まず、上の図を見てください、ＹＳＩＭで計算された、反射器と放射器の組み合せの２素子の八木アンテナのＨ面のパターンです、なんだたいしてできのよくないパターンだなんて言わないでください。
この図は磁界面です、非常に滑らかなパターンであることに注意してください。事実この放射パターンの角度をそのまま（Ａ＋Ｂｃｏｓ（θ））の形と比較しても数％の誤差しかありません。 これに気がついたときに、このＲＤＦの原理がヒラメキ！ました。
このＲＤＦアンテナの全体写真です。周囲に配置した反射器の中心にあるＳＷダイオードを順番にオンにすることにより反射器を順に動作させて行きます。最初に０度の方向から電波がくるとしますと、９０度づつアンテナを切り替えていきますと、信号は（０、９０、１８０、２７０）度の角度を走査することになりますから、相対値で（1.000 0.6979 0.3587 0.6979）の値を取る階段波になります。 これは、そのままでは階段状に変化しているだけなので、アンテナの切り替えの周期と同じ周波数成分だけを抽出するためにＢＰＦを通します。
シミュレータで計算させてみました（図３−１） シミュレータには２５Ｈｚで４方向を走査しているデーターと２６Ｈｚを中心周波数とする反転増幅型のＢＰＦを模擬しています。 出力波形は下の段、入力波形は上の段にあります。 Ｑが高めなので出力波形は成長途中ですが、負のピークが最後の１６０ｍｓから始まる０度の区間でほぼ一致します。
別の例として右前方の３０度の方向から電波が来ているとします。 そうすると図４のように指向性が変化しますから受信機から取り出される信号は（３０度、６０度、１５０度、１２０度）の方向になりますので図表２から（0.9870 0.9043 0.3495 0.4490）の値に振幅変調されます。 これも４−１にシミュレータの出力があります、３−１と比べると３０度ずれていますね。
結局、方向を探知しようとする信号は、アンテナ・パターンをコサイン波として見た場合、そのコサイン波の任意の点から出発して９０度ごとに相手の信号強度をサンプルしていることになります。 任意の点はもちろん相手の方向に依存していて、相手の電波を方向に依存した切り替え周波数で振幅変調したことと同じ事になります。
そうです、その振幅変調された受信波から振幅変調成分を取り出して、アンテナを切り替えていく信号とのずれを見ますと、そのずれが電波の到来方向をそのまま表現していることになります。
階段波形から位相情報を取り出すためには幾つもの方法が考えられますが、ここでは正弦波＝基本波のＢＰＦを通してなめらかに整形しています。 階段波を正弦波として成形することはまたＲＤＦアンテナを、なるべく正弦波に近い形状の放射パターンに近似させることにより望むだけの精度で到来方向を算出することを可能にします。 高速に数値計算をする装置なら任意の放射パターンを持つアンテナからも方向を計算することができますが、この装置はアンテナの放射パターンを正弦波にすることによりＢＰＦだけで相手の方向を位相情報として取り出すことができます。 実際の回路ではピーク点を検査するのはめんどうなので零クロスの場所を検出しています。
筋道は
到来電波 → アンテナのビーム切り替えによる振幅変調
ＲＸの出力から切り替え周波数成分だけを抽出する
ビーム切り替えに使った信号との位相を比較する
［ブロック図］は図５
ＡＮＴ→ＲＸ→原信号の成分のＰＢＦ→ゼロクロスで
↑ ↓
４分周→４分周←←←←←←←←←←←←←←←←←これをラッチする4bit
2bit 2bit ↓
↑ このデータは３６０／１６度
原信号 の分解能がある
＝＝＝ 実用的なＲＤＦアンテナの仕様 ＝＝＝
実用的な意味あいでは他の事も考慮に入れなければなりません。
１： 相手の信号音がちゃんと聞こえ、ＴＮＣなどで解読できること
２： ＦＭ、ＳＳＢ、ＴＮＣ、ＣＷ、など各種の電波形式に対応できること
２： 送信したときにトラブルが起きないこと
３： 小さくて、機械的に作り安く頑丈なこと
