作ろう！お手軽UHF
アンテナ大研究2019年8月31日
JAIA技術委員会

はじめに
本講演では、サイズが手頃な430MHz帯のシンプルなアンテナを自作してシミュレーション結果との比較を行います。
調整後の寸法データを公開します。
皆さん自作にチャレンジしてみませんか？
そして、このアンテナをアンテナアナライザーの簡単な使い方を説明しながら測定してみます。
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講演メニュー

1. 430MHz帯パッチアンテナを自作しよう
2. 430MHz帯J型アンテナを自作しよう
3. アンテナアナライザーの機能説明と同軸ケーブルの特性について

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430MHz帯についてレピーターやD-STARもあり、楽しめるバンドです。
まずは、自作する2つのアンテナから、１つ目のパッチアンテナの概要を説明します。
3430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
パッチアンテナとは？

金属地板(グラウンド)のすぐ上に円形または四角形の放射板を設定して給電するアンテナ→ 指向性に優れ、高利得セラミックで超小型化したものは、GPSアンテナとしてナビゲーションシステム等で使用されています。
また、基板でアレーにしたものは、ETCのシステム(料金所の上に設置)に使われています。
4430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
本講演で紹介するパッチアンテナは、基板等を使わず、金属部品の加工のみで製作できるシンプルな構造です。

センターからオフセット

パッチアンテナのインピーダンスマッチングは、給電位置をセンターからオフセットすることで整合できます。
また、金属板の間は誘電体がある状態よりも、空気(誘電率≒1)のほうが、より高利得になります。
5430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
シミュレーションモデル

給電点
まずはシミュレーションで寸法を追い込みます。
放射器の形状は、自作する場合を考慮して、加工しやすい四角形を選択します。
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430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
VSWRのシミュレーション結果

430MHz

440MHzVSWRは帯域内で1.5に収まっています。
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430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
スミスチャート表示

VSWR: 1.5の円誘導性の領域
容量性の領域

435MHz
VSWR: 2.0の円

8430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
放射パターンの3Dイメージ

鋭い指向性です。

9430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
放射パターンメインビーム利得は約 9.0 dBi
→ 4素子の八木アンテナと同等な利得です。

F/B(前後)比は 約 13 dB

10430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
自作するために用意する部品
300mm

500mm

厚さ1mm程度

311mm

N-J レセプタクル※M-Jのレセプタクル
でも可

厚さ2mm程度

500mm

六角ボルト
M8×45 … 1本
六角ナット
M8 … 3個

皿ねじ

M3×10 … 4本

六角ナット
M3 … 4個

11430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
金属板はどう用意すればいいの？

きりいた.com
https://www.kiriita.com/
フリーカットで購入可能です。
※無料の会員登録が必要
値段は？ (2019年8月上旬現在)
真鍮板 ：￥3,500程度
アルミ板 ：￥8,000程度 (アルミの値段が高騰しています)12430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
放射器となる真鍮板できるだけ正確に穴加工します。
アンテナの偏波面110mm(0.16λ)センターに8mmの穴板の中心と給電点を結ぶ線の方向が偏波面になります。

311mm(0.451λ)300mm(0.435λ)13430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
地板となるアルミ板できるだけ正確に穴加工します。

サイズ
500×500mm

450×450mm以上を推奨

コネクターを固定するための穴

18.2

110 センターに8mmの穴

18.2

詳細

4×Φ3.5 Φ15
皿もみ14

430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
穴を開けたら、あとは組み立てるのみです。
図のような構成で組み立てます。
はんだ付け
拡大板の間隔が29mmになるように六角ナットを調整する。

六角ナットと各ねじ部はしっかり締め付けて固定します。

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430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
完成したアンテナ(斜め上から)

はんだ付け

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430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
実測したVSWR

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430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
実測したスミスチャート

シミュレーション結果

18430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
シミュレーションと実測値の比較

シミュレーション

実測値

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430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！

シミュレーションで算出した寸法値で製作したところ、VSWR特性の計算値と実測値は非常に近い結果になりました。
シンプルな構造のアンテナですが、高利得なアンテナになっているのがわかると思います。

