アンテナ ノイズフロア比較

最近、我が家のBCL受信でメインに使っているアンテナ(80cmフラフープループ+BCL-LOOP13rev2)のノイズフロアが上がり気味だったので、各部の点検とゲイン再調整をしてみました。雨ざらしで使ってるので、端子の腐食で接触が悪くなっていたのが原因だったようです。端子をつなぎ直して養生し、ついでにアンプゲインを少し絞り気味に再調整することで、なんとか元のノイズフロアに復活しました。
夕方のRadio Kuwait(15515kHz)を受信してみたのが下の画像です。
受信機：Airspy HF+
ソフト：SDR-Console Ver.3.0β2

アンテナ(1)：80cmフラフープループ + BCL-LOOP13rev2.0
ノイズフロア：-120dBm付近


他のサブのアンテナとの受信比較もしてみます。

アンテナ(2)：1mアルミパイプ三角形ループ + BCL-LOOP10
ノイズフロア：-120dBmよりわずかに低い


アンテナ(3)：303WA-2 ホイップアンテナ
ノイズフロア：-110dBm付近


というわけで、少し恣意的な結果ではありますが、磁界成分を拾う微小ループアンテナ(1)(2)のほうが、電界成分を拾うアンテナ(3)よりも10dBほど低いノイズフロアになっています。これは、ローバンドなど他の周波数帯でも同じような傾向です。
これだけ見ると、ノイズが10dB低いループアンテナのほうが圧勝のような印象ですが、実は肝心の信号レベルも数dB下がっているので、S/Nとしてはさほど大きな差があるわけではありません。
確かに、今回のような夕方のハイバンドでは、ループアンテナのほうがS/Nが良く、了解度が勝っていますが、逆に深夜のローバンドに関しては303WA-2のほうがループアンテナよりも信号ゲインが高くなるので、たとえノイズフロアが高くても、S/Nとしてはわずかに上回り、了解度は303WA-2のほうが良くなります。
アンテナの形式として、微小ループのような磁界成分を拾うタイプのほうが性能的に有利、と一般的に言われており、理論的にも確かにそのとおりなのですが、実際にはいろんな視点で細かく見ていくと、一長一短があることがわかります。
このことはKiwiSDRサーバーを公開するようになってから、かなり痛切に感じるようになりました。長中短波帯(～30MHz)全部をまんべんなくカバーする受信環境を作るのは意外と難しくて骨が折れます。いやあ、奥が深い。でも面白い。

KiwiSDR専用受信ソフト"directKiwi"

休日の今日、アンテナ工作の続きでもやろうかと考えていましたが、外はあいにくの雨。梅雨の季節に入っているのでしかたないですね。室内でおとなしくしています。

今回は、KiwiSDR専用の受信ソフトを見つけましたのでご紹介しておきます。
directKiwi
作者はフランスのlinkzさんという方のようです。ソフトは上記サイトからダウンロードできます。現時点の最新バージョンはv.3.63です。

受信画面はかなりシンプルです。サーバのURLと受信周波数、受信モード設定、Sメータぐらいしかありません。KiwiSDRには各種受信設定パラメータをURLの1行で直接指定できる機能がありますが、それを利用したソフトだと思われます。使い勝手は…正直言うとあまり良くないかもしれません。受信周波数や受信モードを変えたい場合には、いったん切断(disconnect)して接続し直す必要があります。

このソフトの一番の特徴は、画面にサーバリストがあることです。周波数とモードを入力した状態で、受信したいサーバ名をダブルクリックするとすぐに受信が始まります。また、サーバリストは下の"CLICK HERE TO UPDATE"を押すことで最新版に更新することができます。sdr.hu(kiwisdr.com/public)に登録されている全てのKiwiSDRサーバにアクセスして、使用可能なサーバを自動的に調べてくれます。(200局前後あるので数分間待たされるけど)

さて、このソフトを使う意味がどれだけあるかと言われると…ちょっと疑問ですが「動作を軽くしたいからウォータフォール画面はいらない」とか
「同じ周波数を長時間ウォッチする」という用途であれば使い道はあるかもしれません。スクリプトなので、腕のある人なら自分でいじって改良するということもできそうです。

