図1. 南カリフォルニアで10GHzを運用する筆者 写真提供: ニール･ジェンセン氏(Neal Jensen, N6VHF)

ITUの分類では3～30GHz帯は、SHF帯(Super High Frequency)に分類されています。この周波数帯は、マイクロ波やミリ波帯とも呼ばれています。米国では、この周波数帯はアマチュア無線に割り当てられ、ノビスクラスのオペレータを除くすべてのハムが利用できます。また、この周波数帯ではすべてのモードの運用も可能です。

ARRLの10GHz以上のコンテストの結果を見てみましょう。米国におけるマイクロ波の運用は、ある特定の地域に多く現れており、その中でもコンテストログの提出数からみると最もアクティブなエリアはカリフォルニア州です。カリフォルニア州は、米国の中でもアマチュア人口が最も多い州ですので、この結果は特に驚くことではありません。マイクロ波の運用は、南カリフォルニアのサンバナディノ･マイクロウェーブ･ソサエティ(San Bernardino Microwave Society: SBMS)や北カリフォルニアの50MHz and Up Groupのような、その地域で活発に活動をしているVHF帯以上の無線クラブの影響を受けているように見えます。

また、これらのバンドで非常にアクティブなのが米国の南部に位置する5エリアです。この5エリアの中でもノーステキサス･マイクロ波協会(North Texas Microwave Society: NTMS)とサウステキサスのロードランナーズ･マイクロ波グループ(Road Runners Microwave Group: RMG)の2つのクラブは特に活発に活動されています。

末尾の参考文献の項では、完全なリストではありませんが、いくつかのマイクロ波無線クラブをリストアップしています。ネット検索では他のクラブも見つけることができますが参考にしてください。

マイクロ波帯では少人数で運用を始めることが多々ありますが、運用には少なくとも送信側と受信側の2局が必要です。1人ではできません。ソーシャルメディアでは、我々はこれらのバンドで何ができるかといった露出アップに注力しています。例えば北西アイオワ州(EN13vc)のマイク･キング氏(Mike King, KM0T)は、地元のマイクロ波のアクティビティをアップさせようと活動しているうちの1人です。マイクは、彼のマイクロ波仲間のパイオニアであるジーン･ミッチェル氏(Gene Mitchell, NØDQS)とジョン･プラット氏(Jon Platt, WØZQ)について話しています。

マイクのウェブサイトには、これからマイクロ波を始めようとする人達のために実用的な情報がいっぱいです。

米国でのマイクロ波の運用は、VHF帯以上の周波数帯で行われるコンテストで最も多く行われています。いくつかの無線クラブでは、SBMS会員が夜な夜なロールコールのようなイベントを開催しています。ARRLのField Dayもマイクロ波のアクティビティを向上させ、HF帯だけを運用しているオペレータや新規参入者にSHFの視線を越えた通信の面白さを紹介する良い方法となることが多いようです。

SBMSを含むいくつかのクラブでは、コンテストシーズンの前にリグやアンテナが正しく動作していることを確認するためにフィールドテスト(Tune Up Party)を開催しています。このイベントは、他の人がどのようにリグを構築しているかといったことを知るには非常に参考になりますし、また楽しい社交場にもなります。

図2 コンテストシーズンを前にしたリグのテストするためのチューンナップイベント

従来のコンテストや日々の運用活動に加えて、もう一つのユニークな活動の場があります。地域のメーカーフェアなどで、アマチュア無線家以外の人たちに無線のデモンストレーションを行うことです。これは例えば学校の生徒たちだけでなく、地域社会の大人たちにもアマチュア無線を普及させることができる素晴らしい方法です。図3をご覧ください。

図3 メーカーフェアでSHFのデモを行ったときの様子。左からブライアン･イー氏(Brian Yee, W6BY)、デニス･キダー氏(Dennis Kidder, W6DQ)、私ウェイン･ヨシダ(Wayne Yoshida, KH6WZ)、トニー･ロング氏(Tony Long, KC6QHP)、マイク･ラベール氏(Mike Lavelle, K6ML)

