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zoom RSS ADS-B 1090MHz Antenna アンテナ設計(1)

<<   作成日時 : 2014/10/10 12:39   >>

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先週の台風で、全てのアンテナを退避、撤去しました。
今週は、また、アンテナを作って実験したいと思います。
最初に、私の設計手順を紹介します。

アンテナのエレメント径の選定について、短縮率との関係を見ると、波長の1%以上の太さになるとMMANAでの計算があやしくなってきます。
画像

この時の、1/2λダイポールの帯域幅を見ると、同じように、うまく計算できないようです。
画像

そこで、ADS-B用のアンテナでは、エレメントの太さを5mm以下(実際には3mm以下)で設計と製作をしています。シミュレーションと、製作後の再現性を確保するためです。さらに、受信機(R820Tドングル)やPCを保護する為に、なるべく給電(同軸ケーブル)をショートできるような構造のマッチングを考えています。そのため、ヘアピンマッチやショートスタブを使っています。

さて、最初に、今回は作らない、設計のみのアンテナ、6段コリニアアンテナ(5/8λ)です。
外観は
画像

利得優先でむりやり設計しました。2mmの真鍮で2mあれば作れます。3mmの真鍮では、これだけ曲げるのは、疲れます。利得は、目標の9dBiを超えます。
画像

ただし、スタブを作りやすい間隔(内寸5mm)としたので、インピーダンスを下げるのに苦労しています。もっと狭めてインピーダンスを下げると、マッチングが取りやすいのですが妥協します。(製作しないので)
画像

このアンテナは、75Ω給電です。理由は、ホームセンターやスーパーで、1GHzで低損失の同軸ケーブルが購入できるからです。Fコネ付きもありますし、Fコネクタも普通に入手できます。アンテナとの接続には。100円ショップで売っている、メス−メスコネクタを利用可能です。(ちょっと工夫が必要ですが)
画像

秋月で、購入しても、100円位と思います。

このアンテナのMMANA用のファイルの中身は

6element 5/8λ coliner
*
1090.0
***Wires***
24
0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.161, 0.001, -1
0.0, 0.0, 0.161, 0.055, 0.0, 0.161, 0.001, -1
0.055, 0.0, 0.161, 0.055, 0.0, 0.168, 0.001, -1
0.055, 0.0, 0.168, 0.0, 0.0, 0.168, 0.001, -1
0.0, 0.0, 0.168, 0.0, 0.0, 0.329, 0.001, -1
0.0, 0.0, 0.329, 0.055, 0.0, 0.329, 0.001, -1
0.055, 0.0, 0.329, 0.055, 0.0, 0.336, 0.001, -1
0.055, 0.0, 0.336, 0.0, 0.0, 0.336, 0.001, -1
0.0, 0.0, 0.336, 0.0, 0.0, 0.497, 0.001, -1
0.0, 0.0, 0.497, 0.066, 0.0, 0.497, 0.001, -1
0.066, 0.0, 0.497, 0.066, 0.0, 0.504, 0.001, -1
0.066, 0.0, 0.504, 0.0, 0.0, 0.504, 0.001, -1
0.0, 0.0, 0.504, 0.0, 0.0, 0.665, 0.001, -1
0.0, 0.0, 0.665, 0.055, 0.0, 0.665, 0.001, -1
0.055, 0.0, 0.665, 0.055, 0.0, 0.672, 0.001, -1
0.055, 0.0, 0.672, 0.0, 0.0, 0.672, 0.001, -1
0.0, 0.0, 0.672, 0.0, 0.0, 0.833, 0.001, -1
0.0, 0.0, 0.833, 0.055, 0.0, 0.833, 0.001, -1
0.055, 0.0, 0.833, 0.055, 0.0, 0.84, 0.001, -1
0.055, 0.0, 0.84, 0.0, 0.0, 0.84, 0.001, -1
0.0, 0.0, 0.84, 0.0, 0.0, 1.001, 0.001, -1
0.066, 0.0, 0.497, 0.12, 0.0, 0.497, 0.001, -1
0.066, 0.0, 0.504, 0.12, 0.0, 0.504, 0.001, -1
0.12, 0.0, 0.497, 0.12, 0.0, 0.504, 0.001, -1
***Source***
1, 0
w11c, 0.0, 1.0
***Load***
0, 0
***Segmentation***
800, 80, 2.0, 2
***G/H/M/R/AzEl/X***
0, 5.0, 0, 75.0, 120, 60, 0.0