[インストール方法について]
directKiwiは、ソフトとは言っても実体はPythonスクリプトなので、単体では動作しません。Python本体を別途インストールする必要があります。この辺は慣れていない人にはちょっと敷居が高いかもしれません。いちおうインストール方法は上記サイトの下のほうに書いてあります。あるいはダウンロードしたzipファイルの中のREADMEファイルにもあります。
最低限注意することとして、Pythonは"Python 2"と"Python 3"の2系統がありますが、古い"Python 2"のほうでないとdirecitKiwiは動作しないので気を付けてください。"Python 2"の最新バージョンは2.7.15です。

303WA-2の動作原理(推測)

我が家のように狭い自宅に設置するBCLアンテナとして、現在のベストは磁界成分を拾うアクティブ微小ループですが、今の季節だと、エアコンなどがまだ本格的に動いておらずローカルノイズが少ないので、むしろ電界成分を拾うパッシブ形ホイップアンテナのほうが受信状態が良くなる場合があります。そんなわけで、我が家でもApexRadioの303WA-2が今の季節は大活躍です。HFローバンドが得意のようです。

写真左のアンテナのほうが見た目存在感あるけど、こちらはアマチュア無線144/430MHz用のGPアンテナ。この記事の主役は真ん中のアンテナです。
この303WA-2ですが、どうしてこんなにHF帯が良好に受信できるのか動作原理がよくわからない謎のアンテナとして知られています。
参考サイト：kerokeronyororoさん
このアンテナのインピーダンスを受信機側(すなわち同軸ケーブル込み)で測定すると、こんな感じになります。

303WA-2インピーダンス特性(付属同軸ケーブル10m込み・設置状態)
Z=R+jX

スミスチャート

インピーダンスマッチングは30MHz以下では全く取れておらず、スミスチャートの外周をぐるぐる回るだけになっています。したがって、SWR値だけで評価すると全くダメダメなアンテナということになってしまいます。

同軸ケーブルを短くしてみても、以下のような感じで基本的には変わりません。
303WA-2インピーダンス特性(同軸ケーブル6m込み・設置状態)
Z=R+jX

スミスチャート

同軸ケーブルの長さに依存して誘導性/容量性の入れ替わり周期(すなわちスミスチャートのぐるぐる回転周期)が変わるだけです。要するに、インピーダンスが50Ωに全く合っていない素子を同軸ケーブル経由で測定した場合の典型的パターンです。したがって、同軸ケーブルを介在するとアンテナ本来の特性が非常に見えにくくなっている状態です。

それではということで、303WA-2をダイレクトに測定器(AA-30.ZERO)につないでインピーダンスを見てみます。
303WA-2インピーダンス特性(アンテナ単体)
Z=R+jX

スミスチャート

Z=R+jXの縦軸拡大

これはずっと前の記事でも紹介したことがありますが、400kHz付近に鋭いピーク(共振点)があるだけで、あとはなんだかよくわからないのっぺらぼーなインピーダンス特性になっています。
この特性から察するに、150μHくらいのインダクタと1000pFくらいのコンデンサを組み合わせた並列共振回路が入っているように思われます。(値はかなりテキトー)

このインピーダンス特性でどうしてHF帯の電波が良く受信できるのか、理屈がさっぱりわかりませんが、いろいろ考えた末に、下記の点に着目してみました。

・400kHzから18MHz近辺の間は容量性になっている
長い金属エレメントでできたホイップアンテナなので「インダクタ」のイメージがありますが、実はMF～HF帯に限っては「コンデンサ」に見えている、ということです。

ここで「電界成分を拾うアンテナ」「コンデンサ」という2つのキーワードから、もうひとつの不思議なアンテナのことを思い出しました。
PA0RDT Mini Whip
プリント基板を利用した平行平板をプローブにして空間の電界成分を拾い、下記のアンプでインピーダンス変換しながら受信機に送り込む、という形式のアンテナです。

実は、303WA-2もこのアンテナ(PA0RDTミニホイップ)と似たような動作原理なのではないでしょうか。まだ確信を持てる理屈が無いので、あくまでも推測に過ぎませんが、そう考えるといろいろと腑に落ちる気がします。303WA-2もPA0RDTミニホイップも周囲環境の影響を受けやすいアンテナであることが、非常によく似ていると思います。
ということは、上記のアンプ(ソースフォロア+エミッタフォロア)を303WA-2の直下(根元)に入れることができれば、もっと特性を安定させることができるかもしれません。どなたかやってみませんか？
(私は工作下手で面倒くさがりなのでたぶんやらないw)
ちなみに、303WAをノイズキャンセラ用のアンテナとして利用している人もいらしゃるようです。
参考サイト：ApexRadio 303WA