QFHアンテナを作ってみた、 それとパッチアンテナ

# 920 MHz帯のQFHアンテナとパッチアンテナを作ってみた

## 見てほしいポイント
精度はいるけど、構造的にきれいよりもエレメントの長さが大事だってこと

## 聞きたいこと
- 無指向性でありながら、横に送信出力がない、衛星通信に向いたアンテナってありませんか？
- インピーダンス整合ってどうすれば良い？とくにパッチアンテナの給電点の設計方法がわからない

Transcript

1. QFHアンテナを作って みた、 それとパッチアンテナ トランジスタ技術オフ会「宇宙ラジオ交流会」～オンライン同時開 催～用 Yoshihiro Nakagwa (twitter: @takuzirra) • 2024 年 9 月 13 日
2. 概要 920 MHz帯のQFHアンテナとパッチアンテナ を作ってみた 見てほしいポイント 精度はいるけど、構造的にきれいよりもエレメ ントの長さが大事だってこと 聞きたいこと • 無指向性でありながら、横に送信出力 がない、衛星通信に向いたアンテナって ありませんか？ • インピーダンス整合ってどうすれば良 い？とくにパッチアンテナの給電点の設 計方法がわからない
3. あらすじ わい「衛星通信と LoRa通信、たーのしー！」 先生「衛星通信に向いた無指向性でかつ送信出力が上だけし かないアンテナを作りてぇ」 わい「ええそんな夢みたいなアンテナあるんですか？」 先生「QFHアンテナを一工夫したらできないかな。このサイトが 参考になるから作ってみて」 Quadrifilar helicoidal antenna - Javascript on-line calculator http://jcoppens.com/ant/qfh/calc.en.php わい「おｋ」
4. アンテナ試作手順と評価手順 試作手順 QFHアンテナの設計のサイトや他の試作例を参考に試作する 評価手順１ アンテナの920MHz帯の周波数特性を測定する 試作したアンテナをスペクトルアナライザにつないで周波数を掃引してピーク周波数とゲインを確 認する 評価手順２ アンテナの垂直方向と水平方向の出力を測定する 試作したアンテナともう１つアンテナを用意して、電波暗室に入れて垂直方向と水平方向に配置し て、試作したアンテナから送信、スペクトルアナライザで受信レベルを確認する
5. QHFアンテナ試作編
6. V1, アンテナ仮り組みをしてみた • アンテナ経が細いので はんだ付けが大変そう なことがわかった • 圧着端子は細くて使え ない
7. QFHアンテナの材料 - 塩ビパイプ - 銅の針金 - SMAケーブル - はんだ （左図の関係ないものがちょっと 多い） （竹串は最終的には使わなかっ た、3Dプリンタ最高！）
8. アンテナ評価風景例 • 860MHz, -7.1 dB
9. V1 （コメント）失敗作コレクション１
10. V2 （コメント）失敗作コレクション２
11. V3 （コメント）まともになってきた
12. V4 （コメント）3Dプリンタに挑戦。Tinkercadで3Dモデルを作るのすごい簡単。 Tinkercad - Create 3D digital designs with online CAD https://www.tinkercad.com/
13. V5 （コメント）きれいにできてるけど周波数特性はでませえええええ えん！！！１
14. V6 （コメント）きれいにできてるけど周波数特性はでませえええええ えん！！！２
15. V7 （コメント）きれいにできてるけど周波数特性はでませえええええ えん！！！３
16. 発想を変える１、パラダイムシフト わい「QFHアンテナの設計サイト通りに作ってみているはずだ が全然周波数特性がでない」 先生「まずはアンテナをひねらないでまっすぐの状態であれ ば、周波数から計算された長さにエレメントが対応して、周波 数特性が出るのでは？」 わい「なるほど。こんな GitHubに海外のLoRa周波数で作った 事例もありますね」 cernohorsky/QFH-Antenna-868MHz: Quadrifilar Helix Antenna for 868 MHz https://github.com/cernohorsky/QFH-Antenna-868MHzuadri
17. ストレートで作ったパターン 1.4 GHzぐらいでピークが出ている 設計意図とはちょっと違った気がする
18. 868MHz,-20dB→850MHz,-10dB 海外事例を試したケース -10dBは出ている、作成精度が必要なことはわかった
