2017/09/05

miniVNA tinyでアンテナ特性を測定

  いろいろなアンテナを自作していくうえで知りたかったのがVSWRやリターンロスといった特性。校正済みの測定器を使える環境に出入りさせてもらっているけれど、やはり手元で実験しながらエレメント長の調節などをしたい。特にサブGHz以上になってくると調整は測定が前提になってしまう。

 USB接続のVNAを探してみたところ、miniVNAシリーズというものがあった。

キャリブレーションキット(オープン、ショート、50Ω)
 反射特性と伝達特性計測のほか、信号発生やケーブル損失の測定などもできる。 miniVNA tinyでは3GHzまで計測できるので、自分の利用目的に合致していた。 アッテネータを付けてもらい、代理店から購入。マニュアルも充実しているので、特に迷うことはなかった。 (Aliで見つかるものはコピー品らしい)

 自作アンテナ測定(反射特性の計測)


自作の430M帯のターンスタイルの特性を見てみる。 いつも屋上のSDR受信局につけていたものを再整備を兼ねて外した。




MMANAでのシミュレーションをもとに無調整で作ったけれど、それなりに特性が出ていた。 ちゃんと円偏波になってる様子。


 アンテナ測定は周囲の金属や人体でかなり特性が変化するので、できるだけ何もないところで測定する。

 スキャン速度を高速にして、荒い解像度でフリーランさせて手や金属を近づけたりすると、特性が変動する様子が観察できる。

伝達特性の計測





アッテネータの特性を見てみた。10dBと20dBのアッテネータを組み合わせてみてみたが、ちゃんと30dBの通過損失が測定できている。

 なんといっても持ち運びやすいので、出先の実験などでアンテナやRFケーブルのチェックに役立ちそうだ。

2017/08/31

独立電源の実験#2 

 夏といえば、統合試験と環境試験が立て続けに始まる季節。発生する怪奇現象(不具合)を退治し、スケジュールで肝試しを行っていたら、いつのまにか夏は終わってしまった…

その脇で、前回手配線した独立電源試作機の実験結果をもとに基板のアートワークを行い、新型OBC基板と電源基板、化粧板をelecrowに発注。
KiCADのボードをVRMLで出力すると、Windows10の3Dビューアで簡単に表示することができる。

 5㎝角以下だと最安値になるので、試作にかかるコストはどんどん下がっている。 もう手配線はよっぽどのことがないとやらなくなってきた。

OBC644-10D rev:E

OBC基板もバグ修正と端子増設でバージョンアップしている。
・SPIとFTDI配列を統合し、GPIO2つとシステム電源電圧(3.3V)出力端子を追加。
外部基板のIC(デジタルセンサやレベル変換、バススイッチ)にもシステム電圧が必要だったのと、UARTとSPI用の制御用端子として新たにGPIOを引き出した。
ATmega644のGPIOピンをすべて利用できるようになった。



拡張基板スタック

OBC644用の拡張基板だけど、ピンヘッダ継ぎ足し地獄は無駄に階層が増えてしまうので、2層基板を2枚重ね合わせてみた。疑似的に4層基板となる。貼り合わせる面にクロストークが心配な配線は避けよう。
 

 裏面はSPI-ROMが2つ乗るので、そのエリアを避けて基板外形を設定。 OBC644基板は1mm厚、拡張基板は0.6mm厚で発注していて、張り合わせれば1.6mmの標準の厚みとなる。
 2つ重ねてピンヘッダにはんだ付けするので、貼り合わせでシビアな工程は特に無い。
今回は試しにu-bloxのMAX-M8Qと、マイコンの書き込み用に基板対電線コネクタ(GH5ピン)を搭載した。 単体でGPSロギングにも使えるだろう。
  アンテナはU.FLコネクタを設けて、外部から引き込む形にした。

電源系統&構造体

 

 手配線プロトタイプとほぼ同じ構成の電源系統とした。太陽電池は2系統入力可能。 キャパシタバンクの上流/下流のスイッチは逆流防止機能付きのロードスイッチにしている(ただし、ON時の逆流は阻止できないので理想ダイオード動作にはならない)
キャパシタバンクに使ったパナのゴールドキャパシタは18650セルとほぼおなじサイズになっていて、競合他社の製品よりスリムで細長いタイプ。 
 小容量の起動用コンデンサはいつもどおり単純化のためにショットキーダイオードORだが、順方向電流が100mA以下のものに交換した。1Aクラスにしてしまうと漏れ電流により、他の系統から逆流が起きてゆっくりと充電されてしまう。
 太陽光が常時あれば、大容量キャパシタを使わなくても、間欠駆動状態でテレメトリを送信可能。

 構造的には、電源基板が各基板のハブとなっている。キャパシタバンクの左右の空間に、FTDI配列対応の無線モジュール基板や、GPIO、UART、I2Cのセンサを挿して設置できるようにした。
 拡張要素はOBC基板の電源管理下にあり、OFF時にバス配線などを切り離せるようにしている。

 日照がない場合、外付けで電池を搭載することで安定して稼働させることができる。
下記は拡張ベイに単4電池をCRD経由で接続したもの。 大電流を取り出せない大容量の1次電池との組み合わせも考えられる。


電源基板自体にPIC12F用のパターンを用意したので、基板単独でも電源管理やOBC系統のリセット介入ができる。 



薄曇りの日没時に試験運用したときのデータ。 曇りなのでフル充電にはならず、テストのため1分毎に無線送信、3Vで送信停止なので、日没後1時間ほどで停止した。
 試作機ではデフォルトで2.7V以下になるとでマイコンのBORが働くが、 システム的には1.8Vまで動作可能なので、ヒューズビットの設定でBORを1.8Vに設定しなおした。

