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スモールループアンテナ(1) エレメント比較 [アンテナ]

我が家での中短波帯受信環境をさらに改善しようと、いま主力で使っているマグネティックループアンテナについて調べ始めました。すでにいろいろな先人たちが研究しているようで、ありがたいことにその偉大な方たちの書いた様々な文献をネット上で読むことができます。ここ数週間、その文献やWebサイトを読み漁ってみて、ちょっともうお腹いっぱいになってきましたが、このアンテナの性質・特徴みたいなものが、おぼろげながら理解できるようになってきました。
その結果を書くだけでもかなり長くなりそうなので、それはまた別の機会にしておいて、とりあえず2例だけ参考URLリンクを貼っておきます。
Wideband Small Receiving Loop Simplified
WSMLのループ・インダクタンス特性と S/L比。
いろいろ読んできて、「マグネティックループアンテナ」と称するのは少し語弊があることに気付いたので、以後は「スモールループアンテナ」と呼ぶことにします。

今回はループエレメントについていろいろな考察・実験をしてみました。
このアンテナの基本動作は「ループの中を通過する電磁波の磁界成分をピックアップして誘導電流を発生させる」ことです。したがって、受信感度を良くするためには「少ない磁界成分(磁束)でより多くの電流を誘起させる」ようなループが必要となります。そこで、以下の重要な関係式が登場します。
I_LOOP_S_L.jpg
「ループの誘起電流:I はループの面積:S に比例し、また、ループのインダクタンス:L に反比例する」ということになります。
したがって、誘起電流を大きくするためには
(A)「ループ面積を大きくする」もしくは
(B)「ループのインダクタンスを小さくする」ことが求められます。
ただし、この2つは相反する事象なので、(A)(B)を同時に実現するのは単純には難しいことです。面積を大きくしようとすると、ループの長さ(周囲長)も伸びてしまうので、結果的にインダクタンスが増えてしまいます。その辺は、すでに世の中のすごい人たちがあの手この手の絶妙なアイデアで工夫しており、ある一定の対策というか結論が出ているようです。

とりあえず、できる範囲で自分でもいろいろと試してみることにしました。
ここでは、ループエレメントの形状・材質を変えてインピーダンスを測定し、実際の受信も行って比較してみました。

(1) 三角形ループ(ビニール線)
これまで長いこと現役で使ってきたエレメントです。ホームセンターでアース線として売ってるビニール線(VSF 1.25mm^2)を長さ1メートルの塩ビパイプに通して固定したものです。
DSC_0067_.jpg
(2) 三角形ループ(アルミパイプ)
最近製作して別の記事でも登場しているアルミパイプのループです。1メートル長・15ミリ径の中空パイプをステン金具でつないで正三角形にしています。
DSC_0068_.jpg
(3) 正方形ループ(アルミパイプ)
さっきの(2)三角形ループにもう1辺足して正方形にしています。写真は実際の仮設置後のものですが、大地に対して45度傾けてるので、見た目は「ひし形」です。
DSC_0071_.jpg

まずは、それぞれのループ面積を計算しておきます。それぞれ1辺1メートルなので、
正三角形:(1/2)*(底辺)*(高さ)=(1/2)*(1)*(1 *(1/2)*√3)=√3/4=0.433 m^2
正方形:(1辺)*(1辺) = 1.000 m^2
となります。したがって、冒頭の関係式から考えると、面積としては正方形のほうが4/√3 = 2.31倍だけ有利になるはずです。

次に、インピーダンス測定の結果です。
測定器は以前の記事で紹介したインピーダンスアナライザ AA-30.ZEROです。
青線が|Z|:インピーダンス、赤線がR:抵抗成分、緑線がX:リアクタンス成分です。(Z = R + jX、|Z| = √(R^2 + X^2)

(1) 三角形ループ(ビニール線)
ΔLOOP_ビニール線_Z_R_X.JPG
(2) 三角形ループ(アルミパイプ)
ΔLOOP_アルミパイプ_Z_R_X.JPG
(3) 正方形ループ(アルミパイプ)
◇LOOP_アルミパイプ_Z_R_X.JPG
これを見ると、(1)は15MHz付近、(2)は16MHz付近、(3)は13MHz付近で緑色のリアクタンスが大きく変化しています。これが「自己共振周波数」で、この周波数より下では誘導性リアクタンス、上では容量性リアクタンスを示す結果になっています。ということは、磁界成分をピックアップする「マグネティックループ」として動作するのは、実はこの周波数以下だけということになります。自己共振周波数が意外と低いところにあるというのが新しい発見でした。