この部分をメモ帳に切り貼りして、(.maa)属性のファイル名で保存して使ってください。

このアンテナの設計要領は、最初にエレメント長を計算します。φ2mmの真鍮で、5/8λの長さを161mmとしました。
何故、5/8λにしたのかは、エレメント長と利得の関係で決めました。
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上空の利得を下げるのであれば、1/2λよりちょっと長い4.2/8λ前後(0,52λ)エレメントを選ぶとサイドローブが小さくできます。地表波用の垂直アンテナとして利用される場合もあるようです。(電離層方向への放射が少ない)
例えば、5/8λでは
画像

0.52λでは(1/2λのコリニアを作っていたのもこの特性を利用したためです)
画像

ちなみに、1/4λでは
画像

さらに、5/8λを超える長さになると、定在波の位相により、使い難くなります。
2/3λでは
画像

マッチングスタブの設計は、1/2λのスタックでは、伝送線路(スタブ)の信号遅延が1/2λ前後になるように選びます。この場合は、長さが1/4λのスタブになります。平行給電ケーブルの特性インピーダンスは、電線の太さの7倍にすると、Z0=277*LOG10(2D/(R/2)) R:線径 D:間隔 (絶縁は空気(誘電体をで支持する場合には、比誘電率を考慮)で計算すると、約317Ωになります。もう少し間隔を狭くするか、線径を太くすると調整が楽になります。

5/8λのスタックでは、3/8λ(52mm)よりちょっと長めの55mmとしました。この辺りで、利得が最大になります。
給電部は、アンテナ中央部としました。設置が苦しくなりますが、端のエレメントに給電すると、この段数では、利得がとれません。5/8λのホイップが3段が多い理由もここにあります。最上部のエレメントの電流が低下するのが原因です。

平行線のスタブは、短縮率の影響を受けるのかどうかは解りませんが、最適な長さは、短縮率を使わない計算値よりもさらに長くなるような気がします。(フォールデットダイポールも、短縮では無く、長くなるのと同じ?)

マッチング部分は、スタブ長と、給電ポイントで調整します。マッチングインピーダンスを下げたい時は、スタブの長さを長くします。この途中に、リアクタンスがゼロ(場合によっては最小)の位置がありますので、スタブの全長で合わせます。今回は、スタブの特性インピーダンスを300Ω以下にしなかったので、目標の75Ωにしませんでした(これでゆるしてやるぞ!)

ちなみに、伝送線路のインピーダンス変換は、接続点のインピーダンスをZL、変換後のインピーダンスをZ0とすると、1/4λの変換線路のインピーダンスZSは:
ZS=√(ZL*Z0) で求まります。(あってるかな?)

夕べ、書き溜めたものを貼り付けて、いますので、内容に不備があるかもしれません。
アンテナの設計は、最初に、目標仕様を決めて、順番に作業すれば、時間はかかりますが、楽しく時間が過ぎて生きます。

次は、ついに、ビームアンテナと、TT@北海道さまからの、プリアンプを取り上げる予定です。
ただし、プリアンプは訳あって最初から改造記事になるかもしれません。

あくまでも、400kmの夢を見たい。(雲によるダクト伝播の力を借りずに)でも、近所の環境の許す範囲ですが。
週末に向けて考え中です。(今、ショー会場でした。)

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