ＲＸから出てきたアンテナの切り替えによる利得変動の効果は相手をＡＭ変調しているので、あまりにＦＢ比を良くすると、アンテナの方向を切り替えてちょうどゲインが最低になる方向では途切れた音声になってしまいますので、バックを約−１０ｄＢに設計しました。 比率で言うと前方向の約３０％の電圧になります。 フロントでの利得は（４．７８ｄＢ）あるのでＦＭを受信する場合はかなり弱くてもスケルチが開きます。 もちろん送信するときは０ｄＢなのであまり飛びません。
各種の電波形式に対応できるものか？ と思っていたのですが、ＣＷはまだ聞いていないのでなんとも言えないのですが、ＦＭとＳＳＢ、ＴＮＣからのＦ２では問題ありません。 ＦＭ系統の電波は連続波なのでもちろんＯＫなのですが、ＳＳＢでも実用になります。 これは切り替え周波数が２５ＨｚとＳＳＢの通常の送信帯域の下側にあるので、瞬時瞬時、長く継続する母音部分があることやコンプレッションされているので平均的には連続波に見えるのではないかと思っています。
送信したときには反射器にかなりの電圧が発生しますので切り替えダイオードには高耐圧のものを使用します。 このダイオードは本来ならＰＩＮダイオードなどがいいのでしょうが、接合容量が小さく、耐圧が高いものを選べば問題ありません。 送信時には自己整流して切り替え装置からの信号とは無関係にオフになるので相手に雑音が届いてしまうようなことはありません。
アンテナの形式は中心に放射器を置き、回りにリフレクタを４本配置した形式なので、ブラウン・アンテナの地線部分の先端に反射器を絶縁して取り付けています。 各々のリフレクタは中心でＳＷダイオードによりＯＮ／ＯＦＦさせます。 もともとかなり広帯域なので、しいて太いエレメントにすると言うより、しなやかなエレメントがいいでしょう。 製作例では１ｍｍのピアノ線を使っています。 放射器は折り返し形式にしてインピーダンスを上げています。
＝＝＝ 他の形式のアンテナ構造 ＝＝＝
＝＝＝ ＹＳＩＭでのシミュレーション ＝＝＝
バックで−１０ｄＢ＝０．３、サイドで０．６〜０．７の利得を持ち、その間がディップなどをもたず滑らかに接続しているアンテナを設計します。
２素子の八木アンテナの形態としては二つ考えられます、ひとつは反射器、もうひとつは導波器の形式です。 それぞれ特質があります。
（反射器型）＝実際に製作したもの
反射器の形式のものはＳＷダイオードでオフにしたときに残る接合容量が３ｐＦ程度あるのでオフにしたつもりでも実は導波器として働く傾向が想像されます、そのために精密に方向を探知する用途には導波器の形式がよいと思われます。 図ｘにＹＳＩＭでのシミュレーション・ファイルとパターンがあります。 反射器を使用したＲＤＦアンテナは放射器との間隔を１／４λにすることができるのでブラウン・アンテナの水平部を支持部としてそのまま利用します。 これは図体が導波器型に比べて大きくなりますが周波数範囲が広く取れます。
（導波器型）＝設計例
導波器を使ったタイプは実際にはまだ作っていませんが精密な方向探知機としてはこちらの方がいいかも知れません。 ＳＷダイオードのＯＦＦ時の容量の影響がもともと短めの導波器をさらに短く見せてくれるのでパターンの乱れが少ないはずだからです。 しかし間隔が短かくなるのでブラウン・アンテナの水平部の先端につけると言うわけにはいきません。 途中につけるか、放射器自体を垂直ＤＰにするしかないでしょう。
こちらは反射器型に比較して周波数範囲が狭いのですが設計周波数では非常にきれいなパターンを示してくれます。 図表３、図６
＝＝＝ ＲＤＦアンテナの機械的構造 ＝＝＝
アンテナは十字の水平部分にＭ接栓のオスをつけ、それを下部のエンビ・パイプの両端にオスとメスを接着したものでモービル・アンテナの基台から高さを持たせています図７ これはエンビパイプなどの高さを稼ぐ部分を一体に作ると外したときに置きようがないためです。 放射器は折り返し形式にしています、長さはＳＷＲを見ながら適当にアジャストしてください、放射パターンにはあまり関係しません。
反射器はボールペンの軸を３ｃｍほどに切断し、内部にダイオードを半田付けしたエレメントを接着剤で固定しています。 引きだし線はエレメントに抵抗器を半田付けしてコンデンサでバイパスして引き出します。 すべてを接着剤でコーティングして、ついでにブラウン・アンテナの水平部の先端に接着剤だけで取り付けています（写真参照）
