「針金4箇所曲げるだけの高利得な謎アンテナを作る」の続編です。
ようやく待ちに待ったSMA端子が到着したので、これで一気にアンテナの製作を進めることができました。(これは先週の話です。)
今回は前回の失敗を踏まえて、カラー針金ではなく、正真正銘の銅線を使うことにしました。この銅線をSMA端子に接続し、U字型アンテナの部分にしっかりと接触させる予定でした。しかし、意外なことにこれが全くうまくいきませんでした。接触不良ではないかと疑い、しっかりと一周巻きつけましたが、やはり特性は不安定なままでした。ハンダ付けも試しましたが状況は変わらず、あらゆる方法で固定を試みたものの、効果はありませんでした。
最終的に判明したのは、アンテナの特性が落ち着かない原因は前回使った連結パーツにあるようだということです。(例の白い部品です。)
そこで、連結パーツはアンテナ本体に直接使用せず、アンテナ支柱の2本を接続するためにのみ使用することにしました。この支柱は園芸用のものを利用しており、グラスファイバーに青い樹脂がコーティングされたものです。アンテナとの接触部分の樹脂は剥がして、グラスファイバーに直接触れるようにしました。グラスファイバーは絶縁体ですが、これでアンテナの特性は安定しました。固定には細い結束バンドを4本使い、SMA端子からアンテナ本体への接続、つまり給電部には家庭用の電源ケーブルを使いました。理論上、並行フィーダを使うより性能が劣るはずですが、なぜかこの方法の方が安定したのでそのまま採用しました。
給電部に関しては、アンテナ上側(写真では右側)の接続が150mmのエレメントからやや遠く、下側(写真では左側)はエレメントに近めに配置しています。この下側の接続を150mmエレメントから遠ざけると、急激にアンテナの特性が変化することが分かりましたが、その理由はまだ不明です。そのため、調整は下側の接続部を先に固定し、上側の接続部をずらして行いました。
防水対策としては、SMA端子周辺を熱収縮チューブと自己融着テープ、さらにビニールテープで保護し、給電部は自己融着テープとビニールテープで処理しました。アンテナ本体のアルミ棒はあえてむき出しにしています。
アンテナを屋根の上に設置しました。アルミ棒でできたアンテナ本体は、写真では黒い線のように見える部分です。そのアンテナを支えているのは塩ビパイプです。塩ビパイプの上部にはLNA（低雑音増幅器）とバンドパスフィルタ、USB接続のRTL-SDRチューナー本体が入った筒があります。この太い筒から出たケーブルが、偶然にも筒の上側に引っかかってしまったのですが、肉眼では気づかず、写真を確認して初めて気づきました。(視力が悪くて、屋根の高さまでは見えなかったのです。)
アンテナのマストが塩ビパイプというのも失敗でした。少しの風でもかなり揺れてしまいます。すぐに改善は難しいですが、後々金属製のパイプに交換して揺れを抑える予定です。ケーブルの引っかかりもその時に直そうと思っています。
アンテナ設置前に行った測定は、アンテナからバンドパスフィルタとLNA直前までの間のコネクタ部分です。SMA端子から測定ポイントまでは、約51cmのRG59ケーブルを使って測定しました。インピーダンスが低下するのは1075MHz付近で、1090MHzから少しズレていますが、許容範囲内と考えています。(以下、画像2枚)
590〜1590MHzという広い範囲での特性を確認しました。右側のグラフで青い線がSWR、赤い線がインピーダンスの抵抗成分です。NanoVNA V2を使用し、1000MHzの範囲で100箇所を測定したため、1090MHzジャストの周波数は測定できず、1095MHzにマーカーがあります。この1095MHzでインピーダンスは50Ω、SWRは1.13でした。
範囲をさらに狭めて940〜1140MHzで測定した結果、1090MHz付近ではインピーダンスが50.9Ω、SWRは1.03でした。以前のように測定なしで適当に作ったアンテナでは、ここまで良い結果は出ません。ただ、SWRが低いからといって必ずしも良いアンテナかはまだ分かりません。
今回、新しいLNAとバンドパスフィルタも導入したため、性能向上に期待する一方で、少し心配な面もあります。
写真左側がLNA、右側がバンドパスフィルタ、奥に見えるのがLNAに150mAの電流を供給する定電流ダイオードとACアダプタを挿すためのソケットです。(前回の写真を流用しています)
実際に使用してみると、動作自体は正常でした。LNAの写真には40dBの増幅率が記載されていますが、1090MHz付近では30dB程度です。これが過剰なのか、ADS-Bでは300〜100kmの遠くの航空機はよく捉えますが、50km以内の近くの航空機が消えてしまう傾向が見られます。近くの強い信号が飽和して壊れるのでしょうか？もしかすると、アンテナが良好な場合はLNAなし、または10dB程度の増幅で十分かもしれません。
設置後18時間ほどのデータで更新されたカバレッジを確認しました。地図上の同心円の中心は白で塗りつぶされています。
以前使っていた「なんちゃって同軸コリニアアンテナ」のカバレッジと大差はありません。理由は、アンテナが設置されている実家周辺の地形による「期待される見晴らし」がこれ以上の改善を妨げているからです。ただし、前回のアンテナでは3日ほどかかって得られたカバレッジが、今回は数時間で同じ形状を得られました。ここにも、遠くの航空機を捉える性能が向上していることが表れていると思われます。
とはいえ、近くの航空機の信号が壊れる現象のためか、北北東、南東、西の3方向ではカバレッジが全く埋まりません。この方向は地形的に遠くの航空機を捉えるのが難しく、近くの航空機が飛ばない限り、カバレッジは広がりません。しかし、その近くを飛ぶ航空機の信号がうまく受信できない状況では、いつまで経ってもカバレッジが埋まらないという問題が残ります。