GPS(Global Positioning System)は様々なものに使われており、アマチュア無線にも役立っているのはご承知の通りです。あらかじめ設置されているシステムをそのまま使用するには何もする必要はありませんが、GPSの電波の届かない室内では使用できません。

今回はGPSの電波の届かない室内で使用するための工夫とGPSマイクの使用法を、室内GPSへ電波を誘導する方法と、GPSマイクの使い方との2回に分けて実験します。

1. 室内GPS

GPSシステムは地球の上空を飛行しているGPS衛星の電波を受信し、その位置を計算して確定するものですが、電波を受信できなければ位置は分かりません。ビルや屋根が電波を通さない室内では受信できないためその対応を考えてみます。電波の受信できる屋外にアンテナを設置し、その信号をGPS受信機に導くとシステムを稼働できますのでその方法を検討してみます。

次の図は1ターンのアンテナを屋外におき、そのアンテナで誘起した信号を同軸で室内まで誘引し、2ターンのコイルでGPS受信機に導くものです。1ターンの大きさは１λの長さのホルマール線を円形にしたもので、その特性は次の図の右のようになっています。1ターンの長さは、GPSの周波数が1575.42MHzのため、電気的波長は3x10⁸／1575x10⁶で計算したもので190mm程度になります。

使用した同軸ケーブルは、以前SMAコネクター付きのジャンクで買ったもので、1.5Dタイプより細く2.7mで損失は約5dB位でした

このワンターンの特性を見るため、ワンターンを2つ作って対向させ、間を5mmあけて結合程度をスペクトラムアナライザーで計ってみました。直結より5dB程度下がりますがGPSの周波数で損失が少ないことが分かりました。

反対側のGSPユニットに結合する2ターンのコイルは1ターンと同じ長さのホルマール線を使っていますが、2ターンの意味は1ターンでは直径が大きすぎてGPSユニットに結合し難いためです。

この状態で実験の結果、十分に希望する機能を発揮させることができませんでした。このため、1ターンアンテナの後にアンプを入れてみることにしました。

手元にあったICの内、この周波数に使えそうなものとしてTA4001を選びました。このICは特性的にはあまり高い周波数まで伸びていませんが、GPSの1575MHz位までは使えるのではないかと思います。回路的には単純に約15dB程度増幅するだけです。このICの仕様の詳細は巻末のコラムをご覧ください。

GPSアンプの回路と実験基板

このアンプの実際の特性を取ってみました。

TA4001アンプの特性およびGPSユニットへ2ターンコイルで結合

元々のICの特性図にある15dBのゲインは取れていませんが12dB程度はゲインがあり、使用した同軸ケーブルの損失は十分カバーできるはずです。実際に実験してみると残念ながらあまり電波が強く受信できていないことが分かりました。ゲイン不足かも知れませんのでアンプのゲインを上げることにしました。

今度は手元にあったNECのICでUPC1678を使いました。カタログデータでは1.5GHz付近で20dB強のゲインがありTA4001より10dB近くゲインが上がりそうです。このICは出力端子にコイルを追加する必要があり周波数を考えて空芯のコイルを取り付けました。その回路とICのゲインおよびプリント基板は次のようになりました。

左から増幅回路、IC単体のゲインおよびプリント基板に組み込んだ回路

この構成で同様に試験しましたがやはり希望するように信号は強くなりませんでした。この後の専用アンテナの実験の結果から、どうも1ターンアンテナに原因があるように思われ、改めて検討する必要がありそうです。

・GPS専用アンテナ
車で使っているIC-2820(144/430MHｚデュアルバンドトランシーバー)にはGPSアンテナが付属されていますがこれが使えないかと検討してみます。一般にGPSアンテナは内部にアンプが入っており、アンテナから引き出されている同軸ケーブルに電源電圧を重畳する必要があります。電圧が分からないため、IC-2820のGPS端子の電圧を測ってみると3.25Vとなっていました。多分3.3V系の電圧と思われます。

また、以前にパソコンGPS用に販売されていたものを購入し、その後使っていないユニットのアンテナ部分を使ってみることにしました。PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association)ユニット(通称PCカード)に接続するタイプで端子の電圧を測ってみると2.7Vでした。

PCMCIAユニットのGPSアンテナ(左)と、IC-2820の付属GPSアンテナ(右)

インターネットでも同様なアンテナの通販を見つけることができると思います。重畳する電源の電圧はそのユニットに合わせる必要があります。

これらのアンテナを使うため変換アダプターを作りました。それぞれのアンテナに合わせた電圧の電源を乗せました。3.3Vの定電圧電源ICを使って3.3V側に供給します。また、この3.3Vよりシリコンダイオードを直列に入れると順電圧分電圧が下がるため2.7V位になりこれをもう一方に供給します。これら2つのアンテナのコネクターが異なるため部品屋さんにこれに合うコネクターを探しに行き、幸いにも見つけることができました。

この基板には2組の回路、コネクターがありますが相互には関係ないので片方ずつ試験することになります。出力側のSMAコネクターに同軸ケーブルを付け、反対側には2ターンのコイルを付けてGPSに結合させます。

GPSアンテナインターフェイスとその回路

次のような接続で試験した結果、両方のGPSアンテナ共電波を受信することができました。PCカードのGPSアンテナの方が少し強く受信できましたが、一応両方とも実用になるように感じられます。

GPSアンテナとユニットへの結合

一応信号の入力はできるようになりましたが、アンテナから同軸ケーブルの延長は位置情報にどのような影響を与えるでしょうか。どの衛星からの電波も同軸ケーブルの長さだけ遠くなることになるため、多分高度が下がる表示になるのではないかと思われます。

結局1ターンアンテナはゲインと指向性が十分ではないという結論になりました。また、2ターンの結合コイルも改善の必要があるように感じます。どのように改善すると実用になるかは相当検討しないとすぐには分かりません。結論的にはGPSアンテナの開発ということになるので簡単ではないと思います。もしそのような機会があればやってみることにしたいと思います。