電波伝搬

マイクロ波やミリ波帯の最も興味深い現象は、さまざまな伝搬モードです。雨や空を飛んでいる飛行機による電波の散乱や反射、対流圏のダクト、さらには地球-月-地球(EME)の反射による伝搬などです。2局間の見通しの伝搬経路であっても、反射、屈折、吸収の影響を受けることがあります。これは、ちょうど光が宇宙空間を伝わるのと同じ現象です。場所や季節が変われば、伝搬条件も変わります。

トム･ウイリアムズ氏(Tom Williams, WA1MBA)による「雨による散乱」に関するレポートがインターネットに掲載されています。末尾に掲載した「参考文献」の項をご覧ください。

SHF帯におけるビーコンは、バンドが開いているかどうかを確認するための伝搬指標として非常に役立ちます。また、周波数安定度や精度を確認するためのツールとしても有効です。

米国ではマイクロ波の通信を楽しんでいるアマチュア無線家は標高の高い南カリフォルニアや北カリフォルニアの山々をうらやましく思っています。残念ながらこのようなアマチュア無線家のために例えば標高が高いからといって必ずしも長距離のコンタクトができるわけではないことをここで少し述べておきたいと思います。

標高が高いと「標高が高すぎる」という問題が発生することがあります。南カリフォルニアでは、大気中の冷たい空気の層の間に、暖かく湿った空気の層が挟まる逆転層と呼ばれる現象が発生することがあります。この逆転層が電波の伝搬を妨げてしまうことがあるのです。

一方、対流圏や沿岸のダクトは季節的なもので、夏のコンテストで発生することが多いです。図4参照。

図4 南カリフォルニアの海岸線に沿って発生したトロポダクト

沿岸ダクトは、海に面した比較的冷たい湿った空気層と、その上の乾いた暖かい空気層との境界で、大気の水分と温度が急激に変化することによって発生します。この境界領域は、地球の曲率に沿って長距離を伝搬する電波や光のレンズのような役割を果たします。

私が10GHzで北米のDX記録を樹立することに成功した秘訣といえば、コンディションが良かったこととDX局を適当なタイミングで配置したことです。2007年の10GHz以上のコンテストでは、チップ･アングル氏(Chip Angle, N6CA)と私はセントラルカリフォルニアで移動局となり、またSBMSの仲間であるフランク･ケリー氏(Frank Kelly, WB6CWN)は4C2WHのコールサインでメキシコのサンカルロスに局を構えました。彼のグリッドロケーションは、DL34wtでした。

フランクは、最初の週末にDL34wtのロケーションから10GHzで53局とコンタクトしました。

北米の10GHz DXレコードはこれまで5回更新されました。最初はスティーブ･ミラー氏(Steve Miller, W6QIW)がDM04amから1315km(817マイル)で記録を樹立しました。スティーブの記録は約7分間続きました。

その後、チップ(N6CA)と私(KH6WZ)は、CM94xm(1320km/820マイル)の地点からフランク(WB6CWN)とQSOできました。また、すぐに移動してCM95qi(1426km/886マイル)の地点から、さらにはDM05ax(1448km/899マイル)の地点から再びQSOすることに成功しました。

2007年8月19日、ついにゲイリー･ラウターバッハ氏(Gary Lauterbach, AD6FP)がCM96waにいるフランクと1460kmという記録的なDXコンタクトを樹立させたのです。これはとても刺激的なニュースでした。

これらマイクロ波の帯域で最も一般的な運用モードはSSBですが、マイクロ波やミリ波帯を運用する場合、帯域が狭く効率的な運用ができるモールス符号を知っていると非常に有利です。特に、雨の散乱などが発生しているような伝搬モードは、伝搬中の信号が歪んでしまうことがありメリットが悪くなることがあります。このため長距離や記録的なDX QSOのほとんどはCWで行います。

ここ数年、デジタルモードが普及しつつあり、これらの新しいモードがDXの記録やコンテストのスコアにどのような影響を与えるか興味深いところです。

マイクロ波用のリグとはどのようなものか?

