秋月電子通商のフェライトビーズをシミュレートしてみた

　フェライトビーズは便利な部品です。

　でも、仕組みが良く分からないので、添付されている参考資料やホームページの数値やグラフを見て、効きそうなもの(もっと言えば、値の大きいもの)をヤッツケで入れてきました。

　しかし、適切な値があるからこそ色々な値や材質のものが売られている訳で、あちこち間違った使い方をしているかも知れません。以前から気になっていました。

　で、フェライトビーズの規格などを眺めていたら、各社からSPICEモデルが公開されていることに気が付きました。

　例えば、25個入りが100円で販売されている、ムラタのBLM18PG00SN1D (60Ω)を検索すると

SPICEモデル

　『ェライトビーズ　EMI除去フィルタであるフェライトビーズのSPICEモデルをご提供しております。』とのこと。

株式会社村田製作所のホームページ

　がヒットしました。

　BLM18DシリーズのZIPファイルをダウンロードして解凍すると、ぞろぞろ出てきました。

さぁ大変です

　一体どうやって使うのでしょうか？

　ANALOG DEVICESの解説を読んでもチンプンカンプンです。

　LTspiceの活用法 - サードパーティ製のモデルをインポートする

https://www.analog.com/jp/resources/technical-articles/ltspice-how-to-import-third-party-models.html

　ライブラリとして登録するのが定石のようですが、実はLTSPICEのインストールを間違えたようで、複数のライブラリを作ってしまい、スパゲッティ状態なのです。

　それに、LTSPICEの回路図を共有してアドバイスをお願いするのに、多分ご本人は使うこともないであろうデバイスの登録までお願いするのは気が引けます。

　で、なんとなくBLM18BB600SN1.MODをテキストエディタで開いて見たら・・・

　実体は.SUBCKT形式のモデルでした

　これならば、解説の「.SUBCKTモデルの使い方 - 既存のシンボルを再利用する」の手法が使えそうです。

.SUBCKT XXXX ～　.ENDS XXXX

を回路図に張り付けておけば、ライブラリをいじらなくてもメールに添付した回路図だけで、単品のデバイスモデルが共有できそうです。

　さっそく試して見ました。

1.　信号源と終端抵抗を貼り付けます

2.　デフォルトの部品リストから"FerriteBead"を選択し、挿入します。

3.　Edit → SPICE directive　で.SUBCKT定義部を貼り付けました

4.　L1のフェライトビーズをポイントして、[Ctrl]+右ボタン　

で、Attribute Editor　を開き

5.　Prefix を"X"に書き換え

6.　Valueにパーツ名の"BLM18BB600SN1"を入力し、

7.　OKをクリックします。

ここで保存してから、AC Analysisを実行しました。

無事にシミュレーションできました＼(^o^)／

　「こんな面倒なことをしなくても、最初から用意されているフェライトビーズで良いのでは？」と囁くもう一人の自分がいたので、比べて見ました。

　新しいビーズを置いて → ポイントし → 右ボタンを押して → リストの中から、61.6ΩのWE-CBF 0402を選択しました。

　実行すると・・・・

かなり差があります

　上限を300MHzにしていましたが、もっと高い周波で違いが出そうです。

　上限を1GHzにして、再度実行すると・・・

ずいぶん違うものですね！

　半日ほど悩みましたが、価値は充分にありました。

　秋月電子通商で販売しているフェライトビーズのモデルは各社から公開されていました。

　正しい方法かどうかは分かりませんが、いずれも上記の方法でシミュレーションが可能でした。

　なお、各社の使用許諾や著作権、制限事項等にはご注意ください。

例：ムラタ　一覧から選択

https://www.murata.com/ja-jp/tool/data/spicedata/netlist-ferritebead

例：太陽誘電 品番で検索　BK2125HM121-T

[lib]形式がテキスト形式ファイルで、SUBCKT形式のモデル

https://ds.yuden.co.jp/TYCOMPAS/jp/detail?pn=BK2125HM121-T++&u=M

例：TDK 品番で検索　MPZ1608S601

https://product.tdk.com/ja/search/emc/emc/beads/info?part_no=MPZ1608S601ATA00

右下の[技術支援ツール]、[SPICEネットリスト(簡易モデル)]がSUBCKTの静的なモデル。詳細モデルを使うと直流重畳時や熱的なシミュレーションもできるようです。