上の絵だとごちゃごちゃして見にくいので、誘導性リアクタンス(インダクタンス)の部分だけ抜き出し、直列→並列変換したのが下のグラフです。
ループ並列インダクタンス.jpg
これを見ると、インダクタンス値は全帯域で (2) < (1) < (3)の順に小さくなっていることがわかります。グラフにして視覚的にみると一目瞭然ですね。
具体的な数値を書くと、例えば5MHzでは
(1) 三角形ループ (ビニール線):4.52 [μH]
(2) 三角形ループ(アルミパイプ):3.59 [μH]
(3) 正方形ループ(アルミパイプ):5.24 [μH]
となっています。このことから、インダクタンスの観点では
・ビニール線とアルミパイプではアルミパイプのほうが4.52/3.59 = 1.26倍有利
・三角形と正方形では三角形のほうが5.24/3.59 = 1.46倍有利
ということが言えます。

ということは、先ほどの面積の観点との合わせ技で誘起電流の優劣を考えると、三角形ループよりも正方形ループのほうがが2.31/1.46 = 1.58倍だけ有利になりそうです。
最終的に、受信感度は良い順に(3) → (2) → (1)というふうに予想できますね。

では、実際にKiwiSDRにそれぞれのアンテナエレメントをつないで受信した結果を以下に示します。エレメントの交換の都合とかローカルノイズ発生の関係ですべて同じ日にはできなかったのですが、夜間の5MHz帯で信号が出ていない周波数を選んでノイズフロアレベルを測定しました。(NarrowAM 帯域幅5kHz)
アンプはBCL-LOOP13re2.0を使用しています。
(1) 三角形ループ (ビニール線):-110dBm
(2) 三角形ループ(アルミパイプ):-113dBm
(3) 正方形ループ(アルミパイプ):-107dBm

ということで、実際の受信結果は良い順に(2) → (1) → (3)となりました。聴感上の了解度でもはっきり差が出ます。試しに、信号が強い割に変調が浅くて聞き取りにくいAIR Shillong局(4970kHz)を受信してみると、(2)が最も聞き取りやすいです。
ビニール線とアルミパイプの比較では、順当にアルミパイプが良くなりましたが、三角形と正方形の比較では、予想に反して三角形のほうが良い結果となりました。結果だけから言うと、今回は面積の大小よりもインダクタンスの大小のほうが支配的だった、という結論になりそうです。何か計算に入っていない要素があるのかもしれません。
アンテナの世界は理論と実際が合わないことが多いそうなので、一筋縄ではいかないです。
DSC_0069_.jpg
正方形ループにはちょっと期待していましたが、結果はダメでしたね。これで、今のところ三角形ループが最良とわかったので返り咲きとなりました。また別の次の一手を考えることにします。
[今後の予定]
・100円ショップの材料で円形ループエレメントを作る(現在進行中)
・ループエレメントの並列化(構想計画中)
・同軸ケーブルを使ったシールドループエレメント(構想計画中)
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KiwiSDRでアンテナ比較 [アンテナ]

手元にある中短波用アンテナの種類がかなり増えてきました。このブログでまだご紹介してないものを含めるとけっこうな数があります。まあ、買っては試し、作っては試しを繰り返してこうなったわけですが…
今回は、現在の主力のアンテナ4種について、KiwiSDRで受信比較をしてみました。
まずは0~30MHz全帯域の状況です。

(1) 10mビニール線ロングワイヤー + Magnetic Longwire Balun(カプラ型)
KiwiSDR_LongWire_ALL.JPG
全体的にノイジーです。4MHz近辺と12MHz近辺でさらにノイズレベルが上がってますね。この付近でちょうどインピーダンス的に整合が取れてるのかもしれません。

(2) ApexRadio 303WA-2
KiwiSDR_303WA-2_ALL.JPG
いまおそらく国内で一番売れてるBCL用アンテナでしょう。パッシブ型なので一部の帯域を除いてノイズレベルはそこそこ低くて静かです。4MHz以下がかなりノイジーですが、中波放送帯の3倍波付近が盛り上がってるところを見ると、これはアンテナのせいではなくて、KiwiSDRの入力アンプが飽和してるのだと思います。中波帯を落とすフィルタ(HPF)を入れればマシになりそうです。

(3) BCL-LOOP10 + アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)
KiwiSDR_BCL-LOOP10_ALL.JPG
全体的にかなり静かで信号レベルもしっかりしています。12~17MHz付近のハイバンドが若干ノイジーですが、ループエレメントの自己共振周波数がこの近辺にあり、インピーダンス変動が影響しているかもしれません。

