QFHアンテナで小型衛星を追ってみる

ハンディな広帯域受信機DJ-X11でモビールアンテナを家の屋根にくっつけてみたところ、田舎の山に近いところなので聞こえてくるものといえば地元のラジオと短波、それにACARSのパケット音くらい。
そこで、ためしにAPT受信を試みた。　これはNOAA衛星からの気象ファックスで、高度800kmから137MHz付近で放送されている画像を受信することで、比較的簡単に雲画像を得ることができるサービス。
DJ-X11ではKG-APTという便利なソフトを使うと自動受信が可能。

おお･･･左に日本列島の太平洋側が見える!　なかなか楽しい。

しかしこれだけの画像が受信できたのはこの日だけで、あとは信号が小さくノイズだらけのパスばかりだった。小さいモノポールアンテナでは向いてないのは最初から分かってたが･･･。

QFHアンテナ

空を駆け巡る衛星から電波を安定して得る方法はいろいろ存在する、指向性の強い八木アンテナで追尾するものから、全方位に感度を持つアンテナで固定運用、まで。

NOAAのAPT受信ではQFHアンテナを使うのがメジャーらしい。

QFHは無指向かつ、偏波の変動に強い方式。

ならばこいつを作ってみようということで、とりあえず針金を一巻き揃えた。

430M帯用アンテナの試作

アンテナ工作自体は、こちらのサイトの情報を参考にして、このサイトで寸法を計算。　組立用の寸法でみると137MHz用はとても大きく、縦で70センチ近くなる。　ということで436.5MHzに合わせた小型衛星用アンテナをまず作ってみた。　こちらは縦が30センチ。　小さいので作りやすい。　QFHアンテナでは長めの素子、短めの素子を組み合わせてひねり、2重らせんを作る。(捻る方向は注意)

泡立て器1号

屋外に放置する予定が無いので、2mmの被覆針金(鉄製)で製作した。大きさ的に支えがなくてもアンテナ素子だけで構造として自立することができた。

素子の上下の固定にはペットボトルのフタを使った。底部にもう一つ貼りつけて、いざとなればペットボトルを土台にできるようにする。　あまり深い意図は無い。
素子同士の接続は圧着端子で行った。

前回超軽量八木アンテナで使っていた鰐口クリップ使用の接続コネクタ。　これを使い回す。

このように素子との接続をワンタッチで行えるため、面倒なハンダ付けを回避できた。

性能

雪原に木の棒をさしてその上にアンテナを載せてみた　の図。　このときは雨が降ってきたので諦めた。

夜に窓際に置いて小型衛星を待ち受けたところ、南の方から上がるパスのKKS-1、PRISM のCWが明瞭に聞こえてきた。　角度は12度くらいからだったと思う。(山もそれくらいあるのでなんとも言えない)

窓辺なので視覚的には天頂と北側が見えないのだが、このアンテナだと北にEL30度くらいまでは弱まりながらも波形が確認された。　まんべんなく電波を受信していたようだ。　固定運用には使えそう。

137MHz

NOAA衛星はそう頻繁に現れないので、夜に完成したときはACARSのビーコンを聞いたりして、だいたい136MHzに感度のピークが来ることを確かめた。　天候が回復したら、こんどこそはこいつでAPTを受信してみたい。

コスト

25m498円の針金と廃品だけで出来ているので、単価でみれば限れば500円以下で実現できるのではなかろうか。　針金一巻きあれば、いろんな波長のアンテナを試作するのには困らないだろう。(受信に限れば)

ちゃんとした性能を求める場合は、SMAコネクタなどをはんだ付けできるように真鍮の針金を使うと良いだろう。

参考

気象衛星NOAA用受信アンテナの製作（QFHアンテナ１）

http://noaaweather.web.fc2.com/qfhant.htm

KG-APT
http://www2.plala.or.jp/hikokibiyori/soft/kgapt/index.html

【サボテン】太陽電池の結線

久しぶりにサボテン計画。忙しかったり投薬治療直前でだるかったりして、かなり放置していた。さぼてんも不機嫌そうだ。せっかくなので、園芸用の水受けに移す。関節痛で寝込んでる間に、エイプリルフール終わってましたね＾＾･･･。太陽電池の展開機構を想像したが、まずは太陽電池の結線を済ませよう。配線を綺麗にまとめたくていろいろ探していたら、千石電商でぴったりなものを見つけた。 LEDリング基板というらしい http://www.led-paradise.com/product/629? 本来はチップLEDをリング状にまとめる代物。イレギュラーな使い道だ。今度は小径のを買って、GX200のリングライトに仕立て上げよう。嬉しいことにフレーム径にジャストフィット。配線を綺麗にまとめられた。太陽電池の接続部。逆流防止用にショットキーダイオードを入れている。かなりスッキリ。蛍光灯下 500ルクスでの実験。 EDLCは10Fを使用。ちゃんと充電が行われている。といっても、とてもとてもゆっくりとだけれど･･･。