コネクタの類は、雨の後に水がたまってしまうことが一度ありましたので、シリコングリスなどで防水処理をしてください。 それ以外の障害はありませんでした。
設置する方向は、ＬＥＤの方向表示部分が自由に動かせるので、横巾を取らないように４５度傾けてあります。
＝＝＝ 方向探知機（回路の説明） ＝＝＝
ブロック・ダイアグラムは図５。 ＲＤＦアンテナの１周の回転走査を２５Ｈｚに設定しています。 これはこの切り替え周波数の高調波がＡＭとして出てくるので、それを含めて可聴域から外したかったためです。 おおむね３００から３ｋＨｚが通信機の大通りなので、高い方の周波数を使うためにはＩＦの帯域の問題もありますので２５Ｈｚと決めました。 実用的にはこの周波数にしておくとＳＳＢでもＦＭでも安定に、かつ迅速に指示してくれます。 実際の応答時間はこの基本切り替え周波数とＢＰＦのＱのかねあいで決定されます。
基本発振機と分周期 （ＮＥ５５５、７４３９３）
基本発振機は切り替え信号の１６倍の信号を用意します、それを１６カウントしてアンテナ１周させる切り替え信号を作成しています。 アンテナは４方向なので原発振の４カウントごとに切り変えます。 ７４３９３の４ビット出力が現在アンテナの向いている１６方向を指示することになります。
ＩＦからＢＰＦ （４５５８）
ＲＸのＩＦ検波からでてくる信号をＱ＝１２、Ｆ＝２５ＨｚのＢＰＦを通し、切り替え信号だけを抽出します。 この部分は直流結合で入力が設計されていますが、ＢＰＦなのでこの部分の出力には直流成分はありません。 つまりＲＸのＩＦ検波はいかなる極性、電圧のゲタをはいていてもかまわないということなのです。 ＲＸからの引きだし方は後述します。
位相調整回路と零クロス （４５５８）
ＢＰＦから出てきた信号を位相可変回路に入れています。 ＲＤＦアンテナの設置上のささいな角度誤差、ＬＥＤの位置、ＲＸ内部での位相ずれなどをトータルにここで調整することができます。 ２５Ｈｚの信号は９０度の位相遅れになります、だいたいの調整範囲は±４５度ぐらいになります。 最後のＯＰ−ＡＭＰはコンパレータとして動作します。 ２５Ｈｚの成分の零クロス点で原信号を分周しているカウンタからラッチに位相情報を固定します。
位相の記憶と表示 （７４ＬＳ１７５、７４ＬＳ１３８）
１７５はラッチです、ここに記憶されたカウンタの４ビット情報がＲＤＦアンテナを駆動しているデータでしたので、１３８でデコードして１６個のＬＥＤの一つを点灯させます。
負電源の特性 （１４０４９）
負電源は１４０４９を一つで、発振に２、ドライバに４を並列使用しています。 回路図の通りで作ると、電源は試験のために電池で動かしたデータですが
周期 ３０μ（３３ｋＨｚ）
電源（＠ＩＣ） ７．２６Ｖ
無負荷 −６．９５Ｖ
１ｋΩ負荷 −４．６１Ｖ
このような特性が測定されました。 負電源がなくても４５５８は＋１２Ｖだけで動作するとも思えましたが、試作なのでダイナミック・レンジを取りたかったので２電源で動作させるようにしました。 片電源でも動作するでしょう、その場合は中点電圧を抵抗分圧で作ってください。
その他
回路図は試作した物のままです。 かなりぶざまなので恥ずかしいのですが、見栄えをよくするために変更したりすると製作記事としての価値が無くなるので、皆さんがオリジナルに改良をおこなってください。 そのために、ちょっとしたパーツが余っています！
ＬＳ−ＴＴＬ、ＭＯＳ、ＯＰ−ＡＭＰが混在していますが、これはまったく有り合わせの部品を使っただけなので、新規に部品を購入する場合はＬＳ−ＴＴＬの代わりに７４ＨＣ、４５５８の代わりに片電源のオペアンプなどを使われるといいでしょう。 取り扱う周波数も低いのでかなりラフに作っても動作すると思います。
