JL1NIE ’s blog

趣味のアマチュア無線やプログラミングについて徒然と。

アンテナのシミュレーション(その2)

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誘電体上のパターンでエレメントを作ってみる

 OpenFDTDを使って前回に引き続きパッチアンテナのシミュレーションをしています。今回はプリント基板上のパターンでエレメントを形成してシミュレーションしてみました。プリント基板の素材はFR-4。誘電率4.34としてシミュレーションしています。

 誘電率から短縮率2.08(=√(4.43))となるのでパッチの1辺は50mmほど。ずいぶんコンパクトになりますが、それなりのゲインになってしまいました。

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コンパクトなので200mm x 100mの基板でアレーにもできますが、ゲインはやはり今一つです。

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結論

 いくつかシミュレーションを重ねてみましたが、安価な200mm x 150mmの紙エポキシの片面基板をグラウンド板として、104mm(X軸) x 100mm(Y軸)の厚さ1mmの真鍮板(モノタロウや きりいた.comで入手)を5.5mmの高さに置く構成が良さそうです。給電点はパッチの中心からX軸方向に21mmの距離にあります(中心から離れるほどインピーダンスが高くなります)。

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 リターンロスも1295MHzで-30dB近くになりました(あくまでもシミュレーションなので目安です)。

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 ゲインは9dBiほどになりました。偏波面はX軸方向を縦にすると垂直偏波となります。グラウンド板の余白をX軸方向を多めに取ることで垂直方向のパターンが若干絞られるようになっています。 

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作り方

・片面基板と真鍮板の中央にM5程度の穴をあけ、5mmのスペーサにワッシャ等をかましてM5ボルトで固定。ワッシャの枚数で高さを調整する。(高くすると中心周波数が下がり、低くすると逆に上がります)

・片面基板の中心から21mm下の位置にパネル用のSMA-Jを固定。同じく真鍮板の中心から21mmの箇所に穴をあけ、錫メッキ線等でSMA-Jと接続。

さいごに

 いろいろシミュレーションしてきましたが、残念ながらまだ1200MHz対応のアナライザを入手できていないので製作は先になりそうです。アナライザさえあれば比較的簡単に作れそうですので、どなたかチャレンジしてみて下さい。
(シミュレーションしかしていないので責任は取れませんが、、、:-P)

参考文献

作ろう!お手軽UHFアンテナ大研究

 

おまけ

本アンテナを2枚パラにするには以下のようにQマッチを使ってインピーダンス変換するのが良いと思います。

・15cm位x2本のRG316の片方を各々のアンテナに繋ぎ、反対側をSMAのT型分配アダプタに接続(分配アダプタの先のインピーダンスは25Ω)。

・Qマッチの伝送線路の特性インピーダンスを求める。
 Zin * Zl = Z0^2となるのでZ0 =√(50 * 25) = 35.4Ω

ここらへんで計算してみる。FR-4の1.6mmの両面基板でストリップラインの幅5.15mm、長さ31.3mmぐらいにパターンを剥がして両端にSMA-Jを取り付ける。

・上の基板の片側に分配アダプタをもう片方は通常の50Ωの同軸を取り付けて完成。

 

筑波山(JA/IB-003)

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 1200MHzの富士山S2Sパーティが開催される連休の中日、SWL(MWL?)で参加すべく筑波山アクティベーションしてきました。

 朝6時半に家をでて筑波山ロープウェーの麓についたのが8時半近く。ロープウェーが動き出すのを待つか一瞬悩みましたが、やるき満々の2ndにほだされ歩いて登ることにしました。

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 途中こんな奇岩もあり楽しいコースですが2ndのペースについていけず、いつものようにバテバテ。

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 麓から1時間15分で山頂に到着。狭い山頂は連休ということもあり沢山の人でごった返しておりアクティベーションできる状況ではありません。

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 ちょっと下ったところに空き地を見つけアンテナをセットアップ。Biquadアンテナはとても目を引くようで、登山にいらしていた無線家の方もスマホで写真を撮られていました。

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 各局先に登られたJG1BOK局とのS2Sを済ませtwitterのタイムラインには300km越えの報告もありました。次のJG4LCS局のアクティベーションを待つ間、HFからQRV。残念ながら、あまり伝搬状態は良くないようです。

 再度1200MHzのSWLに戻ると、伊豆は魂の山からQRV中のJS2VVH局が聞こえてきました。ちょうど良いのでBiquadアンテナのビームパターンをみてみるとかなりブロードで使いやすいアンテナのようです。