　忘れてしまいそうなので、将来(来週？来年？)の自分のために書いておきます。hi

Active Dipole inspired by Datong - 3

アクティブダイポールの三作目です。

アドバイスを受けて、トランスのインダクタンスを大きくしてみました。

トランス

BN-73-202のトリファイラ6回巻きです。

同じ回数なのに、ずいぶん値が違っています。

484uHを初段に、529uHと514uHを後段に使いました。

　なお、下の汚い板は珪藻土で出来たコースターです。耐熱性もあり、鏝の熱も逃げないので気に入っています。打ちっぱなしのコンクリートと、ゴシゴシ擦り合わせる少しキレイになります。

部品面

　

470uHのマイクロインダクターは、後で測ったところ、10MHzではRs=37.5Ω、C=6.989pFのコンデンサに変身することが分かりました。orz

ハンダ面と電圧

　2SC4703のエミッター電圧が問題です。

　シミュレーションでは+1.66Vです。上は+1.63Vで予定通りですが、下の+2.14Vは高すぎます。

　発振を疑ってスペアナ(TinySA)で当たりましたが、信号は見つかりませんでした。

　左右のバランスは明らかに悪く、216kHzや1728kHzの混変調が気になります。

nanoVNAのプロット

　バイアスＴの後ろに20dBのアッテネータが入っています。

　実は、SDカードにキャプチャーを撮ったのですが、カードが抜け落ちて(飛び出して？)紛失してしまいました。ガッカリです。

　泥縄ですが、SDカードのスロットにマスキングテープを貼り付けました。

NSVJ3910

　ちなみに、初段のFETはCPH3910を予定していたのですが、自動車グレード？のNSVJ3910を使いました。

　不思議なのですが、年末にオーダーした際、こちらが少しだけ安かったのです。

　実物のマーキングはCPH3910と同じでした。

下側に取り付けますが、極性を合わせるため足を上面に向けて折り返して、裏返してハンダ付けしました。

(2SK2394で懲りたので)

現在の受信アンテナ

　シャック脇陸屋根のループ三兄弟と、釣り竿に括りつけたアクティブダイポール一家です。

アクティブダイポールは、上からCPH3910+2SC4703組、AD370、J310+2SC3357組です。

エージングも進んできたところで、3日間のWSPR解読数を比較してみました。

#1: AD370

 　21MHzはトップですが、475kHzが良くありません。スプリアスでも有って邪魔しているのかと思いましたが、実際に見えていませんでした。両エレメントを短絡している1kΩを少し大きくしようかと考えています。

#2: AG5RT (HN1B01F)

　昨年末に比べて見劣りするのは、中波帯阻止フィルターを止めて、10dBのアッテネータを入れたのが要因と思われます。中波帯のゲインが大きすぎるようなので、NFB回路のインダクタンスを調整して、高いほうに均すと良いかも知れません。

#3: AD(J310+2SC3357)

　三組のアクティブダイポールの中では、一番混変調が少ないです。エレメントをもう少し長くしても良いかもしれません。

#4: AD(CPH3910+2SC4703)

　今回のアンプです。トランスのインダクタンスを大きくした効果か、11.9kHz　ロシアAlpha信号は一番よく聞こえるようになりました。半面、やはり高いほうが見劣りします。使用したマイクロインダクターにも問題がありました。電圧異常も気になるので、作り直しですね。

#5: AG5RT style (CPH3910 x2)