PCBアンテナ(おまけ)

 化粧板として発注する基板に、GPS L1用のPCBアンテナパターンを作ってみた。これでも測位できたが、あまり性能はよくなかった。VNAで測定してもらった結果、2.4G帯に感度があることが判明。思ったより短縮効果が無かった…。

 もともとパッシブアンテナを付ける場合、配線長は100mm以下で近接配置が推奨されている。 素子の特性が悪いと結構厳しい。
  
 とりあえずMAX-M8QのRF入力に同軸給電のための受動部品を追加して、市販のアクティブアンテナを取り付けて解決とした。
同軸給電に改造
AliexpressでGNSS対応のアクティブアンテナを入手して取り付け

過去に入手してあったアクティブアンテナ。 これはGPS L1のみ

2017/08/20

UMPCもどきの製作1


修正7度目の検討図
10年ほど前、UMPCが登場した。
 iPhone登場前夜、抵抗皮膜タッチスクリーンの時代。ハンドヘルドコンピュータの領域で、ガラケーのように様々なハードウェアが登場しては消えていくカテゴリに、x86アーキテクチャが本格的に降りてきた時期。
 ネットを漁り、登場当時Origami PCと呼ばれていたのを思い出す。 
 http://www.itmedia.co.jp/pcupdate/articles/0603/11/news015.html
 
この頃登場した静電容量タッチパネルとソフトウェアキーボード、スワイプ動作が、ここ10年でデファクトとなった。
 最近はタブレットのコモディティ化が一周して、GPD winのようなキーボードを備えたモバイルPCがちらほら再登場し始めていておもしろそうだ。

RaspberryPiも無線LANやBluetoothを備えていて、とっつきやすくなった。 今、安価に入手できる部品を揃えると、UMPCと同じくらいのスペックの端末が自作できる。
多感な時期をデバイスの小型化とともに過ごしてきたからか、時折発作的におそいかかるビンテージ端末を集めたい衝動を昇華させるべく、自分で1台作ってみることにする。

おおまかな仕様
1,  Elecrowの5インチHDMI液晶(800x480)をベースにハンドヘルド端末を作る。可動部は無しとする。
2,電源はモバイルバッテリ
3,   Raspi3を前提とする
4,   ハードウェアキーボードをつけ、HID接続する

検討しているキーボードでぴったりな既製品が無いので迷走し始めた。いつの間にか片手に収まるミニキーボードが絶滅しかけていて、時代の変化を感じる。

ということで、普通のプッシュスイッチを並べてキーボードを自作してみる。USBマイコンが増えてきたので、HID機器の自作はかなり敷居が低くなった。

 画面が5インチ程度の端末しかなかったころは、UMPCもキーボードを備えた物が多かったように思う。
 タッチパネルが使いやすく、画面が広いなら、大抵の操作はパネル上で完結できる。ハンドヘルド機の復活であれば、公式の7インチ液晶に無線キーボードをつけるのが正統派だ。Origamiのコンセプトモデルもその系統だったなぁ、と思い出す。
 多ボタンに憧れるのは単なるノスタルジーなのだろうか。


 この液晶、HDMI端子のある面を手前にしないと、斜めから見たときの視野角が極端に狭くなるんだなぁ。
 仮組みしてドライバを入れて動かしていると、画面解像度が狭すぎて、プリインストールされたソフトが表示できない問題に直面してしまった。

キーバインド試行錯誤地獄
モバイル機で面積が限られる。ということで独自配列を検討する。 拘束条件は、両手で持って親指で打つスタイル。
液晶の両脇にボタン等を置きたいので、横幅は16cmを超えると親指が中央に届かなくなる。

Windows10のソフトウェアキーボード 分割モード
先達のデザインを思い起こし、それらが採用したキーボード配置を一通り調べてみる。
キー配列も、本体の大きさを決めないことには始まらない。 今手元にある部品から寸法をCADのボード設計に放り込んで、おおまかに外形を決定した。


ガワの製作は、化粧板も含めて基板設計で検討してみた。

フロントパネル基板はスイッチの軸が頭を出すようにして、シルクで印字を施すというイメージで始めてみた。その下に回路基板があり、プッシュスイッチ本体と液晶の厚みを吸収する予定。いちおう、ジョイスティックも搭載できるようにしてみたけど、ボタン操作UIはまだ配置検討の要素が残っている。

プッシュスイッチを並べるマージンを考え、キーピッチは横9mm、縦10mmとした。実際はかなり余裕があるけど、狭くしすぎると印字エリアがなくなってしまう。

 英字配列のキーをそのまま再配置し、テンキー配列風の数字キーを中央に持ってくることにした。
 KiCADでPCB設計画面を使って配置検討しつつ、キーバインドを決定していく。
今のところ、61キー+画面横の方向キーで65キーをひとまず割り当てた。

CADと並行して、キーボード図の生成には、ブラウザで自由にキーボード配列を作成できるサイトを利用している。とても便利。
http://www.keyboard-layout-editor.com/#/



使用頻度の多いキーはできるだけ親指の可動範囲である扇状のエリアに配置している。
変遷

見た目が9割
紙で箱を作り、そこに印刷したデータを貼り付けて検証しながら数時間、だいたい固まってきた。 
 Fキーが必要であれば、液晶の上に配置しても良さそうな気がしてきた。Chromiumの画面拡大(F11)など、ホットキーとして一部を配置すると結構便利。狭小画面ではホットキーが便利な点がたくさんある。
 画面の周囲にスイッチを並べ、フライトコンピューターの操作画面みたいにするのも面白そうだ。
 まだ忙しくて製造に着手する時間が無いので、続きはだいぶあとになりそう。