 タイムラインを見るとBOK局が再度QRVされている様子。ワッチしてみるとばっちり入感しています。QSOのお相手からするとこちらはサイドの様ですが問題なくコピーできます。ハムフェアでゲットしたヘンテナで運用されていたようですが、コンパクトな割には侮れないアンテナのようです。

 そろそろ2時間近く経ち2ndも飽きてきたようなので、ここで下山することにしました。帰りはしんどいのでロープウェーで下山しました。

 残念ながら変更申請が間に合わず、今回の富士山S2SパーティはSWLとなってしまいましたが、1200MHzの面白さが良くわかる楽しいイベントでした。次回は是非S2S QSOを狙いたいとおもいます。

 

 

アンテナのシミュレーション(その1)

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はじめに
 ハムフェアで購入したDJ-G7、変更申請で送信機番号を間違えたおかげで補正依頼が出てしまい未だに審査中の状態です。この間に1.2GHz用のパッチアンテナの設計を電磁界シミュレータを使ってやってみることにしました。

準備

 アンテナシミュレータではモーメント法を使ったMMANAがポピュラーです。今回は誘電体上のパッチアンテナのシミュレーションをしてみたかったのでFDTD(時間領域差分法)といわれるシミュレーション法を実装したOpenFDTDを使ってみました。各手法の違いについてはRFワールドの特集号に詳細がありますのでそちらをご覧ください。

 まずはこちらの記事を参考にインストールします。OpenFDTDはNVIDIAのCUDAライブラリに対応しておりGPUをお持ちの場合はシミュレーションを高速化できます。自宅PCには旧世代のGPUですがGTX980が搭載されているため、こちらからCUDA 10.1と最新のドライバーをインストールしておきました。

モデルを作ってみる

 まずは単純なパッチアンテナから作ってみました。通常、テフロン基板など誘電率の低い基板の上にパターンを切って作るようですが、手始めに真鍮板を切ってグラウンド板の上に載せる想定でシミュレーションしてみました。

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 上図でX軸方向が104mm、Y軸方向に100mm、凡そ1295MHzのλ/2となっています。グラウンド基板との距離は5mm、給電点は中心からX軸方向に19mmオフセットしています。グラウンド基板は300mm x 300mmとかなり大きめにとっています。シミュレーション領域も300mm x 300mmとし周囲にPML(Perfect Match Layer)と呼ばれる吸収境界条件を設定し、計算領域が無限の場合の電磁界分布をシミュレーションできるようにしています。

 シミュレーションのメッシュサイズは当初粗目に設定し、シミュレーションを繰り返しながらエレメントサイズや給電位置を決定。結果の傾向を見ながらメッシュサイズを増やしていきました。最終的にはX軸方向を300、Y軸方向を100、Z軸方向を20に分割しています。

 OpenFDTDではシミュレーションの収束条件を全領域の平均磁場・平均電場がピーク時から所定量以下になった時にシミュレーションを終了します。今回は収束判定条件を1000分の1に設定したところ13200回の繰り返しで収束しました。i7-4790@3.2GHz 8スレッドで300秒以上とかなり重たいシミュレーションです。CUDAを使うとかなり高速化されGTX980でも30秒ほどでシミュレーションが完了しました。

 こちらがリターンロスのシミュレーション結果です。1295MHzで-27.5dB、バンド内も-20dB(VSWR≒1.2ぐらい)と優秀です。

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 ゲインは10dBiほど。誘電体の基板の上に載せていないためサイズが大きいですが、おかげでダイポール2.15dBi、ループ3dBiにくらべるとゲインは随分高くなりました(但し実測ではサイドローブなどがでることから6dBi程度になることが多いようです)。

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パッチアンテナアレーのシミュレーション

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 次にパッチアンテナを二つ並べたアレーアンテナをシミュレーションしてみました。本来であればエレメント間を1λは開けたいところですが、A4ファイルケースに入れて運ぶことを前提にグラウンド基板は160mm x 295mm、エレメント間隔は約0.8λ弱(175mm)、としました。エレメント間隔を確保するためパッチ幅は80mmまでスリムにしました(帯域が狭くなります)。また共振点がずれるためグラウンド板とエレメントの距離を6mmにしてあります。

 こちらがリターンロス。若干下側に周波数がずれていますがバンド内で-20dB以下であれば、メッシュの取り方で結果が変わってくるので気にしなくて良いようです。f:id:CentralAttack:20190914035932j:plain