　なんやかんやで、一番多く解読していました。中波帯の放送も良く聞こえます。

　なかなか上手く行かないですね。でも、AD370の背中は見えてきた感じです。

　もう少し頑張ってみます。

トランス巻線のツイスト

　AD370インスパイア系のアクティブダイポール。

　各トランスのインダクタンスが小さいとのアドバイスを頂きました。

　AG5RT Markさんによると、ご自身が所有するAD370のトランスを実測したところ、

　一番後ろの12回巻きバイファイラトランスは800uHだったそうです。

　前段のトリファイラは10回巻きなので、各巻線は556uHと想定されるとの事でした。

　ここまで２つ作りましたが、トリファイラトランスの巻線インダクタンスは100uH前後でした。

　手持ちのBN-73-2402と色付きエナメル線(φ0.3mmくらい)では、4回がギリギリだったのです。

　また、バイファイラトランスはいつものM-521CTで、こちらは約175uHでした。

　たしかに、ちょっと小さいかな？とは思っていましたが、こんなに違うと拙いですね。

　次回は、一回り大きいBN-73-202に巻いてみたいと思います。

　で、インダクタンスを大きくしてシミュレートしてみると、確かに低域は改善するのですが、高いほうが崩れてくるようです。

　しかも、あくまでも理想的な机上の話で、自分で巻いたトランスとおぼつか無い実装技術では、さらに悪化する心配があります。

　とくに心配なのが、線の撚り方(ツイスト数)です。

　たいていの教科書には、きつめにツイストするようにと書かれています。

　しかし、1インチ当たり3回で緩くツイストすると書かれたテキストを見て、アレッと思った記憶があるのです。何だったか思い出せないし、読み間違いだったかも知れません。

　また、常用しているM-521CTの巻線はツイストが無く、きれいに並行して巻かれています。

　この辺りにも、きっと何かが隠れているような気がします。

良い機会なので、試して見ました。

　用意したのは、オヤイデで買った0.4mmφのウレタン線とBN-73-202です。

　約20Cmを切り出し、きつめにねじったツイスト線と、緩くねじったほぼ平行線を用意しました。

BN-73-202に5回巻きました。

LCメーターは、OSA103 Miniです。

正確で周波数特性もざっくり確認できるので重宝しています。

緩くねじった線

巻線インダクタンス

340 uH

漏れインダクタンス(反対側の巻線を短絡)

Leakage Inductance

168 nH

この二つの値から、

k=(340-0.168)/340=0.999505

と目星をつけられます。

巻線間キャパシタンス

14.8pF

ツイスト線

巻線インダクタンス

340 uH

400Hzでは緩くねじったのと同じですが、上下の周波数(特にRs)では違います。この辺りが見えるのがOSA103 miniの良い所です。

漏れインダクタンス

157 nH

k=(340-0.157)/340=0.999538

少し改善しました。

巻線間キャパシタンス

18.4pF

　やはり増えました。

　実は、パッと見たとき「何で同じなんだ！？」戸惑いました。が、良く見ると8と4が入れ換わっていました。hi

　この値でシミュレーションしてみました。

30MHz～200MHzを拡大

　きつく捩ることで

巻き線間の容量が増える　→　共振点が下がる

　と予想したのですが、あまり変わらないようです。

　漏れインダクタンスの減少が、線間容量の増加を打ち消してくれるみたいです。

　さて、現物ではどうでしょうか？

ツイスト巻き

コモンモードチョークとして使った時の通過特性です。

S21 Gain:

595kHz -0.060dB

 32MHz -0.766dB

絶縁トランスととしての通過特性

S21 Gain:

595kHz -0.089dB

 32MHz -0.813dB

粗平行線

コモンモードチョーク時の通過特性

S21 Gain:

595kHz -0.047dB

 32MHz -1.627dB

絶縁トランスととしての通過特性

S21 Gain:

595kHz -0.094dB

 32MHz -0.556dB

かなりひどいですね。

シミュレーションとは全然違います。

メガネ型(Binoculars)コアなので、ドーナッツ型のコアのようにスペースを空けて巻けないせいでしょうか？

注意したつもりですが、穴を通すときに前の巻線を通っているかも知れません。

結果的に、巻くというよりは束ねたような印象ではありました。

典型的な失敗作ですね。orz

念のため、ツイスト無しで極小のドーナッツにきれいに巻かれているM521-CTも見ておきましょう、。

M521-CT

コモンモードチョーク時の通過特性

S21 Gain:

595kHz -0.312dB

 32MHz -0.308dB

絶縁トランスととしての通過特性

S21 Gain:

