[工房的電波方向探査]の記事一覧 | ＪＨ９ＤＭＤのTwitter別館

(RDF方探その6) RDF方探動画「番外編」

+前の記事の続き画面左のサイド自由欄でご案内してますとおり、電波方向探査の様子は動画サイトyoutubeで公開しています。しかし動画撮影しながらも泣く泣く編集カットとなったシーンもありますので、画像説明ではありますがご紹介いたします。。。　中国国際放送(CRI) 15160kHz短波放送はン十年前、BCLブームのころから聞いていますが今では短波のどこをワッチしてみても中国語の放送だらけ…動画では9MHzと7MHzのCRIを方探しましたが、同じ設備で15MHz帯もきちんと中国大陸方向を指しています。　中国国際放送(CRI) 17740kHzこれも中国のCRIですが、本機の設計周波数を超えた17MHzバンドの放送です。ドップラー方探は探査周波数が高くなるに比例して、電波のシフト幅が大きくなります。ナローFMの帯域を超えて受信機で復調できなくなると限界ですが、17MHzぐらいならまだ大丈夫なようです。　ラジオフリーアジア 17815kHz同じく17MHz帯ですが、めっちゃ強力かつクリアーに入感していました。LEDは中国大陸の方向を指していますが、後で調べたら送信地は中央アジアのタジキスタンだとか。。すごっ!　延辺人民放送局 1206kHz中波に切り替えてみました。中波ラジオ局では聞き覚えの無い周波数です。方向表示は雑音が多いせいか北方向を中心にブレまくっています。「えんぺんじんみんほうそうきょく」っていうらしいですが、初めて聞きました。方向表示は撮影の都合で受信機と一緒に撮ることができませんでしたのでマルの中に貼り付けています。　山陽放送ラジオ 1494kHz地元岡山のラジオ局です。QTHが判っていましたから、最初にこの放送局で方向表示の較正を行いました。岡山市と倉敷市の中間ぐらいの場所に送信所がありますので、北から1ドット東を表示するようにアンテナを設営しました。以上で一旦　RDFドップラーシフト電波方向探査アダプターの実験報告を終わらせていただきます。また何か追加の書き込み事項ができましたらUPさせていただきます。

(RDF方探その5) 受信機部とユニット全体の結線

+前の記事の続きアンテナ切り替え部から接続され、ドップラーシフトの変化を低周波信号に変換します。市販品をそのまま活用して簡素化しています。受信機の必要用件上記のとおり方探対象電波を AM と (ナロー)FM で受信出来て、外部スピーカー端子があれば受信機でも無線機でも使用可です。なお、方向探査を電波の強弱で判別する方式だと、受信回路に手を加えてアッテネーターを組み込む必要があるようですが・・結論から言えば本方式は方探原理が電波の強弱とは無関係ですから、基本的に影響されません。高価な無線機器を「そのためだけに」改造する必要は一切ありません。今回の実験では広帯域受信機 IC-R100 をノーマルな状態で使用しています。機器全体の接続左図がユニットごとの結線図です。切り替えユニットの0番端子に接続したアンテナは円周上の「北」の位置に置きます、同様に1番端子のアンテナは「東」、２番端子は「南」、３番端子が「西」となるよう設置します。ちょうど上から見て北-東-南-西の「右回転」で受信アンテナをスキャンするイメージです。(補足1)実際にはQTHが判っている局(中国大陸の放送や地元AMラジオ局等)を受信してみて、方向表示のずれをアンテナ位置の微調整で修正する必要があります。(補足2)アンテナの切り替え方向が北-西-南-東の「左回転」になっても結果は同じです。稼働時の動作すべて結線しましたら電源を投入します。本体部のアンテナスキャンSWはOFF、MONITER-SWはON にしておき、受信機で中波か短波の安定した放送局をAMモードで選局しますその局の方探を行うには、アンテナスキャンSWはON 、受信機を(ナローFM)に切り替えます。モニターSPからはドップラーシフトを検波したトーン波、「ピーーー」という音が聴こえますから、トーン波の位相とアンテナ切り替え信号が同期すれば、いままでクルクル回転するように点滅していた方探LEDが、どこか1点でピタリと停止するはずです。受信周波数を変え別の局を方探します、違う方向のLEDが点灯するかもしれません。百聞は一見に如かず。実際の様子をyoutube動画で説明していますので、URL⇒https://youtu.be/HZnndymrer8からご覧くださいませ。全然違う方向を表示する理由基板製作や機器結線に間違いがないのに、放送局の実際の方向とは違うLEDが点灯することがありますが、理由は何点かあります。理由①　FM波を検波して低周波増幅され、スピーカー端子から本体部に接続されるまでの過程で、オーディオ特性上の問題(歪みや位相反転)でトーン音に正しい位置情報が反映されていないことがあります。この場合の対策が上記補足1で行うアンテナの位置角度の微調整です。あるいは他の受信機に変更してみても良いかもしれません。理由②　電離層反射によって本来の方向よりも違う角度からの電波が強かった場合。左の図2のように遠距離から送信された電波は、様々な自然現象の影響を受けながら伝播してきます。仮にA国の放送局を方探した結果、LEDがA国の方向とは真逆を示したならば、受信側の上空に発生している電離層の後方反射波の方が強かったのかも知れません(図2)。あるいはロングパス(LP)で入感している可能性もあります。したがってこの場合は真逆の方向表示が正しい表示なのです。なぜなら本機は「最も強く電波が到来する方向」を表示する機器ですから。理由③　極めて不規則な周期のフェージングを伴っている場合です。本機の動作原理は至ってシンプルです。素直に電波の最大到来方向を表示しますが、シンプルすぎるがゆえにマルチパス等の位相変動に対してはある意味無防備です。マイコン処理で補正を行う等の小細工もひとつの手段かもしれませんが、今回はシンプルに徹するということで避けようのない誤差とさせてもらいます。参考レポートとしてyoutubeにUPした動画では、発信地を百発百中のように表示している印象がありますが(笑)実際には動画時間の関係で、放送局の送信地とLED表示が合致したものを抜粋して編集したものでありますことをご理解くださいませ(拝)