 こちらが肝心のゲイン。エレメント間隔を十分に取れなかったりグラウンド板との距離を取れなかったことからサイドローブが出てしまい、12dBi弱。3dBアップという訳には行かなかったようです。

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 次は若干ヤケクソ気味でエレメント間隔0.8λ(180mm)、グラウンド板までの距離を40mmとした豪華4ele版です。グラウンド板が340mm x 340mmもあり、あまり持ち歩きたくないサイズ。

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リターンロスもまあまあ。

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ゲインも14.6dBiまで出てきました。

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OpenFDTDではアンテナの近傍界も表示することができます。Z=5としたパッチアンテナの電界はこちら。パッチの端部が最大振幅となる電圧定在波が発生していることがわかります。

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こちらはX=80としてアンテナを輪切りにした電界分布です。

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 あとは各々のアンテナをストリップラインで作ったQマッチ等でマッチングすれば使えそうですが、大きさとゲインとのトレードオフが微妙なところです。次は誘電体にエレメントを作ったらどうなるか、もう少しシミュレーションを続けてみたいと思います。(つづく)

ハムフェア2019

今年もハムフェアに参加してきました。今回の目玉は直前に噂が入ってきたこれ。

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 HF~430MHzまでオールモードで固定にも移動にも使えるリグが登場したのは個人的には大変嬉しいところです。重さがバッテリー込1kgもあるのと、消費電力が未公開なのが気になりますが、最近自宅で100W出すこともないし固定機をこれにしても良いかもなどと妄想していました。

 今年のハムフェアは例年にくらべ参加者が多く、特に初日の午前中には大変多くの方にSOTAブースに訪れていだたきました。チェイサー各局とお会いできるのを毎回楽しみにしているのですが、今回JA有数のチェイサーJA1VRY三嶋OMとお会いできたのが大変嬉しかったです。

 初日夜は恒例のSOTA宴会。今回はオーストリアからOE5JFE Joeさんをお迎えしました。JJ1FJKのコールで利尻富士大雪山をアクティベートされてきたとのこと。しばらく日本に滞在され南アルプス甲斐駒ヶ岳アクティベーションされるとのことでした。

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二日目はAirHamLogの開発者JJ1SXC 森川さん(写真左端)とアイボールすることができました。

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 TurboHAMLOGのログ変換でtwitterでは何度かやりとりさせていただいていたのですが、お会いするのは初めてです。登山が趣味で実はJH0CJH局とは先日山でQSOしたばかりとのこと。SOTAにもお誘いしておきました。

 AirHamLogのお話を伺っているとご自分もユーザとしてシステムを使い込み、物凄い勢いで開発を進められているようです。今後も是非応援したいと思います。

 ところで最近SOTA日本支部では1200MHzがブームになっています。SOTAにはMicrowave Awardsという交信距離を競うアワードもあり、各局、山岳移動に向けて個性的なアンテナを製作され日々記録を更新されています。

fbnews.jp

ブースではアナライザを持ち込み、持ち寄った1200MHzのアンテナの特性を測りアンテナ談義中。

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そんな皆さんに背中を押される形で当局も新しいリグをゲットしました。

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 かなり値引いてもらったので、横で話を聞いていたJH0CJH局も私の領収書を持っていて「同じ物を下さい」と衝動買い。SOTA日本支部内で一気に1200MHz人口が増えました。
 その後、メンバー総出で秋葉原無線部さんのブースへ走り1200MHzのヘンテナをゲット。アンテナの固定にはセミリジッドケーブルがいいだろうとジャンク屋を巡り、最後はアナライザで計測して当たりだの外れだのSOTAブースは大騒ぎでした。

  9月15日には富士山JA/SO-001のアクティベーションが予定されおり、SOTA山各峰からS2Sを狙うとのこと。変更申請が間に合うかかなり微妙なところですが万全の体制で臨みたいと思います。

 ハムフェア2019、皆様のおかげで二日間楽しい時間を過ごすことが出来ました。ご訪問いたいだた皆様ありがとうございました。

SOTAデータベース用ファイル生成ツールの開発

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 SOTAデータベースへの登録用CSVファイルをHAMLOGが出力したCSVファイルから生成するシステムを作ってみました。※最近話題のAirHamLogのインポートファイル作成の追加機能として作ってみました。AirHamLogへの変換方法はこちらのヘルプを参照して下さい。