595kHz -0.284dB

 32MHz -0.228dB

　カーブは綺麗で高域は良いのですが、1MHz以下はBN-73に負けるようです。

　トランスを巻いてみる価値はあるようです。

最後に、ツイスト巻きのk値を現物に合うように動かして見ました。

　「k=0.99968」とした時に、シミュレーションと実物の共振点が一致するようです。

　BN-73-202にツイスト線を巻いた場合は、この値を使うことにします。

Active Dipole inspired by Datong-2

アクティブダイポールの続きです。

IMDを観るための入力が小さすぎるとのアドバイスを頂きました。

0dBmが目安との事で、50Ω負荷の場合0.2236Vとなります。

換算はこちらのツールが便利でした。

ユーティリティ : V RMS / dBm / dBu / dBV 計算ツール

https://www.analog.com/jp/resources/interactive-design-tools/dbconvert.html

それでも腑に落ちないのが、入力時点(L20のホット)にIMDが現れる事です。

まさか、V1,V3で歪んでいるはずはないので、D1～D4をカットしてみると、きれいに消えました。

どうやらダイオードで発生したIMDがトランスを通って入力側に現れて(逆流して)いたようです。

受信機のフロントエンドで発生したスプリアスがアンテナから放射されるという話を聞いたことがありますが、こういう仕組かも知れませんね。

そこで、ダイオードにバイアスが掛かっている(と思われる)AD370の入力をチェックしてみると。

見事に消えています。

年末に違いが分からないと書いたのですが、大間違いでした。

非常に大きな効果が期待できます。

今上がっているバージョンを、改めて入力信号を0.224Vにしてシミュレートしてみると

ダイオードの有り無しで、大きな違いがありました。

前線の通過時など、けっこう帯電することもあるので、ダイオードを外すのは冒険です。

流石に、0.224Vの大入力は無いと思うので、このまま様子を見ることにします。

また、結局AD370のデッドコピーになりますが、ダイオードにバイアスを掛けて仕切り直したいと思います。

せっかくなので、手持ちのデバイスで餅の絵を描いて見たところ・・・

足のあるデバイスでは、J113+2N5109が良さそうです。

SMD版では、CPH3910+2SC4703が良さそうです。

また、FETをインピーダンスの低いゲート接地型に上手く変換できると、ループアンテナ用のアンプに使えるかも知れません。

初夢(妄想？)は膨らみます。

Active Dipole inspired by Datong

　今年の正月早々に入手したAD370は、非常にバランスの良い受信アンテナです。ずいぶん楽しませてもらいました。

　ちょっと気になっていた中波帯の混変調も、頂いたアドバイスの対策でスッキリしました。

　こちらに見やすい回路図が掲載されていました。

Akitive-Dipole-Antennen

https://dl4zao.de/_downloads/Aktive-Dipol-Antennen.pdf

 LTSpiceにトレースしてみました

　疑問だったのは、C1～C5で囲まれた四角の部分です。最初に見たときはFETのバイアスかと思ったのですが、C4,C5でブロックされているので違いますね。

　Diリミッターのバイアスでしょうか？

　シミュレーションしてみましたが、効果が分かりませんでした。

　IMDは、f1=594kHzとf2=1134kHzを22mVで入力してみました。が、 1674kHzの棘はアンプのIMD(2*f2-f1)かと思ったのですが、シミュレーションのやり方が悪いのか、入力段階で発生していました。宿題です。hi

