e02　衛星通信用145MHz/435MHz・２バンド摂動励振クロスアンテナ検討過程 2013/5/8 　de JA1CPA／中村

　　　　　　　　　　　　　　　　　　                         （せつどうれいしん）

　　（JAMSATニューズレターN.278 　無指向性円偏波アンテナ）

旧ホームページ（ホームページ・ビルダー）から移植したので、不具合、文字抜け等が有りましたらご連絡ください。2017/11/20

（145MHz 1/2λクロスダイポール/435MHz 3/2λクロスハーモニック/エレメント位相式/ 435MHzインピーダンス補正用エレメント付き）このアンテナを作りました。　　　　　　　　　
・このアンテナは、マッチングケーブルや円偏波のための位相ケーブル等を使わずに、円偏波※※1 アンテナにして、50Ωの同軸ケーブルを直接 接続できる欲張ったクロスダイポールアンテナです。
　　    このアンテナは、クロスするラジエーターの水平と垂直エレメントの長さを変えて、水平（垂直）エレメントを共振周波数より長くして誘導性にし
　　　　　、垂直（水平）エレメントを共振周波数より短くして容量性にして、９０°近い位相を作って円偏波にし、誘導性と容量性をほぼ同じ値にして目的
　　 　　　の周波数で共振させ、さらに水平と垂直エレメントの長さの差を付ける事によって結果的にインピーダンスが高くなる事が分かったので、この
　　　 　　性質を利用してクロスする部分のインピーダンスを高くし、クロスする２つのダイポールを並列に繫いで、５０Ωにして同軸ケーブルを直接 接続
　　 　　　出来るようにしたアンテナです』
　 　　　　また、145/435MHzの２バンドで使うために435MHzにインピーダンス補正用エレメントをつけて435MHzのインピーダンスを50Ωにしています。

 

アマチュア衛星には、一般的にダイポ
ール又はモノポールが使われています。

 

このアンテナから出される電波は直線
偏波ですが、偏波は衛星の姿勢の変化
によって複雑に水平、垂直と変化しま
す。

 

この偏波が変化する電波を地上で受信
するためには、地上のアンテナを円偏
波にすると変化する偏波に関係なく良
好に受信出来と云われています。

 

アンテナを円偏波にするためには、クロスするエレメントを90°位相差にする必要が有ります。

一般的には、クロスする一本のアンテナに1/4λ長の同軸ケーブルを付けて位相を遅らせる方法が使われます。 

しかし、インピーダンスマッチングと、この位相ケーブルを同時に行うのは簡単ではありません。 

ここでは、クロスダイポールを円偏波にするためにクロスする２本のエレメントの長を変えて位相差を作る方法で行います。

 

すなわち１本のダイポールを共振周波数より長くして誘導性とし、クロスするもう一本のダイポールを共振周波数より短くして容量性にして、

それぞれ±45°とし、合わせて 90°近い位相にして円偏波にすると共に、誘導性と容量性のリアクタンスを同じ値にしてクロスダイポールと

して共振させ、さらに二本のダイポールの長さの差によってインピーダンスが高くなる性質を利用して二本を並列接続して５０Ωにするもの

です。
従って、５０Ωの同軸ケーブルを直接接続することが出来ます。
設計的には大変ですが、一度寸法が決まってしまえばダイポールなので作るのは比較的簡単です。

 

JA9BOH/前川MOがモービル用にシングルバンドの145MHzと435MHzを作って、衛星通信で使っています。（2012/2月～） 

この考え方のアンテナはかなり昔から有ったようですが、理論的根拠については、JH1GVY/森岡OMがホームページ
で公開しています。 

 

１．クロスダイポールを２バンドで使えるか検討（MMANAによるシミュレーション） 

一般的に1/2λダイポールは約３倍の周波数でも共振すると云われています。 

衛星通信で使う周波数は145MHz及び３倍の435MHzで、どちらからが送信と受信になります。 

そこでクロスダイポールの２本のエレメントの長さを変えて位相差を作り、円偏波とすると共に、３倍の周波数でも使えるか検討しました。 

145MHz 1/2λダイポールの給電点インピーダンスは約73Ω、145MHzの３倍の435MHzでは約105Ωとなると云われています。 

シミュレーションで２本のダイポールをクロスして並列接続すると、合成インピーダンスは145MHzでは1/2の約37Ωとなります。 

145MHzの３倍の周波数435MHzではインピーダンスは43Ωとなり、リアクタンスjXは-24Ωとなって３倍の共振周波数はもっと高くなります。 

リアクタンスjXがほぼ0となる共振周波数は446MHzで、インピーダンスは52Ωとなります。　

 

