先日、QFHアンテナを屋根上にあげて、衛星からの電波を受信しています。SatNOGSへも登録ができ、誰でも受信司令を出したり、過去の受信データを参照できる状態になりました。興味があったら試してみてください。
https://network.satnogs.org/observations/?station=2370
さて、木曜日に大学の無線班ミーティング後に、ロールコールがあったのですが、私の家は大学から離れており、なかなか快適にロールコールに参加できていませんでした。そこで、屋根上にあげたQFHアンテナだとどうなるか試してみたのですが、多少改善したものの、全員とは交信ができる状態ではありませんでした。QFHアンテナは地平線方向への利得はあまり高くないですので当然の結果と言えば当然の結果です。
というわけで、八木アンテナを作ってもっと快適にロールコールに参加できるようにしようと画策しています。簡単に作れる八木アンテナとしてJAMSATのWebページで公開されている500円八木アンテナ[1][2]があります。今回はこちらをもとに検討してみました。
検討方法は、設計データをもとに、アンテナシミュレータで解析し、設計の妥当性や調整を行、実際に作って交信してみるというものです。この記事ではシミュレーションを行います。後日、設計の調整や製作、交信実験の結果を示そうと思います。
アマチュア無線家がよく使っているアンテナシミュレータにMMANA-GAL[4]というものがあります。これはJE3HHT氏が開発したモーメント法のシミュレーションMMANA[3]の改良版という位置付けのようで、JE3HHT, DL1PBD, DL2KQによって開発されています。このソフトウエアはかなり使い始めやすいので今回はこのソフトを使用してみます。
MMANA-GALのダウンロードとインストール
MMANA-GALのダウンロードページからダウンロードして、インストールしてください。
「Download MMANA-GAL basic version」と書いてあるリンクからダウンロードできます。
MMANA-GALはbasicバージョンとPROバージョンがあって、basicバージョンは解析規模と非商用利用の制限がありますが、無料で使えます。単一の八木アンテナ程度であれば十分足りるはずです。（ちなみに、私はパラボラアンテナをシミュレーションしようとしたら、規模制限に引っかかって、openMoMに移行したという経緯があります。）
ダウンロードしたインストーラーを実行して、インストールします。インストールが終わったら、起動できるようになっているはずです。もしかしたら、管理者権限を入れないと設定が書き込めなくてエラーが出るかもですが、適宜設定してください。
あと、言語設定で日本語が選べますが、初期状態だと化けます。必要であれば、以下の無録記事を参考に修正してください。ただし、全部は文字化けが消えないようです。この記事でも後半で文字化けがひどくなったので英語に戻しています。
アンテナモデルの作成
JAMSATの設計データ[1]を参考に、データを入力していきます。今回は6エレのデータを使ってみます。
設計データ（出典：JAMSAT Webページ[1]）
アンテナ定義に移動して、適当な名前を入力して、周波数を435MHzに設定します。
今回はx軸をアンテナの放射方向にします。垂直偏波にしたいので、縦にエレメントを並べます。
まずは、反射器（REF）から入力します。長さ340mmの3mm棒ですので、以下のように入力してください。数値の単位は基本的にメートルで、線分の半径Rのみmmです。Segは-1推奨です。
形状タブに移動すると、340mmの長さの棒が表示されています。モーメント法のアンテナシミュレータは、アンテナをこのような線分の組み合わせで表すことでアンテナをモデリングします。
次は、放射器を作ります。放射器は下の図のようなJ型の形をしています。横幅が330mmで、縦幅が13mmです。太さは他と同じで3mmです。
この時注意が必要なのが、上の横棒と同軸ケーブルのGND側に繋がるT分岐です。ここを、一本の横棒と同軸ケーブル分の縦棒で表現すると、これらの線分が電気的に繋がっていないことになって、シミュレーション結果がおかしくなります。よくハマるポイントなので注意してください。正しくシミュレーションするには、緑と青と黒の成分で分ける必要があります。つまり、放射器を表現するためには、5本の線分要素が必要になります。ちなみに、同軸ケーブルの芯線とGND線は分ける必要はありません。中央で縦につなぐエレメントの中央から給電するというふうに指定します。
緑線から時計回りに一筆書きするように作っていきます。X=64mmで5本線を以下のように追加します。左下の給電点の新規の隣にw6cと入力します。これで6番目のエレメントの中央から給電する構造になります。電圧と位相は自動的に入力されますので、変更しないでください。
形状タブに移動すると、中央に赤丸があるJ型の放射器が作られているのがわかります。赤丸は給電点を示しています。
最後に導波器を4つ、反射器と同様に配置して、形状は完成です。
アンテナの解析
計算タブに行って、計算条件（自由空間/地上高、ワイヤー素材）を指定して、開始をクリックしたら計算が始まります。とりあえず今回は自由空間で計算してみます。しばらくすると計算結果が表示されて、パターンタブに行くと放射パターンが見れます。
SWRが2.39で最大利得が11.01dBiという結果になりました。最大利得はJAMSATが言う11.2dBiに近いですが、SWRが悪いですので、放射器の長さを調整しましょう。JAMSATの別のページによると、10mm弱切ることになるそうです。
エレメント長の調整
まずは、SWRがどこで落ちているのかをみるために、周波数特性ボタンをクリックします。すると下のような画面が出てきます。
文字化けしていますが、右の8000kHzは帯域幅ですので、10000kHz (=10MHz, 430~440MHz)に変えて、推測、全点、詳細のどれかのボタンをクリックします。後者ほど時間がかかりますが正確な周波数特性が取れるようです。今回は、簡単なモデルですので詳細をクリックしてみます。その後、SWRをみてみると次のようなグラフが出てきて、低いところでSWRが落ちていそうだと分かります。
放射器の長さをカットすることで435MHzで最小のSWRにできそうです。手動で調整してもいいですが、MMANAには最適化機能があるので、それを使ってみます。
周波数特性のウィンドウを閉じて、最適化ボタンをクリックします。最適化ウィンドウが開きます。（文字化けがかなりひどいので言語を英語に戻しています。）
下の表のTypeをクリックしてWireを選びます。
Positionを2(ワイヤーの番号に対応)にして、WhatをZ1にします。
Stepが0.001m(=1mm)であることを確認します。
上のRate of evaluationはどの部分を重点的に改善するかを指定するものです。今回はSWRを下げたいので、SWRを右に振って、他の要素は左に振ります。
MMANA-GALが自動的に長さを変えながらシミュレーションをして、SWRの低くなる長さを見つけてくれます。MMANA-GALが「Save optimization log as *.mao file?」と聞かれますので、シミュレーションのログを保存しておきましょう。
結果は以下の通りで、430~440MHzでSWRが1.8以下になっており、アンテナの性能が確認できました。
おまけ
6エレメント以外にも、11エレメントまで設計データがありますが、私がMMANA-GALで試したところ、他の設計はあまり帯域幅が広くないようです。帯域幅の検証はもう少し時間をかけて後日記事にします。