マイクロ波を扱うアマチュア無線局とはどのようなものかを理解するには下のブロック図が役に立ちます。図5と図6をご覧ください。

図5 IFが144MHzの10GHzトランスバータのブロック図

図6 ボードに組み込んだ10GHzのリグ

「ホットロッド」や「ドリフトカー」と呼ばれる車のカスタマイズすることを趣味としている人たちは、いろいろユニークな車を製作します。マイクロ波の無線機にしても同様です。各部品やモジュールの調達先が多岐に渡るため、完成した機器の性能、コスト、レイアウトや外観のバリエーションは千差万別です。

興味深いことに、ほとんどのSBMSメンバーは、完成した後に名前を付けているようです。以下に、完成したSHFリグの例をいくつか示します。

図7 ドン･ミラー(Doug Millar, K6JEY)と47GHzのリグ

図8 パット･コーカー(Pat Coker, N6RMJ)と10GHzリグ

図9 フランク･ケリー(Frank Kelly, WB6CWN)とミニ10GHzリグ

図10 デーブ･グローソン(Dave Glawson, WA6CGR)と10GHzリグ

米国でもまだ発売されていませんが、SHF帯用のメーカー製トランシーバがあります。アイコムのIC-905です。アイコムのウェブサイトによると、このリグは144、430、1200、2400、5600MHzをカバーしています。オプションのモジュールで10GHzも可能です。パワーは144、430、1200MHzで10W、2400、5600MHzで2W、10GHzで0.5Wです。リグには、周波数基準用のGNSS(GPS)モジュールが含まれているようです。

このリグの登場は、これらのバンドで将来アクティビティの増加が期待できる画期的なものになるかもしれません。

コンポネント + モジュール + トランスバータ + IFユニット = ワーキングシステム

マイクロ波のトランスバータは、以下のブロック図で示すようなユニットで構成されています。フリーマーケットで調達した10MHz OCXOをはじめ、SHFトランスバータ局を構築するために必要な部品例を図11～図14に示します。

図11 SHFトランスバータに適したオーブン型水晶発振器の例

図12 送受信切替用SHF同軸リレー(T/Rリレー)

図13 WR-90導波管からSMAへのトランジション(アダプター)

図14 12VのDC電源からさまざまな電圧を作り出すには，DC-DCブーストコンバータとバックコンバータが必要となり、またRFリレーをドライブするには24〜28Vが必要となる

トランスバータの重要な構成要素の1つは、周波数の安定性と精度を保つための基準発振器と局部発振器であると思います。周波数制御そのものは必ずしも正確性や安定性を問うものではありませんが、トランスバータの動作が予測可能で信頼できることがより重要です。

例えば、リグが数十Hzから数百Hzドリフトして時間の経過とともに周波数が上がっていくことをオペレータが知っていれば、無線機のVFOを少し回すことで相手の周波数にゼロインすることができます。

しかし、リグのドリフトの量や方向が予測できない場合は、相手局の周波数に合わせられないことでひょっとして相手局が見つけられずQSOできないかもしれません。

逆に、精度が高く安定しているにもかかわらず、周波数が予測不能なドリフトをする局とQSOを行おうとしても、これもまたQSOが困難です。

さらに難しいのは、2局間の通信において一方の局の周波数がアップし、もう一方の局の周波数がダウンするような場合です。

周波数を安定させる方法として、現在入手可能で手頃な部品といえば、RF測定器のリファレンスとして使用されている恒温槽付水晶発振器(OCXO)です。電源投入後数分から数時間後には周波数が安定し、例えばコンテストの期間中は非常に安定した信頼性が高いものとなります。

無線局を組み立てる場合、トランスバータは1つのブロックまたはモジュールに過ぎません。SHF信号をさらにRFからAFに変換し、また送受信の切替えも必要となります。

RFからAFへの変換は、通常中間周波数(IF)として使われている28、144、あるいは440MHzのオールモード･トランシーバで行われます。図15を参照してください。

図15 トランスバータは、SHFから中間周波数(IF)、そして最終的にはAFへの変換と制御インターフェースを必要とします。IFとしての無線機は、通常、28、144、440MHzのオールモードトランシーバが使われる

