかに挿入されます。 ^{[ 16 ]}アンテナの給電点は通常、空中の高い位置（例えば、ダイポールアンテナ）または遠く離れた位置（例えば、エンドフィードランダムワイヤアンテナ）にあります。送信機とアンテナの間で信号を伝送するには、伝送線路、つまり給電線が必要です。ATUは給電線上のどこにでも配置できます。送信機、アンテナ、またはその間のどこかです。

アンテナの調整は、損失を最小限に抑え、帯域幅を広げ、伝送線路上のピーク電圧とピーク電流を低減するために、アンテナのできるだけ近くで行うのが最適です。また、伝送される情報に、給電線の電気的長さのかなりの割合を占める波長成分が含まれている場合、線路上に定在波が発生すると、伝送情報に歪みが生じます。アナログ テレビ放送やFMステレオ放送は、この影響を受けます。これらの放送方式では、アンテナでの整合が必要です。

可能であれば、アンテナ付近に耐候性ケースに入った自動または遠隔操作式のチューナーを設置すると便利で効率的なシステムになります。このようなチューナーを使用すれば、幅広いアンテナのマッチングが可能になります。^{[ 17 ]}

ATUを調整しやすいように無線機の近くに設置する必要がある場合、SWRが大きいと給電線での損失が増加します。そのため、送信機でATUを使用する場合は、低損失で高インピーダンスの給電線（例えば、オープンワイヤ線）が非常に有利です。短い低損失同軸線は許容範囲ですが、損失の大きい線が長くなると、SWRによる追加損失が非常に大きくなります。^{[ 18 ]}

送信機と伝送線路の整合を行う際（ATUが送信機の近くにある場合など）、給電線路のSWRは変化しないことを覚えておくことが非常に重要です。アンテナから反射されたバックラッシュ電流はATUによって逆反射され（通常、両者の間で複数回）、ATUの送信機側では見えなくなります。この多重反射の結果、損失が増大し、電圧や電流が増加し、帯域幅が狭くなりますが、これらはいずれもATUでは補正できません。

定在波比( SWR )が高いこと自体が損失を引き起こすという誤解がよくあります。^{[ 3 ]}低損失線路を通してアンテナに給電する適切に調整された ATU は、SWR が高い (例えば 4 対 1) 場合でも、本質的に整合されたアンテナと比較して、追加損失の割合がわずかである可能性があります。^{[ 19 ]}送信機の隣にある ATU は、アンテナから反射されたエネルギー (「バックラッシュ電流」) を、アンテナへの給電線に沿って再び反射するだけです (「逆反射」)。^{[ 3 ]}給電線とアンテナの RF 抵抗によって大きな損失が発生し、高い SWR によるこれらの多重反射によって給電線の損失が増幅されます。

高インピーダンス・低損失の給電線とATUを使用すると、多重反射があっても損失はごくわずかです。しかし、給電線とアンテナの組み合わせが「損失が大きい」場合、同じ高いSWRでも送信機の出力電力のかなりの割合が失われる可能性があります。インピーダンスが300～500Ωのほとんどの平行線のような高インピーダンス線は、高電流ではなく主に高電圧として電力を伝送し、電流のみが線路抵抗による電力損失を決定します。したがって、SWRが高くても、一般的な50Ω同軸ケーブルのような低インピーダンス線に比べて、高インピーダンス線での電力損失は非常に少なくなります。そのため、高インピーダンス 給電線を介して送信する無線オペレーターは、ATUを使用する場所や使用するかどうかについて、より柔軟に対応できます。

ATUがない場合、アンテナと給電線のSWRが不整合だと、送信機に不適切な負荷がかかり、出力段部品の発熱や焼損、歪み、電力または効率の低下を引き起こす可能性があります。最新のソリッドステート送信機は、SWRが高いと自動的に出力を下げるため、一部のソリッドステート電力段は、SWRが1.5:1を超えると弱い信号しか出力しません。自動出力低下の問題がなければ、 送信電力の11%しか反射されず、89  %がアンテナに送られるため、SWRが2:1の損失でも許容範囲内でした。したがって、SWRが高い場合の出力電力の主な損失は、バックラッシュ電流によって送信機が出力を「下げる」ことによるものです。

真空管式送信機や増幅器は通常、調整可能な出力回路を備えており、最大で3:1程度のSWRの不整合負荷にも問題なく対応できます。事実上、送信機出力段に内蔵されたπ型回路がATU（自動チューニング増幅器）として機能します。さらに、真空管は（機械的には脆弱ですが）電気的に堅牢であるため、真空管回路は非常に大きなバックラッシュ電流にも耐えることができ、損傷を受けることはありません。

アンテナチューナーの最も古い用途の1つは、AMおよび短波放送送信機です。AM送信機は通常、0.20～0.68 波長の長さの垂直アンテナ（タワー）を使用します。タワーの基部には、アンテナを 送信機からの50Ω伝送線路に整合させるためのATUが使用されます。最も一般的に使用される回路はT型ネットワークで、2つの直列インダクタとそれらの間に並列コンデンサを使用します。複数のタワーを使用する場合、ATUネットワークは位相調整機能も備えている場合があり、各タワーの電流を他のタワーに対して位相を合わせて、目的のパターンを生成できます。これらのパターンは、干渉を引き起こす可能性のある方向にヌル点を含め、ターゲットエリアの信号強度を高めるために、法律で義務付けられていることがよくあります。マルチタワーアレイにおけるATUの調整は、複雑で時間のかかるプロセスであり、かなりの専門知識が必要です。

国際短波（50kW 以上）では、周波数変更に伴い、アンテナの調整が頻繁に行われます。周波数変更は、季節ごと、あるいは毎日必要となる場合もあります。最新の短波送信機には、通常、SWRが2:1までのインピーダンス整合回路が内蔵されており 、出力インピーダンスを15 秒以内に調整できます。

送信機の整合回路にはバランが組み込まれている場合があり、また、平衡線路を供給するために外部バランを送信機に設置することもできます。300 オーム以上の平衡伝送線路は、アマチュア無線家も含め、かつてはすべての短波送信機とアンテナでほぼ標準的に使用されていました。ほとんどの短波放送局は、自動インピーダンス整合が登場する以前から、高インピーダンス給電方式を使い続けていました。

国際放送で最も一般的に使用される短波アンテナは 、2対1の周波数範囲をカバーするHRSアンテナ（カーテンアレイ）と、最大8対1の周波数範囲をカバーする対数周期アンテナです。この範囲内ではSWRは変動しますが、通常は1.7対1以下に抑えられます。これは、多くの最新の送信機に内蔵されているアンテナ整合機能によって調整可能なSWRの範囲内です。したがって、これらのアンテナに給電する場合、最新の送信機は必要に応じて任意の周波数で整合するように自己調整することができます。