その結果を纏めると図１になります。　
　
図１
 

 
 

 

 

145.0MHzに共振させると446.6MHzにも共振する。
435.0MHzには共振していない。

 

 

 

 

一般に３倍の周波数で共振すると云われていますが、この場合は3.076倍になりました。 

はたして、この状態で145MHz1/2λクロスダイポール/435MHz3/2λハーモニックアンテナとして使えるか疑問が残ります。 

 

２．エレメント位相式の検討（MMANAによるシミュレーション） 

共振周波数を一定にしてクロスする２本のエレメントの長を変えて、
145MHzで共振させながら、クロスするダイポールエレメントの長さの差を大きくして行くとインピーダンス
が高くなって行くと共に、３倍の共振周波数は低くなってきます。" きたー来たー！"不思議なアンテナ！です。

　↓下のグラフ（図２）が、このアンテナが出来る重要ヒントになった。

 

図２

 

これからの検討は衛星通信バンド中心周波数145.9MHz及び436.5MHzで行います。
A 線ポイント（図２) 

145.9MHzでクロスする2本のダイポールを同じ長さにすると、73Ωが2本パラ接続なので半分の37Ωになります。
一般的な145MHzクロスダイポールです。（青線）

 

この状態で、436.5MHでは、ほぼ3/2λハーモニック(高調波)アンテナになるのでインピーダンスは98Ωとなり2本
パラ接続なので半分の49Ωになります。（赤線） 

位相は同相（ゼロ）で、145.9MHz水平方向のパターンはダイポールと同じ8字特性になります。 

436.5MHz水平方向パターンはほぼ四つ葉になります。

 

A線ポイントの状態では、インピーダンスは436.5MHzは良いのですが145.9MHzのインピーダンスが低すぎます。
また偏波も直線偏波です。 

B 線ポイント（図２) 

2本のクロスするアンテナの長さに差を付けて、1本を共振周波数より長くして誘導性とし、もう1本を共振周波数
より短くして容量性にして、位相を付けて円偏波にしてゆくと145/435MHz共にインピーダンスが高くなります。

 

B線ポイント（図２）では、 

145.9MHz, R=41.34Ω, jx=7.33Ω, SWR=1.25, Gain=5.20dB、地上高4m 

436.5MHz, R=61.80Ω ,jX=-7.87Ω, SWR=1.29, Gain=5.23dB、地上高4m
145.9MHz/436.5MHz共に共振周波数よりも少しズレますが、妥協して何とか使える状態になります。

 

パターンは、かなり切れ込みが有り直線偏波に近く、多少楕円偏波になっている程度のようです。 

完全に共振していませんが、ダイポールはインピーダンス変化がブロードなので、この状態で作ってしばらく使っていましたが結構QSO

(衛星通信)できました。
アンテナを回転しないで良いので手軽に出来ます。 

 このアンテナを作ったときのSWRは、145.9MHz,SWR=1.26, 436.5MHz,SWR=1.05 でした。 

 送受の分離はデュープレクサーを入れて行いました。 

435MHzは、水平パターンの切れ込みのためか受信に変動があります。 

145MHzと435MHzのインピーダンスをも少し50Ωに近づけ、リアクタンスももう少しゼロに近づけて、少しでも円偏
波にしたいところです。 

なお、図２の位相角度目盛は、インピーダンスの抵抗成分とリアクタンス成分から想像した概略の値で、こんな
感じと思ってください。 

 

３．435MHzインピーダンス調整用ディレクターの検討（MMANAによるシミュレーション） 

C 線ポイント（図２） 

A線、B線の欠点を少しでも解決したいと検討したのがC線ポイントです。 

クロスする2本のダイポールの差をさらに大きくしました。145.9MHz/436.5MHz共に共振インピーダンスが
高くなると共に、３倍共振周波数は低くなってきました。（これが第１のミソの大発見？） 