Arduino Nano Everyを試す

秋月で売っていたAtmega8と、感光基板でエッチングしたArduino互換ボードを製作してみて、次に本家ボードも買って… と気が付いたら10年が経過していた。ハードウェア的な観点では、今は32bitMCUの低価格化、高性能化、低消費電力化が著しい。動作周波数も100MHz超えが当たり前で、30ｍA程度しか消費しない。動作電圧範囲が広く、単純な8ビットMCUが不要になることはまだないだろうけど、クラシックなAVRマイコンは値上がりしており、価格競争力は無くなりつつある。そしてコモディティ化により、公式ボードでは不可能な値付けの安価な互換ボードがたいていの需要を満たすようになってしまった。 Arduino Nano Every https://store.arduino.cc/usa/nano-every https://www.arduino.cc/en/Guide/NANOEvery そんな中、Arduino本家がリリースした新しいNanoボードの一つ。他のボード2種はATSAMD21(Cortex-M0+)と無線モジュールを搭載したArduino zero（生産終了済み）ベースのIoT向けボードだが、 Nano EveryはWifi Rev2と同じくAtmega4809を採用していて、安価で5V単電源な8ビットAVRボードだ。 Atmega4809はATmegaと名がついているが、アーキテクチャはXMEGAベースとなり、クラシックAVRとの間にレジスタレベルの互換性は無い。 https://blog.kemushicomputer.com/2018/08/megaavr0.html もちろん、ArduinoとしてはArduinoAPIのみで記述されたスケッチやライブラリは普通に動作するし、Nano Every用のボードオプションとして、I/Oレジスタ操作についてはAPIでエミュレーションするコンパイルオプション（328Pモード）がある。公式のMegaAVR0ボードはどれもブートローダーを使わず、オンボードデバッガで直接書き込みを行っている。ボードを観察してみると、プログラマ・USBCDCとしてATSAMD21が搭載されている（中央の四角いQFNパッケージ）MCU的にはnEDBG

ATmega4809(megaAVR0)を試す

megaAVR 0という新しいAVRシリーズを試してみた｡小さいパッケージなのに､UARTが4本もあるのが気になったのがきっかけ｡登場すると噂の Arduino Uno Wifi rev2 にも採用されるらしい｡簡単にデータシートを眺めてみると､アーキテクチャはXmegaシリーズを簡素化し、動作電圧範囲を広げたもののようだ。 CPUの命令セットはAVRxtと新しくなっているが、Xmegaで拡張された一部の命令（DESやUSBで使われる命令）が削除されていて、基本的に今までのATmegaとほぼ同じだ。コンパイラからは、先に登場した新しいtinyAVR0, tinyAVR1シリーズと共にAVR8Xと呼ばれて区別されている。 CPU周りを見てみると､割り込みレベルなど､今までのクラシックなATmegaで足りないなと思っていたものがかなり強化されていた｡ ArduinoAPIを再実装するとしたら便利そうなペリフェラルもだいたい揃っている｡データシート P6 DMAは無いけれど､周辺機能にイベント駆動用の割り込みネットワークが張り巡らされているのがわかる｡できるだけCPUを介在させない使い方がいろいろ提案されているので、アプリケーションノートやマニュアルを読み込むことになる。ピックアップした特徴･データメモリ空間(64kB)に統合されたFlashROMとEEPROM ･RAM 6kB ROM 最大48kB (メモリ空間制限のため) ･デバッグ専用の端子 UPDIを搭載･優先度付きの割り込み(NMIと2レベル) ･ピン単位の割り込み（かなり複雑になった）･リセットコントローラ（ソフトウェアリセット用レジスタが実装され、リセット原因が何だったかもリセット後に読み出せるようになった）･豊富な16ビットタイマ(4809では5基）･16ビットリアルタイムカウンタ(RTC) ･豊富な非同期シリアル/同期シリアル(USART 4ch､SPI 1ch,TWI 1ch) ･内蔵クロックは最高20MHz(PLL)と32kHzの2種類。外部クロックは発振器と時計用水晶のみ･ADCは10bit 16ch ･内蔵VREF電圧が5種類と多い(0.55V,1.1V,1.5V.2.5V.4.3V

GPSアンテナをつくる

GPSアンテナを作ってみた｡ 1575MHzの波長は約19cmなので､半波長で9.5cmとなる｡ GHz帯とはいえ､結構長いものだなぁ｡セラミック等の誘電体がなければ､平面アンテナで真面目に半波長アンテナを作ろうとすると手のひらサイズの面積が必要になってしまう｡普通のダイポールだと指向性があるので､交差させてクロスダイポールにする｡屋外地上局のアマチュア衛星用アンテナの設計をそのまま縮小したもの｡水平パターンはややいびつ 92.2mmの真鍮の針金(Φ=0.5mmくらい)を2本用意して､42.3mmで90°に曲げる｡長さの同じ素子同士を並べて配置する｡ (全長が半波長より長い素子と短い素子が交差した状態) 片方をアンテナ信号線､もう片方をGNDにつなげば完成｡実際5分くらいでつくったけれど､果たしてどうだろうか｡今回は､道具箱に眠っていた表面実装タイプのMT3339系モジュールに取り付けた｡アンテナはもともと3x1.2mm程度のとても小さいチップアンテナで､ LNAが入っているけど感度が悪かったのでお蔵入りしていた代物｡最近の携帯機器はみなアンテナに厳しい｡さて･･･クロスダイポール版モジュールをPCでモニタしたウインドウ(左)と､QZ-Rader画面東側に建物遮蔽があるので､そちら側の衛星はSNが悪い｡とりあえず補足できた衛星数はシミュレーションされたものとほぼおなじだった｡アンテナの角度をいろいろ振って､逆さまにしてもロストすることはなかった｡セラミックのパッチアンテナレベルにはなったかな･･･｡簡単にできてそれなりに測位するけれど､携帯性は皆無になった｡あと､近接周波数の干渉を受けやすいかもしれない｡ GPSアンテナのDIY例としては､QFHアンテナもある｡ラジオゾンデなどで使われている例がある｡いつもお世話になっているQFHアンテナ計算シートのサイト https://www.jcoppens.com/ant/qfh/fotos_gps.en.php ヘリカルアンテナは加工精度の難易度が上がるので､今回はクロスダイポールにした｡ GNSSとなると､複数の周波数のために調整されているセラミックパッチアンテナが有利だと思う｡セラミックパッチア

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