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430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
今回、アルミ板と真鍮板の間隔を29mmとしましたが、これを1mm増やして30mmにすると、foが1.3MHzほど低めに移動します。
逆に間隔を28mmにすると、foが1.3MHzほど高めに移動します。
自作調整時の参考にしてください。
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430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
◆もっと利得を上げられる？

×利得向上には効果無し

八木アンテナのように導波器となるような板を上方に設置しても、大して利得は上がりません。
この形式で利得を上げたい場合は、同じアンテナをスタック(1波長の間隔で並べる)にして分配給電する必要があります。
○スタックにする
1λ●受風面積が広いので、設置には風の影響を考慮しなくてはいけません。
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430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
中心周波数foを低い方にずらしたい！

fo：430MHz110mm

穴位置は変えずに放射器の311mm側を両端2mm(合計4mm)延長した板で製作するとぴったりです。

センターに8mmの穴

300mm

315mm
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430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
中心周波数foを高い方にずらしたい！

fo：440MHz110mm

穴位置は変えずに放射器の311mm側を両端2mm(合計4mm)短縮した板で製作するとぴったりです。

センターに8mmの穴

300mm

307mm
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430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
設置のための金具位置スペース

給電点

このままだと設置するための金具スペースがありません。
提案例
左右に広めの長方形地板
横600mm×縦500mm に取付金具2式を使ってベランダ手すりに取り付けたイメージです。
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430MHz帯パッチアンテナを自作しよう！
裏面のコネクター側から見たイメージです。

垂直偏波で使用する場合、中心のボルトに対して、上または下にコネクターがくるように設置します。

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430MHz帯のアンテナを自作しよう！

もう一つ、シンプルな構造のJ型アンテナを作ってみましょう！

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430MHz帯J型アンテナを自作しよう！

J型アンテナとは？
λ/2+λ/4の素子とλ/4のトラップをJの字型にλ/2配置し、右図のような給電をすることでマッチングがとれる、シンプルなアンテナ。
λ/4ある程度長さが合っていれば広帯域なVSWR性能が得られ、LCマッチング回路が不要なアンテナです。

λ/4

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430MHz帯J型アンテナを自作しよう！
VSWRのシミュレーション結果

VSWR：1.5

430MHz

440MHz

広帯域なVSWR特性です。
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430MHz帯J型アンテナを自作しよう！
放射パターンの3Dイメージ
ダイポールアンテナと同じような8の字指向性
利得もほぼ同等です。

利得は 約2.0 dBi

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430MHz帯J型アンテナを自作しよう！
実際に作ってみました！
Φ5×厚み1mm の真鍮管 長さ515mm
コネクターの芯線に接続

Φ3×厚み0.5mm の真鍮管+真鍮の六角スペーサー 合計144mm
コネクターのフランジ部(GND)に直結
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430MHz帯J型アンテナを自作しよう！
パッチアンテナでも使用したN-Jレセプタクル
できるだけフランジ面に近い位置で2本の棒をショートします。
今回は全長55mmのホルマル線の両端にラグ端子を使用しました。

間隔：約13mm
ラグ端子は六角スペーサーとフランジの間に入れて挟み込む

2本のパイプを平行に保つために、FRP管に穴を開けて通しました。

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430MHz帯J型アンテナを自作しよう！
ホルマル線を軽くループさせて芯線側の管につなぎます。

裏側ではんだ付けしています。

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430MHz帯J型アンテナを自作しよう！
実測したVSWR

VSWR：1.5

430MHz

440MHz

実測値もかなりの広帯域特性を示しています。

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430MHz帯J型アンテナを自作しよう！
設置方法の提案
コネクターを下向きにしているので、このような曲げ板金具を作って設置してみました。
試作してみたところ、金具の大きさによって特性値が変化します。
同軸ケーブルにフェライトコアを通したりして、SWRを安定させた方が良さそうです。
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アンテナアナライザーの機能説明と試作したアンテナの測定