(4) BCL-LOOP13 rev2.0 + アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)
KiwiSDR_BCL-LOOP13rev2_ALL.JPG
全体的にノイズレベルがかなり低く静かです。ゲインを控えめにしているので、信号レベルがちょっと細いですが、気になるほどではありません。中波帯を落とす軽めのフィルタを入れています。

次に、この時間に良好に受信できるRadio Kuwait(15515kHz)での受信比較です。

(1) 10mビニール線ロングワイヤー + Magnetic Longwire Balun(カプラ型)
KiwiSDR_LongWire_15515kHz.JPG
ノイズレベル:-107dBm
信号レベルも低いので、聞いててちょっとザラザラ感があります。

(2) ApexRadio 303WA-2
KiwiSDR_303WA-2_15515kHz.JPG
ノイズレベル:-110dBm
ノイズが低く、信号レベルもそこそこあるので実用になります。この周波数近辺がこのアンテナのベストポジションかもしれません。

(3) BCL-LOOP10 + アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)
KiwiSDR_BCL-LOOP10_15515kHz.JPG
ノイズレベル:-104dBm
信号レベルは太いですが、ノイズがちょっと高いですね。一番不利な周波数帯を選んてしまったので、別の周波数ではまた評価が違ってくるでしょう。

(4) BCL-LOOP13 rev2.0 + アルミパイプ三角形ループ(1辺1メートル)
KiwiSDR_BCL-LOOP13rev2_15515kHz.JPG
ノイズレベル:-110dBm
アクティブアンテナなのに、ノイズレベルがパッシブ型の303WA-2と同じです。信号レベルもそこそこ高いので、了解度はかなり良いです。

以上です。全体的な印象として、この4種の中ではBCL-LOOP13rev2.0が最も了解度が良いアンテナと言えそうです。ただ、バンドによって一長一短があるので、受信する周波数に応じて使い分ける、というのが一番良い運用方法でしょう。
アクティブ同調型のΔLOOPXも、はやいところ調整整備して仲間入りさせよう…
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KiwiSDRでみちびき初受信(2) [GNSS]

前回の記事で書いた、KiwiSDRのGPS受信機がみちびき(QZSS)に対応した話の続きです。2月9日にQZSSを初受信した時の画像でアップし忘れたものがありました。4機すべてを同時受信できた時の証拠画像を上げておきます。
KiwiSDR_QZSS_ALL.JPG
PRN193が1号機、194が2号機、195が4号機、そして199が静止衛星の3号機です。一般のシロウトが入手できるGPS受信機で、このみちびき3号機が受信できるものは今のところKiwiSDR以外には存在しないと思われます。
ただ残念なことに、この日を最後に3号機(PRN199)の衛星信号は、何らかのトラブルにより停止していて、現在も復旧していません。かなりヤバイ状況です。もしかすると、この受信画像がお宝になるかも…

KiwiSDR_QZSS_alert_flag.JPG
一方、KiwiSDRのソフトがまたバージョンアップして、GPS受信機能がさらに充実しました。まずシャドーマップ(衛星軌跡の累積表示)が追加されました。これによりGPS受信環境の空の開き具合が確認できます。それから、静止衛星であるみちびき3号機(QZS-3)の位置を常に表示するようになりました。3号機が世界初受信であることにソフト作者が気を良くして追加してくれたようです。
さらに、アラートフラグの表示もできるようになりました。アラートフラグ(errの欄の「A」表示)が立っている衛星は、測位計算に使用すると結果に悪影響が出る可能性があるので、本来ならば測位計算の対象から外す必要があります。今回、あえてアラート衛星を測位に使うスイッチが追加されています。ソフト作者の遊びごころによるもので、測位結果にどんな影響があるのかに興味があるので試しに入れてみた、とのことです。
上の画像は、昨日のみちびき3機すべてにアラートフラグが立った時のものです。この時には測位結果には特に影響は無かったようです。今はアラートフラグは解除され正常に戻っています。
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KiwiSDRでみちびき初受信 [GNSS]