無線機器の改善

リグが完成し、正常に動作するようになると多くのオペレータは、さらに無線機の性能アップを目指します。つまりこれは、コンテストでのスコアをアップさせることを意味します。私のこれまでのマイクロ波の運用では、性能が許容できるようになるまで、少なくとも8回は10GHzのリグを触りました。でも改善には終わりがないようです。

最初に改善すべきものの1つは、周波数の精度と安定性です。これを向上させるには、まずは、OCXOから始めます。OCXOは、グローバルナビゲーション衛星システム(GNSS)、またはGPSの基準発振器やルビジウム標準発振器に置き換えることができます。

受信部は、優れたローノイズアンプ(LNA)を使うことで改善できます。衛星受信機のLNAを改造するか、ハムバンド用に設計されたユニットを購入すれば、ハムバンドで1dB以下の雑音指数を達成することができます。

送信出力は、ソリッド･ステート･パワー･アンプ(SSPA)を使ってアップさせることができます。このアンプはフリーマーケットでよく放出されています。数年前までは、出力が大きくなると進行波管増幅器(TWT)を使用することになり、大型で高電圧を必要としました。しかし、最近ではSSPAが手頃な価格になり、フリーマーケットでも簡単に手に入るようになりました。

マイクロ波を運用するアマチュア無線家にとって、改造や構築はフリーマーケットで入手する部品等を使うことが多いことから、アマチュア無線に割り当てられていない周波数を使うことは一つのメリットといえます。ほとんどの場合、改造はほとんど必要ありませんが。

ハムバンド内での性能をよくするために、「スノーフレーク」と呼ばれる改造技術が必要になる場合があります。これは興味深い技術ですが、貴重な機器を壊してしまうというリスクもあります。故チャック･ホートン氏(Chuck Houghton, WB6IGP:SK)の文献を参照してください。

KH6WZが持っているSSPAの例を図16と図17に示します。

リグにリニアアンプを追加する場合は、送受信回路にシーケンサを追加してRFのホットスイッチを防止し、RFリレーの接点が破壊されるのを防ぐ必要があります。また、同軸ケーブルから導波管への移行も、損失の低減と性能の向上のために検討する必要があります。

私が使用している送受信シーケンサの例としては、文末の参考文献にも記載しましたが、チップ・アングル氏(Chip Angle, N6CA)のTime Delay Generatorとジム・クリッツィング氏(Jim Klitzing, W6PQL)のRelay Sequencerが参考になります。

アンテナについて

マイクロ波帯のアンテナ製作はHF帯のものとは異なり、あまり盛んではありません。比較的低い周波数のマイクロ波帯では、八木アンテナやクワギ(Quad-Yagi)と呼ばれるアンテナを自作することも可能です。文末にリストアップしたウェブサイトでケント・ブリテン氏(Kent Britain, WA5VJB)が執筆したCheap Yagi antennasを参照してください。もっと高い周波数帯には市販のキットやフリーマーケットに放出されたディッシュ、パネルアンテナを利用する方がずっと簡単と思います。

衛星テレビ用ディッシュ･アンテナやホーン(図18参照)は、10GHzトランスバータのアンテナに用いることがよくあります。ディッシュ･アンテナは、ほとんどすべての周波数帯に使用できることを知っておくことが重要です。それは、ディッシュがアンテナの反射板になるからで、ディッシュの給電が動作周波数を決定するためです。W1GHZオンライン･マイクロ波アンテナ･ブックは、アマチュア･マイクロ波愛好家のために書かれた書籍で、アンテナシステムに関する非常に優れた技術的、実用的な情報が提供されています。

図18 衛星テレビのオフセット給電式アンテナは、米国では多くの場合無料で入手できる。この10GHzリグでは、興味深いことに1つのディッシュが送信用に、もう1つが受信用に使用されている

性能アップのために大きな直径のディッシュアンテナを使用したり、衛星テレビ受信用のオフセット給電ディッシュを使用したりすることもできます。図19、図20をご参照ください。