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アンテナアナライザーで測定してみよう！
今度は、この製作したアンテナをアンテナアナライザーで測定してみます。

アンテナアナライザーで何ができるのか？
測定系(アンテナやフィルター等)のSWRとインピーダンスを測定できる自作したアンテナを手早く測定できるツールです。
コメット(株) 製

CAA-500 MarkII

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アンテナアナライザーで測定してみよう！
通過型SWR計との違い・特長

通過型SWR計

アンテナ
アナライザー

測定できる項目

入力電力・反射電力
SWR

SWR
インピーダンス

周波数範囲

1.8～200MHz
140～500MHz 等

1.8～500MHz (連続)

持ち運び大変(無線機とペアが必須)

単独で持ち運び可能

運用中の確認

つなぎ直さずにリアルタイムで確認可能

確認後に切り離す必要があるのでリアルタイム確認ができない帯域内であれば業務用無線の周波数にも対応

38アンテナアナライザーで測定してみよう！
測定の方法①アンテナまたは接続されている同軸ケーブルのコネクターにつなげる。
②測定したい周波数帯周辺をスイープさせて、SWRの値を見る。というのが主な使い方です。

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アンテナアナライザーで測定してみよう！
クロスメーターの見方
左がSWR
左下がSWR 1.0
右上がSWR 6以上
右がインピーダンスを指します。
右下が 0Ω
左上が 200Ω以上

SWR 1.00Ω

きちんと整合されたアンテナを共振周波数で測定するとSWR=1、50Ω付近を指します。
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アンテナアナライザーで測定してみよう！
※UHF帯では、回路内の測定点からコネクターまでの線路長の影響や浮遊容量の影響でSWRが1.0まで下がらないことがあります。

アンテナによっては、50Ωを指していても、SWRが悪い場合があります。

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アンテナアナライザーで測定してみよう！
インピーダンスが50Ωを指していてもSWRが悪いのはなぜ？
インピーダンスの絶対値|Z|の式は2| Z |= R + X

2R ： 抵抗X ： リアクタンスのため、リアクタンス成分があっても50Ωになる場合があります。
リアクタンス成分が多いとSWRは良くなりません。

SWRを1.0に近づけるには、レジスタンスRを50Ω、リアクタンスXを0Ωに近づける必要があります。
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アンテナアナライザーで測定してみよう！
アンテナを測定するときは、アナライザーはどの測定点がいいの？
● GPアンテナ系
アンテナ直下が理想的。
理由：ケーブル込みで測定して数値が良くない場合、アンテナなのか同軸ケーブルの影響なのかの見極めが難しいため。
ただし、信頼性の高い同軸ケーブルを使用している場合は、ケーブル込みでも許容できます。
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アンテナアナライザーで測定してみよう！
アンテナを測定するときは、アナライザーはどの測定点がいいの？
■ モービルアンテナ系
ケーブルを配線して、運用形態に近い状態を推奨。
→ ケーブルの特性込みの値になってしまうが、接地が必要なアンテナが多いため◆ ハンディーアンテナ系
筐体の影響によって特性値が変化するので、あくまで参考程度とする。
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アンテナアナライザーで測定してみよう！
同軸ケーブルによる影響について同軸ケーブルの特性インピーダンスは3D-2V , 5D-FB等で50Ωとされていますが、同軸コネクターの精度やケーブルアセンブリの正確性で誤差が生じると、周波数が高くなるにつれて50Ωからどんどんずれてくる特性となります。

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アンテナアナライザーで測定してみよう！
高品質なコネクターと同軸ケーブルの特性
例 : 5D-2W + N-P ×2

VSWR:1.2の円

測定帯域：
500kHz～1GHz
スミスチャートの中心50+j0 [Ω]の点付近で小さくまとまっているので、VSWRが広帯域で良好
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アンテナアナライザーで測定してみよう！
精度が低いコネクターと同軸ケーブル
例 : RG-58A/U+ ML-J ×2