(RDF方探その4) アンテナ切り替え部

+前の記事からの続き4つの端子に接続されたアンテナを1/1000秒間でスキャンし、受信機部に送る働きをします。。電子スイッチ素子については、通過ロスが少なくかつOFF時のアイソレーションも良好なものを選定する必要があります。　.アンテナ切り替え部タイトル写真のとおり、外装はアルミボディ。入力端子はF型コネクターを装着し、回路を組み込んだ後、生プリント板で蓋をすることでガッチリとシールドを施しています。切り替え素子にはアナログスイッチICの74HC4051を使っています。下手にダイオードスイッチを組み込むより、左写真のように周辺部品がパスコンだけという至ってシンプルな回路構成となります。回路図を文末に置きました。このICは最大8つまでコントロール可能で、使用周波数も30MHzあたりまで目立った特性悪化はありませんから、使い勝手の良いICといえます。回路図をクリックで拡大表示します以下、受信機部と全体結線と続きます。

(RDF方探その3) 方探アンテナ部の設計

+前の記事からの続き方向探査を行う電波を受信するアンテナです。アンテナの数、設置する位置や間隔の精度が、そのまま方向表示の精度に直結します。ドップラーRDFの要　方探アンテナの製作受信電波にドップラー効果を与えることによって電波の到来方向を割り出すRDFにとって、大切な部分となります。本実験記で使用した方探アンテナは円周上に等間隔で4本。　到来方向を360°で検知するには原理的にこれ以上減らすことの出来ない必要最低限の本数です。逆に方探アンテナが多ければ多いほど方探精度も向上しますが、製作の工程が増えて大がかりなシステムになってしまいます。その1の原理説明で少し触れましたが、本機では複数のアンテナを円周上にあらかじめ設置し、使用するアンテナを電気的に高速切り替えながら目的波を受信することで、「疑似的な」ドップラー効果が加わった信号波(FM波)を得ています。今回はFM波を低周波のトーン波として取り出すのに市販受信機を流用する関係上、ドップラー効果のかかり方もナローFMの規格内となるよう考慮する必要があります。具体的には・・・トーン音の周波数は音声帯域の真ん中の1kHz、シフトは搬送波の±1kHz程度となるよう、アンテナを設置する円周の半径と切り替え速度を選定します。受信周波数は15MHz、アンテナを配置する円周の半径は3m、アンテナの本数は4本とし、このアンテナを各250μsの時間配分を設けて周回状に切り替えながら受信します。すると結果として、15MHzを中心として±942Hzシフト、変調周波数が1kHzのFM波が得られます。＊根拠となる計算式は記事末尾に掲載しています。アンテナエレメント、給電線の構造以上のようにアンテナの配置関係については精度を求められるのですが、エレメント部分についてはかなりラフな作り方をしています。地べたに1mの塩ビ管を立てて、ビニール線エレメントを沿わせています。最初は3.6m長のグラスロッド(タイトル写真)を支柱に使いましたが、1m長でも短波放送は強力に受信出来ますので、コンパクトで撤収も楽な塩ビ管アンテナが定番となりました。接続する同軸ケーブルについても、送信用ではありませんから安価なTV用の3C2Vを使っています。給電部は芯線だけに接続し、網線はそのまま何もしていません。共振も整合も度外視OKです。ただし、ケーブルの長さ(物理長)と材質(波長短縮率)は4本ともキッチリ合わせる必要があります。特性が異なるのが1本でもあるとドップラー効果のかかり方がいびつになり、方探精度が悪化するからです。アンテナの各種要素からシフト幅を求める公式本機のアンテナ部は設計周波数を15MHzとしました。そのままでも極めて広帯域に使用する事が可能ですが、大きく異なる周波数帯では改めて設計しなおした方が良いかと思います。送信源の周波数とアンテナの移動（回転）速度、さらにそのアンテナが受信した電波の周波数シフトとの関係を公式を元に求めてみましょう。