針金4箇所曲げるだけの高利得な謎アンテナを作る

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)

Resolvi projetar e testar essa antena, que é uma colinear de 2 elementos de 1/2 onda, ou ainda, um dipolo de onda completa, alimentado por um transformador de impedância feito por uma linha de 1/4 de onda, exatamente como na antena J. A diferença para a J é que em vez de apenas um elemento ativo de 1/2 onda, são dois elementos de meia onda alimentados pelas pontas próximas, em oposição de fase, o que, para um observador distante, corresponde a dois dipolos de meia onda alimentados em fase. Pode ser considera com sendo um duplo J, ou ainda, uma antena duplo Zeppelin !

私はこのアンテナを設計してテストすることにしました。これは、アンテナとまったく同じように、1/4波のラインで作られたインピーダンストランスから電力を供給される、1/2波の2エレメントのコリニアまたは全波ダイポールです。 J. Jの違いは、アクティブな1/2波要素だけでなく、近くの先端から供給される2つの半波要素が逆位相であり、遠方の観測者にとっては2つの双極子に対応することです。 同相で給電される半波。 これは、ダブルJ、またはダブルツェッペリンアンテナと見なすことができます。

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。

新しい針金曲げ曲げアンテナを作る 1
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。

新しい針金曲げ曲げアンテナを作る 2
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。

新しい針金曲げ曲げアンテナを作る 3
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。

新しい針金曲げ曲げアンテナを作る 4
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。

新しい針金曲げ曲げアンテナを作る 5
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。

新しい針金曲げ曲げアンテナを作る 6
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。

新しい針金曲げ曲げアンテナを作る 7
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)

新しい針金曲げ曲げアンテナを作る 8
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。

新しい針金曲げ曲げアンテナを作る 9
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。

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