VSWR:1.2の円

測定帯域：
500kHz～1GHz
スミスチャートの中心
50+j0 [Ω]の点付近から渦巻き状に広がっていくので、VSWRが高周波帯になるほど悪化する47

アンテナアナライザーで測定してみよう！
測定するケーブルの長さは好きな長さでいいの？
理想的なのは、λ/2の整数倍(λ/2、1λ、3λ/2、…)の長さλ/2波の同軸ケーブルの電流・電圧分布 例
λ/2の整数倍(λ/2、1λ、3λ/2、2λ、…)だと両端のインピーダンスがほぼ同じになり、ケーブルによるインピーダンスの変化・影響をかなり取り除くことができます。
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アンテナアナライザーで測定してみよう！
実際にケーブルを作ってみました。

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アンテナアナライザーで測定してみよう！

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アンテナアナライザーで測定してみよう！

●144MHz帯は、430MHz帯のほぼ3倍の波長に当たるため、1.4m の長さで同軸ケーブルを用意すると、144MHz帯 : 1λ , 430MHz帯 : 3λ のケーブルとなり、両方のバンドで測定するのに役立ちます。
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アンテナアナライザーで測定してみよう！
435MHz 3λ/2 ケーブル
ネットワークアナライザー
でスミスチャート測定
終端開放状態で見ると、インピーダンスが非常に高い状態です。

インピーダンス：高い(理想に近い状態)

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アンテナアナライザーで測定してみよう！
435MHz 3λ/2 ケーブル
アナライザーに同じく終端開放で接続すると、インピーダンス表示は 300Ω を超えて振り切れた高い値を示しています。

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アンテナアナライザーで測定してみよう！
λ/4の同軸ケーブルの電流・電圧分布 例

電流と電圧の腹が両端で入れ替わるため、両端でのインピーダンスは異なる値を示します。
λ/4の奇数倍 (λ/4、3λ/4、5λ/4、7λ/4…)周期でこの状態になる
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アンテナアナライザーで測定してみよう！
実際にケーブルを作ってみました。

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アンテナアナライザーで測定してみよう！
435MHz 7λ/4 ケーブル
ネットワークアナライザー
でスミスチャート測定

終端開放状態で見ると、左側の低いインピーダンス方向にきています。

インピーダンス：低い

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アンテナアナライザーで測定してみよう！
435MHz 7λ/4 ケーブル

アナライザーに同じく終端開放で接続すると、インピーダンス表示は 0Ω に近い値を示しています。

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アンテナアナライザーで測定してみよう！
両方のケーブルで試作したパッチアンテナを測定してみます。

高めの周波数帯で波形に違いが生じています。
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アンテナアナライザーで測定してみよう！
foより少し高い周波数での違いを見てみます。

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アンテナアナライザーで測定してみよう！
両方のケーブルでJ型アンテナを測定してみます。

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アンテナアナライザーで測定してみよう！

計算式

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Z2 = 50 / Z1 = 33.3[Ω]こういったアンテナを測定する場合は、ケーブル長に配慮する必要があります。
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アンテナアナライザーで測定してみよう！

ケーブルがλ/2の整数倍かどうかを簡易的に確認する方法として、先に示したようにアナライザーに終端開放で接続し、インピーダンスの値を確認することをおすすめします。
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まとめ1
シンプルな構造かつ手に入れやすい材料で430MHz帯のアンテナを作ってみました。
今回紹介したアンテナは簡易的な作り方で紹介しましたが、しっかり強度を持たせて作れば、移動運用やアパマン運用でも使えそうなアンテナだと思います。

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まとめ2
アンテナアナライザーは、こういった自作時にSWRの確認が容易になって便利です。
試行錯誤することで完成したアンテナは、より愛着がわいたものになるかも？
ケーブルの長さで周期的に特性が変化することを理解していると、より理想に近い状態で測定できると思います。
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最後に今回公開したアンテナの寸法値は、あくまで参考値です。寸法値通りに製作したときの性能を保証するものではありませんのでご了承ください。

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おしまい

ご清聴ありがとうございました。