アンテナが周回する円の半径= 3m　　　毎秒ごとの回転数(p) = 1000回　とすると、移動距離[V] = 2 x 3.14 x r x p = 18840(m/毎秒) つまり、1周 18.84m の円周上を秒速 18,840mで移動していることになります。さらに　発信源の周波数(Ft) = 15MHz　　光の速度(C) = 3x10^8 (m/毎秒)とすると、周波数のシフト(df)は次式で計算されます周波数シフト[dF] = (Ft x V) / C 上の式に代入すると dF = 15 X 10^6 X 18840 / 3 X 10^8　　　　　　　　　　　 = 942近づく側の半円周と遠ざかる側の半円周で、それぞれプラスとマイナスのシフトが発生しますから周波数のシフトは ±942Hz となります。なお、検波後のトーン周波数は毎秒ごとの回転数(p)のみで決定されますので、 1kHz です。ここは受信機のオーディオ帯域のド真ん中を選んだ方が無難だと思いますが、アンテナ回転周期を変更することで任意に選べます。ただし上記計算式のとおり、アンテナ回転数を上げれば受信波のシフト幅が大きくなり、またトーン周波数も上がりますからFM受信機の規格を超えないよう注意が必要です。以下、アンテナ切り替え部の解説、回路図と続きます。

(RDF方探その2) 方探本体部の回路構成

+前の記事からの続き方探本体部は本機の中心的役割をする部分です。キット販売品ではありませんのでケース加工も含めて完全自作となります。回路動作について文末に回路図を置きました。回路図をクリックで別窓が開きます。主要ICが3つだけという至ってシンプルなものです。トーンデコーダICのNE567(以下567)は受信機からのトーン信号を内部のPLL回路でフィルタリングし、方形波に波形整形して 74HC4514(以下4514)にラッチパルスとして接続します。74HC4060(以下4060)は全体のタイミングを発生させるICです。8kHz、4kHz、2kHz、1kHz、の各出力は4514に4bit信号として接続されLED表示に利用されます。LEDはサークル状に16コ配置し、567からのラッチパルスにより、16コのLEDで360°の方向を表現します。4060の出力のうち1kHzと2kHzの信号はアンテナをスイッチする信号としてアンテナ切り替え部に電源ラインとともに多芯ケーブルを介して送られます。調整について基板製作は慣れた方なら１時間ほどで済んでしまうでしょう。電源を投入するとサークル状LEDがルーレットのようにくるくる回転するように点滅します。LED点滅が回転状でなく不規則に飛び飛びになったり、点灯しないのがあるようなら、LEDか4514まわりの誤配線です。静止したまままならば4060が発振していません。ここまで確認出来たら仕上げです。調整点は１か所だけ、5kΩのVR1を回して567のVCO周波数を4060の1kHz出力に同期させるようにし、LEDの点滅を1コだけの回転状態からさらに静止状態近くまで持っていきます。完全に静止させる必要はありません。(補足1) 4060を発振させるセラミック振動子について・・・回路図では512kHzとなっていますが、512kHzを使えば結果としてピッタリ1kHzが得られますよというだけで、入手の容易な500kHzを使っても特に不都合は生じません。私も500kHzを使っています。(補足2) 回路図には3つのスイッチがあります。電源SWとトーン音を確認するスピーカーのON/OFFと、もうひとつ重要な、4060の全出力を「L」にするSWです。アンテナ切り替え動作を止める理由は、アンテナスキャン中は対象電波の音声が聞こえないためです。4060のRSTを「H」(回路図の状態)でカウンターがリセットされて全出力が「L」になります。回路図をクリックで全体表示に変わります　以下、方探アンテナの設計、回路図の解説と続きます。