　また、何か所かコンデンサの容量が小さいように感じましたが、100kHz以下をカットする目的だったようです。

　さて、改めて回路図を見ると、あれこれ弄っていたミニホイップの決定版のようにも見えます。

　それならば・・・、と云うことで真似して作ってみることにしました。

　リミッター？をよく使われるBAV99に置き換えると、かなりスッキリします。

トランスの巻線のインダクタンスが分かりませんが、先ずは、BN73-2402にトリファイラー4回巻きで行きたいと思います。

シミュレーションでは、なかなか良い感じです。

 気になるのはJ310の消費電力、約240mWです。SMD版の許容損失は350mW(25°C)との事なので、ギリギリかも知れません。

 とりあえず、電源電圧を10Vにすることにします。

AR Cadで配置を検討し

2SK125とかも試したいので、赤●の穴を一杯開けます。

さっそく基板を削ってみました。

ふと思い立って、庭の常夜灯に乗せてみました。

ハッキリくっきり見えました

 バリや削りカスにはずいぶん悩まされましたが、もっと早く気が付けば良かったです。

ハンダ付け後の基板と電圧です。

　ここで、失敗が一つありました。

　最初は、ローノイズを期待して2SK2394を使ったのですが、いつもの癖で下のドレインとソースを反対にしていました。

 　Nch-JFETは、構造上ドレインとソースは同じと聞きかじっていました。実際に、J310はデータシートに交換可能と書いてあります。

　そんなわけで、2SK2394もそうだろうと思い込んで反対にしていました。

　ところが、電圧をチェックすると1V近く違っていました。　誤配線を疑って突っ突きまわしている内に、壊してしまいました。

　改めて、反対にしてシミレーションすると確かにソース電圧が違います。2SK2394はしっかりと極性があるようです。

　結局、J310に交換しました。

　黒ズミは、エナメル線の被覆剥がしに使った溶剤と銅箔の化学反応のようです。洗っても落ちませんでした。あとで、防湿材を塗っておきましょう。

AD370の下に括りつけました。

Kiwi SDRのスペクトルとウォーターフォールです。

　ノイズは少しだけ少ないですね、エレメントはもっと長くても良さそうです。

　ループアンテナ三兄弟の内、LZ1AQ型にはお休みしてもらい、クラス替えをして様子を見ています。

・AD370 Active Dipole

http://ja7kbr.proxy.kiwisdr.com

・AG5RT Rx Loop

http://21344.proxy.kiwisdr.com

・AD Datongインスパイア系

http://ja7kbr2.proxy.kiwisdr.com

・R&S HE011

http://ja7kbr.proxy.rx-888.com:8073

・AG5RT style CPH3910

Web-888 Local

　チョコチョコいじると訳が分からなくなるので、正月の間はこの構成で行きたいと思います。

　今月初めに腰を痛めて仕舞い、送信用アンテナが不調のまま年を越すことになったのが、ちょっと残念です。

―・・・―　

今年もいろいろありがとうございました。

来年もよろしくお願いいたします。

良い新年をお迎えください。

受信用ループアンテナ三兄弟

 10月初旬にAG5RT Markさんが公開された、ループアンテナにすっかり嵌ってしまいました。

　 Kingタイプと呼ばれるシールデッドループのスリット部分に、誘導性のNFBを掛けたコンプリメンタリーペアのアンプを内蔵するという、斬新なデザインです。

 こう云うのを見ると居ても立ってもいられません。hi

　オリジナルは2N3904/2N3906を使っていますが、秋月電子通商で買える、HN1B01FというNPN+PNPのデュアルトランジスターを使えば、特性合わせと小型化の一石二鳥が狙えそうです。10月中旬、さっそく真似して作ってみました。

　最初は同軸(5D2V)のシールデッドループでしたが、非常に良い手ごたえが得られました。

　そうなると、どうしてもオリジナルのような、ループに内蔵するスタイルを試したくなります。

　ヨーロッパやアメリカでは、"PEX-AL-PEX"構造のパイプが給湯用などに多用されているそうです。工事現場を通り掛かったときは目を凝らすのですが、残念ながら見たことがありません。