KiwiSDRが登場しますが、衛星測位(GNSS)カテゴリーのお話です。

KiwiSDRは基本的にVLF~HF帯を受信できるソフトウェア無線機ですが、タイミングクロック生成と時刻情報取得のためにGPS受信機も同じボード上に搭載しています。こちらもソフトウェア無線機(SDR)です。文字通りアメリカのGPS衛星しか受信できない受信機で、ロシアのGLONASS、中国のBeidou、そして日本のみちびき(QZSS)はこれまで非対応でした。したがって、日本では受信できる衛星が少なくなっているため、常時安定した測位を行うのが難しい状況でした。
しかし、日本のQZSSについては信号形式などがGPSと全くのコンパチなので、もしかすると意外と簡単に対応できるのでは、と考えました。そこで、思い切ってソフトウェア設計者にQZSS対応をお願いしてみたところ、快諾していただき、なんとたった2日で修正版をリリースしていただけました。
さっそくソフト更新して受信してみたところ、昨日2/8、みちびき4機のうち3機が正常に受信できました。
KiwiSDR_GPS_QZSS.jpg
上の絵のPRN=193 194 195 がみちびき(QZSS)の信号です。それぞれ1号機、2号機、4号機に相当します。残りの3号機(PRN=199)は、たまたまタイミング悪く障害のため信号停止中でした。しかし、本日(2/9)夕方に信号復帰したとの情報があり、急ぎ確認してみたところ、無事に3号機(PRN199)の信号も受信に成功しました。ニュージーランド在住のソフト設計者のほうでも受信できたという報告がありました。
KiwiSDR_QZSS_PRN199.jpg
そして、以前にも書きましたが、このみちびき3号機については少し特殊な事情があり、他の3機の準天頂軌道と違って静止軌道衛星(GEO)になります。新しく追加された仕様になるため、現在市販されているみちびき対応の受信機やスマートフォン、カーナビなどでは、この3号機の信号(PRN=199)は受信することができません。したがって、市販受信機での受信は今回が世界で(ほぼ)初めて、ということになります。

参考URL:高須氏のページ(測位衛星による高精度測位技術の研究開発 日記・備考録)
http://gpspp.sakura.ne.jp/diary201802.htm
高須さん、ご紹介どうもありがとうございました。

ちょっと余談のほうが多くなってしまいましたが、本題の「日本での衛星受信数を増やしてKiwiSDRを安定動作させる」という目的に寄与することができたので、今日は大満足の1日でした。
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4870kHz CW [受信情報]

この時間、4870kHzで強力にCWが受信できてますが、
これはいったい何者だろう…
2018.02.08 0:15-0.45 4870kHz CW unknown
4870kHzCW.JPG
どこで区切るのかよくわからんが「DE RIS9 RIS9 V M8JF M8JF M8JF」
を延々と繰り返してます。終わる気配がありません。
ちょっとググッてみたら「Chinese Military nets」というのが引っ掛かりました。
「V M8JF M8JF M8JF DE RIS9 RIS9」
いろんな人がいろんな周波数で受信してるみたいですね。
他のパターンもいっぱいあるようです。
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【昔のべリカード(国内編)】<6> RKB毎日放送 / KBC九州朝日放送 [QSL/べリカード]

福岡県の民放2局です。
出力が大きい(50kW)ので、鹿児島でも昼間に地表伝搬で良く聞こえてました。
RKB毎日放送のほうは、毎週日曜日の昼に何か音楽番組を聴くために受信してたような記憶があります。

RKB毎日放送 JOFR 1278kHz
1980年 日時不明
RKB毎日放送.jpg
なぜか同じデザインのカードを3枚持ってました。

KBC九州朝日放送 JOIF 1413kHz
1980年 日時不明
KBC九州朝日放送.jpg
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【昔のべリカード(国内編)】<5> 熊本放送(RKK) / 長崎放送(NBC) [QSL/べリカード]

べリカード国内中波編を久しぶりにアップします。
実家の鹿児島にいた中学生の頃にゲットしたものを紹介していきます。

熊本放送(RKK) JOBF 熊本局 1197kHz
1981年 日時不明
熊本放送2.jpg
お隣の県なので良く聞こえてました。特に天草諸島にあった御所浦局は
地理的にも非常に近かったので地元局並みの強さでした。
熊本放送(RKK) 御所浦局 1530kHz
1980年12月26日 12:00-13:00
熊本放送1.jpg

長崎放送(NBC) JOUR 1233kHz
1981年 日時不明
長崎・佐賀の2県を放送エリアとする局です。佐賀局JOUO(1458kHz)は
現在は「ラジオ佐賀」と称して独自性が強くなってますが、この頃は
まだ長崎と佐賀で同じ放送内容だったようです。
周波数がニッポン放送の隣なので、地理的に近い割には受信しにくい局でした。
長崎放送.jpg
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