ＡＮＴ切り替えのためのコネクタが左右対象になっています。 これはアンテナの電気的な切り替え方向とＬＥＤ表示器の方向が反対の場合差し替えるだけで対処できるようにしているためです。 幾つかのＲＤＦ用のアンテナを差し替えて試験する場合などに、こういうちょっとした工夫が必要です。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
４： 総合調整、設置
部品の規定
Ｃ８、Ｃ１２、Ｃ１３などｆｉｌｍと明記している所はかならず安定度のいいものを使用のこと、精度は必要無い。
表示装置はなるべく円形に配置すること、アンテナの方向をアジャストする時に楽。
＝＝＝ Ｒ９の調整 ＝＝＝
１： 前処理
ＲＸからの入力を外して、ＪＰ２を短絡。
２： テスターだけの場合
テスターでＡＣレンジ（２ｖから１０ｖ）、ＴＰ２を測定する。 最大値になるようにＲ９のトリマを回す。
３： ２現象のオシロが使える場合
ＴＰ１、ＴＰ２を測定する。 ＴＰ２の出力が最大になる点に調整する。 両者の位相を見て調整する方が簡単なので、位相が丁度１８０度反転するようにＲ９を設定する
４： もしＲ９の範囲に最大点がない場合
Ｒ１９は１００ｋΩ＋α、直列に適当な抵抗を入れて加減すること。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
ＲＸからのＩＦ検波出力
＠ ４．７μＦ〜１０μＦを介して取り出すとよいが、かならずしもその必要はない。 引き出した線の短絡などの障害防止のため。
ＴＲ８５１Ｄの場合はＴＡ７７６１の７番ピンから４．７μＦを介して裏蓋に増設したミニプラグに出している。
直流出力は必要無いことに注意してください。 必要な出力は２５Ｈｚが歪み無く取り出せること。 レベルは１から３Ｖ程度の範囲がよい（ＢＰＦの増幅率が２倍なので飽和しない程度） 本来はＩＦを包絡線検波（普通の検波方式）して取り出すのですが、無精者なのでこれで我慢した。
他の機種の場合はオシロなどで観察しながら２５Ｈｚの成分がなるべく飽和しないで取り出せるところを選んでください。 どちらにしてもその場所の極性や電位は問題とならないので自由に！
ＴＲ８５１Ｄでのこの取りだし点はＦＭ用のリミッタがかけられた後なのですが、１６方位の分解能の程度では支障はありませんでした。 この場所からですと、信号が飽和して方向指示が無意味になる距離は、相手がモービルの場合では最大ゲインの状態で約１００ｍ程まで接近できます。 自分でも不思議なのですがかなり接近するまでゲインを絞る必要はありません。 かなり深いＡＧＣが必要かと思ったのですが、今のところ付属のゲイン調整だけで５ｍぐらいまで近寄れます。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
設置と調整（モービル積載の話し）
文面の中で正確な方向という書き方をしなかったのに気がつかれたでしょうか？ もともとの製作方針が、自動車に設備してＵＣを探知するために作られたもので、結局簡単に言えば、道を走っていて、自分のどちら側にそれが存在するかを自動表示すればいいというレベルの探知機であるからなのです。 もちろん精度良く表示することもできますが、製作した動機が”不純！”なために、交差点で”どちらへ行くの？”に答えてくれれば十分だったと言うわけです。
最初に方向アジャスト用のＶＲを真中にしておきます。 まずいいかげんにＬＥＤ指示部を置いて、前方１０ｍ程離れたところからハンディ機で送信して貰います。 ゲインは低めがいいでしょう。 そこで点灯するＬＥＤを上になるように回転して固定します、マジックテープでどの角度でも取り付けられるようにしています。 はい、これでおしまい。
後は適当な距離を取りながら自動車の周囲をぐるっと回って貰って表示が一巡することを確かめてください。 使うリグによってはうまくいかない場合があるかも知れません、その時はゲインを絞るなどの操作が必要かも知れません。 いずれにしても相手の玄関まで到達するほどに近接する場合はゲインをかなり絞る必要があります。 ＴＲ８５１は何も改造しなくてもゲイン＝零まで絞ることができました。
＝＝＝ 性能 ＝＝＝