145.9MHzは、ほぼ50Ωになりましたが、436.5MHzは約100Ωです。 

これを145MHzに影響させずに435MHzだけ50Ωにすれば良いことになります。 

一般的にダイポールにインピーダンス補正用エレメントをラジエーターに接近して２エレメントにするとインピーダンスが低
くなります。

 

メーカー製の多エレメント八木アンテナでもラジエーターのすぐ近くにインピーダンス補正用エレメントを置いてインピーダ
ンスを補正しているものが有ります。（以下、補正用エレメントと書く） 

この考え方で、435MHz1/2λ×0.9ぐらいのクロスエレメントをクロスダイポールに近づけていろいろ何百回？とMMA
NAでシミュレーションしました。
435MHz付近に共振したクロスエレメントを145MHzクロスダイポールに近づけると、435MHz帯だけインピー
ダンスが低くなって行きます。（これが２つ目のミソ？）
その距離が40mmになったところで50Ωとなりました。145MHz帯には影響しません。 

その結果、145MHz/435MHz・２バンドクロスアンテナ（エレメント位相式、インピーダンス補正用エレメント
付き）が出来ました。 

インピーダンスは145.9/436.5MHz共に50Ω近くになり、共振周波数もほぼ一致させることが出来ました。

 

シミュレーション結果は図３の通りです。 　　　　　　　　　　　　　↓図３　
下図の（435MHz調整用ディレクター付き）を（435MHzインピーダンス補正用エレメント付き）に変更します。

 

　注)エレメント長は、同軸ケーブル半田付け点からエレメント先端までの長さの２倍です。　


       2013/8/24　↑

　　↑↑145.9MHzはほぼ円偏波かな？(パターンの差は6dBです。3dB以内を円偏波と云っている)

 

　　↑↑436.5MHzは複雑な円偏波モドキ？

　　　　　　　↑　145.9MHz 　　　　　　　　　　　　 　　垂直、水平の合算　　　　　　　　　　　　　　↑　436.5MHz


0011　★ 製 作 例　2015/8/27　作る場合は下記を参考にしてください。（これが一番耐久性が有ります）

　

　　　　　　　　　　　　　　エレメント長等の測定は、100円ショップで買ったメジャーを使いました。

　　　　　　↓　↓　寸法図　　(mm)　↓補正用エレメントとする　　　　　　　　↓　↓　エレメントと同軸ケーブルの接続詳細図例
　　　　　　　　　
　　 　　　　　　　　　　　　　　　↑上記のディレクターを補正用エレメントと記します。
　　　 　↓　435MHz　1/2λ（145MHzは1/2λでは無い）　　　　　　　↓　先端の加工
　

　　　　　　　↓　塩ビ管用φ25フランジ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　↓ ↓　エレメント部分に凹を付ける


　↓エレメント506+切り目+470（1m以内）　　　↓　切り目を90°に曲げる　　↓　506エレメントに（長）の印をつける


　↓ 銅線でエレメントを仮固定する（長、短 確認）　↓上右図のように加工する　　　　　　↓　はんだ付けする


　　↓　仮止めを取ってタイラップで固定する　　↓　塩ビφ25キャップ32mmに　　　　　　↓　ラジエーターの凹を作る
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　補正用エレメント（ディレクター）を差し込む　　　↓　中心をはんだ付け

　　　　↑　↑　はんだ付け部（同軸ケーブル）にアクリルラッカースプレー（クリヤー）を吹き付ける
　　　 ↓　キャップを少量の接着剤で仮固定　　　　　　　　　　　　　↓　全　景　コネクターは5D-FB N-J

　　　　　　　　　　　　　　　
★　測　定　
測定は、435MHz1/2λ+435MHz1/2λ×5倍のケーブルを接続して行った。
作ったままの測定結果




★　考　察　
下表の項番7で作りましたが、ほぼその通りになったようです。
塩ビ管用φ25フランジを使ったために、給電部の寸法関係がシミュレーション通りに出来たためと思われます。
このままでも良いと思いますが、少し調整します。（435MHzのインピーダンスをもう少し高くしたい）
この状態で506mm（0.51m）を10mm長くして516mm（0.52m）にします。



★　調　整
　506長エレメントを+10mmして、516mmにしました。




さらに調整しました。 　見えずぎるので、さらに調整したくなる ! ! ! （悪い癖 hi） 　やりすぎて悪くする癖 ! ! !
435MHzのインピーダンスがまだ少し低いので、補正用エレメントを少し上に曲げてラジエーターとの間隔を大きくします。
ディレクター先端を3～5mm上にした。