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SOTAwatchLiveのサーバ管理

 昨日、一日近くに渡りSOTAwatch Liveの更新とTwitter@SOTAwatchspotJAのフィードが止まるという障害がありました。原因はアラートやスポットを提供するAPIのアドレス変更でした。以前は色々な情報源からWebスクレイピング等でデータを集めていたのですが、最近は全てのをデータをこのAPIに頼っているので全てのサービスが止まってしまいました。

 自宅のRaspberry Piで運用していたころは環境が環境だけに(居間の片隅に置いてあって子供が蹴飛ばすこともしばしば ^^;;)、サーバーのモニタリングをきちんとしていたのですが、Amazon Lightsailに移行してからはサボっていたのでこれを機会に始めることにしました。

 モニタリング環境は以前から愛用しているMackeralを使いました。これでLightsailとの接続性やリソースのモニターはできるのですが、SLIPPERの動作まではモニタできないため、APIとの接続性や現在のアラート・スポット数、APRS利用局数・パケット受信数をモニターするMackeralの管理エージェントを作り監視しています。この記事冒頭のグラフではこれらをリアルタイムで表示しています。

 APIとの接続ができないといった重大な問題が発生した場合は以下のようなメールが飛んでくるようになりましたので、これからはもう少し早めに対処できると思います。

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SOTA愛好者の皆さま、これからもどうぞよろしくお願いします。

 

移動用ログ生成ツール 「FLE Online」

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はじめに

 SOTAアクティベーションのログはこれまで紙に手書きしていました。とても悪筆なため自宅に帰ってからログをみるとコールサインが判読できなかったり、HamLogへの入力など億劫なことが多く、SOTAデータベースへの登録が遅れることもしばしばでした。

 現在はまだ試験運用中ですが、SOTAデータベースもスマホのGUIでも使えるようになってきています。
スマホ環境だけでログの入力からデータベースへの登録ができると便利そうですが、残念ながらSOTA/JAFFのログ生成までやってくれるログ入力ソフトは見当たりません。

 WindowsではFLE(Fast Log Entry)という、コンパクトなログ入力からSOTA用CSVファイル、WWFF用ADIFファイルまで生成してくれる優れもののアプリがあります。ただ残念なことにスマホ版がありません。

www.df3cb.com

 そこで夏休みを利用してSOTA/JAFF移動運用向けに、ブラウザからオンラインでFLEの必要最小限の機能を使える「FLE Online」を作ってみました。

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蓼科山(JA/NN-031)

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 夏休みを利用して八ケ岳の蓼科山に行ってきました。夏休み中盤がノロノロした台風で潰れてしまいそうなため、急遽前日夕方に企画。Facebookでみた友人の撮影した蓼科山の雲海がとても素晴らしかったため前泊して登ることにしました。

 夜20時過ぎに自宅を出発。中央道も下りは空いており0時ちょっと前に七合目登山口前の駐車場に到着しました。登山口前は既に満車に近いですが手前の駐車場はまだガラガラでした。リアウィンドウから星空を眺めながら寝袋にもぐりこみました。
 翌日は5時半に出発。目の前の蓼科神社の鳥居が七合目登山口です。

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一時間半ぐらいで将軍平に到着。目指す山頂まであとわずか。ここからは登山道にごつごつとした岩があり正直疲れました。

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山頂間近、振り返ると素晴らしい雲海の景色が広がっています。

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やっとのことで山頂に到着。

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さっそく木陰に今日のシャックを展開。暑さが苦手なKX2は木陰に。

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アンテナはいつものEFHW。14-18-21MHzはトランスのみでチューナがいらないので行ったり来たりが楽です。最近はハイバンドが今一つなので7-10MHz用に外付けチューナも持ってきています。

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 まずは14MHzからCQ。国内もそこそこ開けているようで、SOTA仲間各局からコールいただきました。QSBが強いですが久しぶりにZLからもコールいただけました。
スポットを確認すると18MHzでZL1BYZ局がZL1/AK-018をアクティベーション中。QSBの底では若干厳しいもののどうにかピックアップしていただけました。更に7MHzに降りて、武川岳(JA/ST-018)をアクティベーション中のJP1QECをコール。二つ目のS2Sとなりました。

 もう少し続けたいところですが、今日は夕方までに東京に戻らなければならないので、残念ながらそろそろCL。山頂を散策してから帰路に着きました。

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 今日もコールいただいた各局ありがとうございました。