(RDF方探その1) ドップラー電波方向探査とは

+以前からV.UHF帯の方向探査実験として取り組んでいたテーマでしたが、ふと思い立って2018年冬、10数年ぶりに改めて機材を整備してフィールド実験をしてみました。電波方向探査の対象とした周波数帯は、中波の500kHzから短波の15MHzまで。16ケのLEDをサークル状に並べて方向表示器にしました。ドップラーシフト方式の電波方向探査とは電波方向探査には、単一指向性アンテナを使いその受信強度が最大の方向（あるいは最小の逆方向）を発信源と特定する方法があります。これは受信電波の強弱で到来方向を判別する最もポピュラーな手法ですが、今回実験を行ったのは電波の強弱ではなく「電波のドップラー効果」を利用して発信源を探査する方法です。以下　順を追って説明いたしますが、ドップラー方式はその探査可能な周波数帯域が極めて広く取れるのが特徴です。指向性アンテナを使用していないので、共振も整合もシビアに考える必要は無く、とりあえず聞こえさえすれば方向探査が可能です。　youtubeで実験の様子を公開いたしておりますが、中波ラジオ放送局の方向探査も、簡易な設備で実現させています。写真は本稿で紹介する電波方向探査アダプター（以下”本機”と略）の本体部分となる「LED表示部」です。　このほか設備全体では、対象電波を捉えるための「方探アンテナ」、そして目的電波を受信・復調する「受信機」の３つの主要部から成り立ちます。最初に述べたとおり、製作工程についても極力簡単になるようアレンジしております。以下、本機の動作原理と製作の説明　さらに実験結果のレポートと続けていきたいと思います。「ドップラー効果」　学生時代に物理の時間で習ったという方も多いでしょう。本機で採用した電波方向探査の原理は、電波の伝達時間から生じるドップラー効果を利用して行います。衛星通信をされる方は、超高速移動する衛星から発射される電波が本来の周波数よりズレて聞こえてくるのはご経験の事かと思います。逆に送信側が静止していて、受信する側が超高速で送信側に向かって(逆に遠ざかって)移動した場合でも、相対距離の変化が同じならば受信電波には同様の現象が現れます。それでは受信側が直線移動ではなく、(図1)のようにある一定の円周に沿ってぐるぐると周回移動した場合を考えてみましょう。すると送信元に向かう速度が最も速いＡ点、送信元から遠ざかる速度の最も速いＣ点、そして送信元との距離変化が殆ど無いＢ点とＤ点が周期的に現れます。この時の受信周波数は、ドップラー効果の影響を最も受けるＡ点ではプラス側にシフトし、同じくＣ点ではマイナス側にシフトします。Ｂ点とＤ点では受信周波数の変化は最小となります。ここで整理すると、図1の　円の中心点から見て　受信波のシフトが「プラスからマイナスに変化する円周上の地点」、つまりシフトが最小のアンテナの位置（Ｂ点）を通過する延長線上に、電波の到来方向があるということが判ります。したがって周波数の偏移がゼロになる位置を電気的に求めればよい訳ですが、高周波信号のままでは扱いにくいのでFM受信機を使い、電波のシフト変化を低周波のトーン信号に変換します。図2㊤が受信波のイメージ図です。お判りのとおり「変調周波数がアンテナ回転周期と等しい」、「変調波の位相が電波の到来方向によって変化する」などFM変調波そのものです。スピーカー端子から「ピーーー」というトーン音が得られますので、このトーン波の位相とアンテナ回転周期との位相差を求めることで電波の到来方向が判るという仕組みです。ざっくりとした説明でしたが、以上が本機の動作原理となります。ちなみに方探が可能な電波は上記の動作原理から、AM,FM,CWなど連続した搬送波のある電波形式です。また、実際にアンテナそのものをドップラー効果が発生するような超高速で回転させるのは現実的に不可能です。本機では複数設置したアンテナを電気的に切り替えることで「疑似的な」ドップラー効果を発生させています。以下、方探本体部分の動作説明、回路図の解説と続きます。