19. 868 MHzを試したやつ （コメント）螺旋がうまくできていてすごい。筒がトイレットペーパー の芯ぐらい薄い
20. V8 （コメント）銅線を補足して加工が楽になった
21. V9 （コメント）まともに周波数特性が出るようになってきて本当に良 かった
22. V10 （コメント）周波数調整中１
23. V11 （コメント）周波数調整中２
24. V12 （コメント）周波数調整中３
25. V13 （コメント）周波数調整中４ sub GHzだと120MHz帯より400MHz帯よりエレメントの長さがシビア何じゃないか という気がしている
26. 垂直方向と水平方向の送信出力の測定の様子 落ちてない。水平方向の方が強いまである。困った。
27. パッチアンテナ試作編
28. 発想を変える２、パラダイムシフト わい「QFHアンテナを作ってみたけど、横の送信出力はそれほ ど落ちてなさそうな ……」 先生「ではパッチアンテナではどうか？それに一工夫でどうに か」 わい「なるほど」
29. パッチアンテナの材料 - 銅板orブリキ板（エレメント） - アルミ板（GND） - SMA端子orSMAケーブル - はんだ
30. 給電点の設計がわからない件１
31. 給電点の設計がわからない件２
32. 給電点の設計がわからない件３
33. 給電点の設計がわからない件２
34. 給電点の設計がわからない件２
35. 給電点の設計がわからない件２
36. パッチアンテナ設計、MATLABが良かった パッチアンテナの設計計算のwebサイトはいくつかあるけど、 MATLABがわかりやすいと思う
37. V1からV4 （コメント）アマチュア無線協会の430MHz帯のパッチアンテナを 参考に作った。周波数特性が合ってない
38. V5 （コメント）たしか計算サイトから。今思えば、横に長過ぎると思う
39. Patch Antenna V6 -1 Height = 5mm Length = 155mm Width = 163mm Feed point = 22mm ½ Length = 77.5mm ½ Width = 81.5mm
40. V6 外観 （コメント）ブリキ板を自分でハサミで切れるレベルに薄くした。~V5まではmeivyに頼む のも考えていた。エレメントとGNDプレーンの間が短くて、はんだ付けがちょっと大変
41. Patch Antenna V6 -2
42. 垂直方向と水平方向の送信出力の測定の様子 -1dBm程度は落ちるのだが、送信出力が1/2以下（-3dBm）を期 待していたので、ちょっと足りない
43. 現状報告 先に書いておくと、 最初の目的の衛星通信に向いた無指向性でかつ送信出力が 上だけしかないアンテナを作りてぇを達成できていない。 QFHアンテナやパッチアンテナを作ることはできた。 他に何か良いアンテナや方法がありますか？ 教えてください。 次の聞きたいことに続きます。
44. 聞きたいこと 課題 1 無指向性でありながら、横に送信出力がない、衛星通信に向いたアンテ ナってありませんか？ 課題 2 インピーダンス整合ってどうすれば良い？とくにパッチアンテナの給電線 の設計方法がわからない。
45. 今日はここまで
46. その他 - 3Dプリンタの調子が悪くなったりしてたｗ - フリーのアンテナシミュレータも 4NEC2も試してた - いろいろ検討してたけど、振り返ると的外れ面もあるｗ
47. 3Dプリンタの調子が悪くなった • プリントできない − 突然Printer not connectedになる − Model range errorでプリントまでいけない
48. 868MHzのQFHアンテナ例 • https://github.com/cernohorsky/QFH-Antenna-8 68MHz • 出力失敗
49. • フリーのアンテナシミュレータに入力 してみた • フリーのアンテナシミュレータ：4NEC2に入力して みた • SWRが16.1、高すぎるのでは？受信だけなら問題 ない？
50. 参考にしたQFHアンテナの設計サイト は合っているのでは • 他の作成例、NOAA用でも、参 考にしたサイトが使用されてい る • Lバンドアンテナ作成でも使用さ れている • とすると、前回のこれまで作成 してきたアンテナのサイズで 合っているのでは
51. 他、改善できそうなところ • プリント基板を入れる • バランを巻く、４ターン • 角のハンダをどうにかする • 内部をまっすぐする • http://ja6hic.g2.xrea.com/ant/qfh/qfh.html