応答時間は約０．５秒。 精度は±１カウント、つまり約４５度の範囲の中に相手が存在することが毎回表示されます。 実用上は電波の到来方向が約２２．５度で推定できる。 交差点にさしかかるたびにどちらに進むべきかを判定するのに充分。
＝＝＝ 使用した結果 ＝＝＝
実際にこれをモービルに設備して約１ケ月たちました。 残念ながらＵＣはこの機械の製作過程をＢＢＳで見ていたらしく、恐れをなしたか出てこなくなってしまったのでＵＣハントには使った実績はありません。 通勤途上ではビルの間を走ります、ビルの間、工場の横などを通過しているときは非常に多くの反射波が来ていることがよくわかります、木造の家は電波的にはスケスケのようですね。 道の真中で八木アンテナを振り回す人もいないでしょうが、この装置があるからといっても道路の真中でどこででも相手局の方向を指示してくれるわけではありません。 指示する方向は”電波の到来方向”を忠実に見せてくれるだけです。 そこのところをよく理解しないで、いつでも”相手の方向”を指示してくれるのではないかという幻想を持っては駄目ですよ。 畑の中の道など郊外を走行しているときは、カーブにそって車体の方向が変わるたびに指示もスムーズに変化します。
＝＝＝ 高精度なＲＤＦのために ＝＝＝
分解能は３６０進カウンタまで大きくして、アンテナを綿密に設計・製作すれば、数度の分解能が得られるはずです。 ラッチされた出力はデジタル信号ですし、パソコンで信号を分析するためにもおもしろいと思えます。 そこまでがんばれば１０ｋｍの距離で１度の角度は１７５ｍなので、その程度の絞りこみもできるでしょう。
ＵＣの探知のために設計されたものですが、自然保護のために野性動物の棲息状況の把握や遭難救助のための方向探知など色々な場面に適用することも可能です。 ぜひ有意義な使い方をしていただきたいものと思います。
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
試作装置の仕様
電源電圧 １０〜１５Ｖ
電源電流 ７５ｍＡ
角度分解能 ２２．５度（全周を１６分割）
反応速度 ０．５秒
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
参考文献・ソフト
ＹＳＩＭ 八木・宇田アンテナのシミュレータ（ＪＡ１ＱＰＹ）
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
写真の説明
１ 横から見たＲＤＦアンテナ
２ ＃
３ ダッシュボードの上にマジックテープで取りつけた方向表示部
４ トランシーバと本体
５ 横から見た積載自動車の全景
６ 運転席から見た配置情況
７ ＲＤＦアンテナの反射器を指示する部分
８ 方向表示器を助手席から見たところ
９ 反射器の取り付け、ＳＷダイオードの拡大
１０ アンテナの中心部分
１１ 内部
１２ 本体の大きさ
１３ 方向表示器の詳細
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
ここから下は図表です！！！！！！！！！！！！！
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
図表 １ 反射器＋放射器のパラメータ・ファイル
図表 ２ ＹＳＩＭでパターンを数値として出力した
図表 ３ 反射器型のサンプル
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
図表 １
説明 反射器＋放射器のパラメータ・ファイル
エレメントの定義が（λ）になっている
;YAGI-UDA Antenna-Simurator JA1QPY(Hal.T) Ver 0.80
;Internal-DATA structure Ver 1.00
title ＲＤＦ 反射器型
n 2 ;２素子
f0 435.000000 ;中心周波数
fu 440.000000
fl 430.000000
esc_abort 1
tmon 1 ;数値演算の経過表示
gstep 0 ;放射パターンの自動刻み巾
gdb 20 ;＃ スケール
gr0 150 ;＃ 半径
gp0 489, 149 ;＃ 位置
use f0