今回は、100円ショップで買ったメジャーを使いましたが、ダイポールは帯域が広いので大きな誤差は生じないようですが、それでも
435MHz帯はその影響があるかもしれません。今まではノギスを使って±0.1mmの誤差（実際には±0.3mm程度か）のはずです。

　　　　　　　　　フランジとキャップおよびエレメント固定部、先端等を接着剤で固定、防水する。
　
←6mHに上げました。
このフランジ方式は使えます。
多エレメントのラジエーター部分
にも応用できそうです。
（フランジを2個使って合わせる）

2016/8/25 ほぼ1年になります。
SDRを繋いで受信に使っています。

 

 

★ 改めてこのアンテナで ループテストをしました。（8月27日）
FO-29　MEl 78°でループテストしました。
IC-9100/SSB/50Wを使いました。無線機の入り口でデュープレクサMX-72Nで145/435MHzを分離し、435MHzにプリアンプ
No.010（川越無線）を入れました。ただしプリアンプのゲインは15dBぐらいにしています。（購入時点では30dBになっている。
内部のボリュームで可変できる）、同軸ケーブルは5D-FBを約6m（2階シャック）
①El 40°付近から弱いながらカサカサと聞こえてきます。El 60°以上ではっきりと自局のコールサインが聞き取れます。
　ただし、方向によってもっと低くでも聞こえます。（435MHzはあまり円偏波になっていないので）
②通常のQSOでは、相手がビームアンテナを使っているので、こちらの受信はもっと強く、また相手も強く受信できるはずです。
③このアンテナでのループテストは、このアンテナ同志のQSOになります。（これは結構厳しいものが有りますがQSOしています）
④プリアンプを入れた無信号状態でSメーターはS5～6ですが、プリアンプをONするタイミングによって、S9ぐらいに振れることが有
　ります。この状態では、送信のカブリがガサガサと入って、ダウンリンクが確認できなくなります。（理由不明）
⑤相手が居ればQSOで出来たと思います。最近は土日ぐらいしかSSB局はいません。
⑥高度が400～600kmレベルの衛星だとアップ/ダウンがもう少し強くなると思います。VO-52はかなり楽でした。!
その後、AO-85 　435/145MHz 　FM 　EL60以上で確認しましたが、ほとんど受信できませんでした。（プリアンプなし）2015/10/24
XW-2E/Fは、ビーコンはEL20以上聞こえます。QSO/SSBはEL40以上で十分に可能です。（プリアンプなし）　2015/10/28
10/26～27,XW-2E/F,JA2NNF,JA2WDNとQSO/SSB
10/29,1357、AO-85、EL63,JA3FWT,59/59,QSO、EL56,JA4GVA,59/?,コールされて応答したが返事を確認できず。2015/10/29

★　まとめ
①このサイトの始めの方にも書きましたが、通常は、145MHzの3倍の高調波アンテナの場合は、正確に3倍（145.9×3=437.7）
　では無くて3.07倍（145.9×3.07=447.9、共振周波数）ぐらいになります。しかしこのアンテナのように2本の直交するアンテナの
　長さを変えると145.9MHzの2.98倍ぐらいになって435MHz近くで共振しています。 　　
②共振したときのインピーダンスは、ダイポールが2本直交した時は75Ωの1/2の37Ω付近になりますが、直交するアンテナの長
　さを変えると145.9/435MHzが共に高くなり、145MHzで50Ωななった付近で435MHzでは100Ωになります。
③そのために435MHzだけを ディレクター 補正用エレメントを付けて50Ωに下げることができました。
④上記のように①②③が共に望んでいた方向に変化したのはどうしてでしょうか、その根拠までは不明です。
これは不可思議な神様の仕業と言わざるを得ません？! hi。どなたか解明して頂けるのを期待しています。

　　　　　 ディレクターと云う表現を（インピーダンス）補正用エレメントにしました。2015/11/21

このアンテナは おわり


このアンテナの原理、現象を利用して多エレメントにしたクロスアンテナを作りました。　　　2015/2/14
   
                                                                                             ↓摂動励振
　　　　　　　おわり　　　　　　　　　　　　（エレメント位相式とは当局が勝手に付けたものです）