がとらぼ

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「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。

ADS-Bのアンテナとしてなんらの測定無しで作った同軸コーリニアアンテナが2つ。内1つは使用中。机上の計算と精度の低い工作で測定無しだと当然だけど性能は不明。以前に買った中華アンテナよりはよく受信しているので全くの失敗ではないんだろうけど、ちゃんと作って測定しながら調整すればもっと良くなる筈。で、測定用としてNanoVNA V2を購入。 また、同軸ケーブルを継ぎ足して作るコーリニアアンテナじゃなくて針金曲げ曲げなコーリニアも検討していたが、ググっていたら興味深いアンテナを見つけたのでそれを試してみようと思った。

https://www.qsl.net/py4zbz/adsb.htm このページの下の方にある「Antena colinear de 2 elementos de 1/2 onda 1090 MHz.」という針金を3〜4箇所曲げただけのやつ。
曲げる箇所が少ないということは精度の低い工作しかできない人にとっては好都合。そして、とてもコンパクトで高利得。針金は50cmのものが1本で足りる。それで9dBi。同じ利得のアンテナを同軸コーリニアで作ろうと思うと8段程度になるかと思うけど、これだと1段あたりの僅かの狂いが全段では大きな狂いになる。(受信だけならテキトーな作りでもそれなりのようだが)

元記事に書かれているポトルガル語は1㍉もわからないのでGoogle翻訳さんに日本語にしてもらった。わかるようで解らない文章だけど普通の2段コリニアでもダイポールでもなく、ダブルJポールアンテナ or ダブルツェップアンテナらしい。確かに給電部はJポールアンテナと同じに見える。ツェップアンテナは良く知らない。

アンテナの針金の素材は何が良いかと思ったが、元記事の人は直径1.8mmの銅の針金にしたらしいので真似ようとホームセンターで探したが、銅の針金って殆ど無いのね。おそらくもっとも簡単に入手しようと思ったら家の電気配線に使う太いケーブル。あれは中が太い銅線。ただし、柔らかくグニグニ曲がってて、意外と高価。ちょっと買いたくない。
で、細いけど見つけたと思って購入したのが写真の「カラー針金　ドウ」。いや、周りが真鍮だとかアルミだとかの各種素材のワイヤーだったのでこれもその1種類だと思ったわけ。そしたら、こいつは普通の針金に銅色のPVCの皮膜が付いただけの銅素材とは縁もないものだった。「カラー針金」って書いてあるところで気付けば良かったんだけど、買うときには気が回らなかったのよね。
騙されたわ。

まぁ、針金なら電気を通すのでアンテナとして使うことはできる。今回はあくまでも実験用なので気にしない。書かれている寸法150, 69, 8, 69, 150mmで針金を曲げて、同軸ケーブルの芯線と網線を引っ掛けて給電部とする。この時点でハンダ付けで固定はしない。
判ったことは、給電部になる針金と同軸ケーブルの芯線・網線の接触部をズラすことで簡単に調整できること。
同軸ケーブル(芯線・網線)との接触部を150mmエレメントに近い側に寄せるとSWRのV字型に下がる部分の周波数が上がる。接触部を150mmエレメントから離すとSWRのV字型に下がる部分の周波数が下がる。今回は1090MHz辺りでSWRが一番下がるようにズラしてやる。インピーダンスが50Ωになる調整方法は具体的にどうしたらってのは判らないけど芯線・網線の接触位置を微妙にズラし続けるとなんとなく合う位置があることがわかった。おそらく、そこで固定してしまえば良いのかと。

実験用の針金は細いし柔らかい素材なので、それをアンテナには出来ない。(すぐに曲がって壊れる)
そこで、別途アルミの3mm丸棒1mを購入した。硬めの太さのある銅の棒(またはパイプ)は見つからなかった。アルミ棒も針金の太いやつといえばそうだけど、ある程度の硬さがあって「棒」として売られているので基本まっすぐ(グニグニしていない)。1mあるので今回のアンテナが2つ作れる。
それと、アンテナを固定するためにハンガーネットの連結パーツというものを購入してみた。直径4mmまでの棒が8〜10mmまでの間隔で2本平行に固定できる。

連結パーツの中はこんなの。アルミ棒に紙などを巻き付けてこの連結パーツを通せば良いかなと。付属のネジは使わないで接着にするつもり。

針金を曲げて連結パーツに通すとこんな感じ。3mm穴の丸型圧着端子を通して同軸ケーブルの芯線と網線を取り付けた。これでズラす位置調整がとても簡単に。ただし、この丸型圧着端子は本番でも利用するかは未定。現在は直接同軸ケーブルにつないでいるけどSMA端子を付ける予定。でないと給電点(至近)でのキャリブレーションができないから。
しかし、そのために注文したSMA端子が1.5ヶ月経っても届かない、困った。

現在は丸型圧着端子はこんな感じ。(圧着端子だけど仮留めだけで圧着はしていない)
これをこのまま屋外で使うと雨一発でアウトっぽい。配線をどうするか悩むところ。また、アルミ棒に位置固定のためにハンダ付けするとハンダの盛り具合で特性が変わりそうで怖い。ハンガーネットの連結パーツに接着する方が良いかしら？連結パーツも取り付けの有無、取り付け位置、支持保法によってアンテナの具合が変わるのでこれ自体も扱い要注意。連結パーツに手で触れただけで大きく変わるとは予想してなかった。

2020年9月23日追記:
この記事で引っ張ってきた連結パーツだが、アンテナの針金の固定用として使うとアンテナ特性がとにかく落ち着かないことが判明。測定したときにちょうど良くてもしばらく放置してもう一度測るとSWRのグラフでVの字の底だったはずの周波数が山の上みたいな。少しズレるとか可愛いものじゃなくてバタバタ変わる。そこで、アンテナの支柱の留具として流用することに。アンテナの固定方法は次の記事で。

NanoVNA V2でこのアルミ棒アンテナを測ってみた。1090MHzを中心として前後100MHzの狭い範囲しか表示していないので青線のSWRがのV字型の底の部分しか見えない状態で1090MHzのSWRは1.13、ちょっと1090MHzが浮いているのでもう少し下がる余地があるかもしれませんがまぁこんなものでしょう。インピーターンスは50Ωちょうどではないけど近いくらい。これももう少し頑張ればちょうどの位置にくるかも。(どうすれば良いのかは理解していない)

590MHz〜1590MHzに拡げてみた。今度は右のグラフの赤線側が SWR で1.13、青線が Z_re (インピーダンスの抵抗成分で良いんだよね？)で48.7Ω。なぜか左下の周波数表示が1425.00MHzになってるけど、表示しているのは1090MHz。これは画像を加工したわけではなくアプリケーション側がバグってるっぽい。

右が新しいバンドパスフィルタ1090MHz(±15MHz)用。左がLNAで、名目は40dBだが1090MHzで35dB程度。奥側がLNAに電源供給で150mAにするための低電流ダイオードとACアダプタを接続するソケット(ジャック)。目ざとい人ならDCジャックのGND側がシャントの方とつながっているのを見つけたかもしれないが、一応短絡している。LNAの35dBが増幅しすぎなら電圧を標準の12Vから少し下げてやれば良いらしい。ただし、使える電圧の範囲が書いてないのでどの程度下げれば良いのか判らない。試してみるしかない。

とりあえずアンテナ設置のための準備は進んでいるが、はたして強風に耐えるアンテナの固定方法を具体的にどうするか、SMA端子はいつ届くのか。実家の屋根にいつアクセスできるか。秋を通り越して冬だともう無理だから来年春以降になっちゃう。