; tdim
ldim 1 ;波長（λ）の単位で記述
; dia0 dia1 dia2 dia3 dia4 dia5
;____No.____Pos.___Len0____Len1____Len2____Len3____Len4____Len5__
elr 0.0007 ; dia
ele 0 0.0000 0.2370 ;放射器の位置、長さ
ele 1 -0.2500 0.2630 ;反射器の＃ 、＃
; 430.000000 MHz ;電流とインピーダンス
; No. Ir Ij Iabs Zr Zj
;Rad. 00 1.0000 0.0000 1.0000 68.592 -3.641
;Ref. 01 -0.0781 0.4071 0.4145 82.242 82.579
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
図表 ２
説明 ＹＳＩＭでパターンを数値として出力した
Command >>tstep 10 ;１０度きざみ
Command >>tdraw h ;磁界面
;---------------------
; Pattern list deg -> gain(dB)
; Field = 90 (deg) E-field(0) H-field(90)
; Step = 10 (deg) ;ratio(W) (V)
; 0 -0.000 dB 1.0000 1.0000
; 10 -0.009 dB 0.9980 0.9990
; 20 -0.040 dB 0.9907 0.9954
; 30 -0.113 dB 0.9742 0.9870
; 40 -0.254 dB 0.9431 0.9712
; 50 -0.496 dB 0.8921 0.9445
; 60 -0.874 dB 0.8177 0.9043
; 70 -1.421 dB 0.7209 0.8490
; 80 -2.166 dB 0.6072 0.7793
; 90 -3.125 dB 0.4870 0.6979
; 100 -4.289 dB 0.3725 0.6103
; 110 -5.607 dB 0.2749 0.5244
; 120 -6.955 dB 0.2016 0.4490
; 130 -8.116 dB 0.1543 0.3928
; 140 -8.861 dB 0.1300 0.3605
; 150 -9.132 dB 0.1221 0.3495
; 160 -9.090 dB 0.1233 0.3512
; 170 -8.964 dB 0.1269 0.3563
; 180 -8.905 dB 0.1287 0.3587
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
図表 ３
説明 反射器型のサンプル エレメントの定義が（ｍｍ）になっている
;YAGI-UDA Antenna-Simurator JA1QPY(Hal.T) Ver 0.80
;Internal-DATA structure Ver 1.00
title ＲＤＦ 導波器型
n 2
f0 435.000000
fu 440.000000
fl 430.000000
esc_abort 1
tmon 1
gstep 0
gdb 20
gr0 150
gp0 489, 149
use f0
; tdim
ldim m
elr 0.1
; dia0 dia1 dia2 dia3 dia4 dia5
;____No.____Pos.___Len0____Len1____Len2____Len3____Len4____Len5__
elr 5.0 ; dia
ele 0 0.0 168.8
elr 1.0 ; dia
ele 1 76.0 153.0
; 435.000000 MHz
; No. Ir Ij Iabs Zr Zj
;Rad. 00 1.0000 0.0000 1.0000 42.284 -0.330
;Dir. 01 -0.4914 -0.5201 0.7155 52.400 -54.966