　ずいぶん迷ったのですが、某密林で"なまし銅管-12X1.0X10M"に大枚をハタいて仕舞いました。hi

　3mを切り出して、直径約1mのループにして作り直したアンプを内蔵したのが、前回のポストです。

 　なお、アンプの特性は、もともと中波やローバンドを意識しているようです。実物のプロットです。

　アンプの後ろに、20dBのアッテネータが入っています。

　VNAとの整合を取っていないので、高SWRは想定内です。また、カーブはノイズレスフィードバック用のインダクタでかなり操作できます。

　その後、フォーラムのやり取りではM0AYFの差動型アンプのコンプリメンタリー版も提案されました。

　追加で、更に3m切り出して試して作って見ましたが、あまりパッとしませんでした。

シミュレーションでは、ゲインが高くIMDも多くなりました。

HN1B01Fには荷が重いのかも知れません。

　周波数特性は良いので別の石で仕切り直したい気もします。

　二三日放置したら真っ黒になったので慌ててペンキを塗りました。

　さて、パイプがもう3m残っています。

　せっかくなので試したのが、トロ活の定番2SK125 x2アンプのSMD版です。

　今まで幾つか作りましたが、良い結果が得られています。

CPH3910Nを使うと、小型化と高ゲインが狙えそうです。

特性は素直です。

アンプの後ろに、20dBのアッテネータが入っています。

　頭にコネクタを付けると、そのまま直下型アンプになるので、その内いくつか作ってみましょう。

11月下旬、三兄弟が揃いました。

17時前ですが、暗くなりました。

スカイツリーと富士山の一部が見えます。

10年前は良く見えたのですが、いつの間にか建て込んできました。

　Kiwi SDRにつないで、WSPRを解読して比較したいと思います。

　12月初旬、どうしてもM0AYF変形版が見劣りするため、3月に作ったLZ1AQ型と交換しました。

　入れ物が難ですが、一般的なWSML(ワイドバンドスモールループ)型と云うことになります。

　実は、屋上に置いてあった65Cmφループから外してきたのですが、そのときに腰を捻って、手直しやメンテナンスが出来なくなってしまいました。

　結果的に、それなりのタイムレンジでの比較ができたのは、怪我の功名かもしれません。(負け惜しみです)

　と云うわけで、25日間のWSPR解読数です。

#1,2,3は、銅管直径約1mの同じエレメントです。

・1のAG5RTは、解読総数トップでした。　KiwiがBC帯で飽和するため、弱めのBCリジェクトが入っています。アンプの特性が中波とローバンドよりなので、ハイバンドが2に負けています。

・2のAG5RTスタイルFET版は、長波も良く入ります。

・3のLZ1AQスタイルは、帯域全体に凸凹があるようです。発振気味かもしれません。要チェックです。

・4のAD370はバランスが良いです。21MHzの解読が少ないのは、SDR特有のエイリアシングと思われます。数日前に、30MHzのLPFを入れて様子を見ています。

　また、BC帯にIMDが見られました。アドバイスを頂いて、左右のエレメントを1kΩで短絡してみました。ゲインはガクンと低下しましたが、SNはほぼ変わらないようです。

　併せて、バッファ段のエミッタ抵抗が焼ける傾向があるとの事でしたが、特に問題は見られませんでした。想像ですが、原産国イギリスと日本の電源事情の違いかも知れません。

 さて、ちょと不思議なのは、Kiwi SDRのSNRスコアです。

今朝のリストでは、我が家のナンバーワンが日本の最下位になっていました。orz

長野の方はSNR未測定のようです

　本当に聞こえないのか？と言うと、そんな事はありません。

　常時受信している8.006MHzのJG2XAの今朝のSNR比較です。

　左端のAG5RTのノイズ(ピンク)が低いため、ピーク(緑)との差分(白)が一番高くなっています。

　右端の二つ、電圧型のアクティブダイポールはノイズレベルが高くなっています。

　ノイズの様子は、ウォーターフォールの方が良く分かります。

　5台のSDRを並べてみると、真ん中のLZ1AQ型の20MHz辺りのざわつきが目立ちます。要確認です。

　右端は、AD370に触発されて昨日作ったばかりのアクティブダイポール(2SK2394と2SC3357使用)です。

　

　つらつら考えてみると、「雑草という名の草は無い」との至言があります。はた迷惑なインバーターノイズも、アンテナと受信機にとっては忠実に受信すべき、りっぱな信号なのかも知れません。低スコアは私の受信環境を顕しているのでしょうか？

　1から4は、Kiwi SDRとWeb888のサイトで公開しています。

AG5RT Loop _ IDF amp  

 http://ja7kbr.proxy.kiwisdr.com

AG5RT Style  Loop_FET amp

  http://21344.proxy.kiwisdr.com

1mφ  Loop_LZ1AQ Style amp

  http://ja7kbr2.proxy.kiwisdr.com

AD370 Active Dipole

  http://ja7kbr.proxy.rx-888.com:8073

興味のある方はアクセスしてみてください。