図19 オフセット給電式ディッシュの大型化は、局のグレードアップにつながります

図20 (左)ディック･ブレマー氏(Dick Bremer, WB6DNX)が使用した2フィート主焦点ディッシュ(右)ロビン･クリッチェル氏(Robin Critchell, WA6CDR)が使用した6フィート主焦点ディッシュの比較

私の個人的なマイクロ波の探求は、おそらくほとんどのアマチュア無線家の思いと同じと思います。あるときは疑問や葛藤、あるときは失望していることもあります。しかし、もうすぐ世の中に出る新しいアイコムのIC-905は、そうした無線機器の難しい構築はさておき、オペレータは、操作と操作技術に集中することができます。

SHFバンドは、すべてのアマチュア無線家にとって、特にハードウェアや工作の好きな人たちにとって新たなフロンティアとなるかもしれません。SHFバンドのユニークな伝搬は、まるで魔法であり魅力の一部です。

小型で高利得のアンテナは、特に「アンテナ設置禁止」の住宅に住んでいる人にとっては、朗報かもしれません。例えば、家族を乗せた車の後ろに“ビッグ･ガン”ステーションを積んで、SHFバンドでのモービルあるいはポータブル運用を楽しむことができます。

＜筆者自己紹介＞　ウェイン・ヨシダ(Wayne Yoshida, KH6WZ)
私はテクニカルライターであり、CQアマチュア無線誌のコラムニストとして、執筆、編集、テクノロジー、マーケティングのスキルを駆使して日々の仕事に取り組んでいます。

10代の頃始めたアマチュア無線の趣味は私の人生に大きな影響を与えました。アマチュア無線は、個人的な興味ですが、それを執筆、編集、マーケティング、販売という興味深く楽しい人生に変えています。このように技術的な仕事に携わっていることで、毎日わくわくしながら出勤しています。

私のこれまでのキャリアで最も印象に残っている出来事といえば、私がNASAミッションコントロールのコンサルタントとして3回のスペースシャトルミッションの広報を担当したことです。私の趣味であるアマチュア無線と話術、それに文章力が相まって、世界中の報道関係者に迅速かつ正確な対応を行いました。ニュースリリースやインタビューに基づく何百もの記事は、アマチュア無線やエレクトロニクスの教育的価値、また宇宙開発における緊急通信システムとしての実現性を強調しました。

ウェイン・ヨシダ(Wayne Yoshida, KH6WZ)

＜アマチュア無線に関する出来事＞
最も印象的な経験として1983年、NASAのミッションコントロールにて、初の有人宇宙飛行(オーウェン・ギャリオット博士、W5LFL)に従事

北米における10GHz帯(Xバンド)双方向通信距離記録を達成 - 1,448キロメートル(899.75マイル)、2007年8月

米国CQ誌寄稿編集者(2003年1月より「ビギナーズコーナー」、2010年3月より「ハムノート」)

1982年から1984年まで、コネチカット州ニューイントンのARRL本部で広報担当として勤務

UCLAアマチュア無線グループ、W6YRAの元会長となる

HFコンテスター、DXペディショナー (W1AW, NK7U, W5RRR, 8P6BBS, 8P4B, 8P9BB, 7J1AFZ, J68DX, J68WZ)として参加

アマチュア無線は、1976年にライセンス取得

ウェイン・ヨシダ(Wayne Yoshida, KH6WZ)
テクニカル・マーケティングライター
wayne@wayneyoshida.com
https://www.linkedin.com/in/waynetyoshida/
https://www.youtube.com/user/KH6WZ

参考文献

Microwave Update (MUD)
MUDは、マイクロ波機器の設計、建設、運用に特化した国際会議です。マイクロ波帯のアマチュア無線に焦点を当てていますが、それに限定するものではありません。会議の場所や時間等は年ごとに変わります。詳細は、MUDのウェブサイトをご覧ください。
http://microwaveupdate.org/

“Microwaves: Not Just for Leftovers,” by Wayne Yoshida KH6WZ
https://www.slideshare.net/wayne_yoshida_KH6WZ/microwaves-not-just-for-leftovers-13918301

Mike King KM0T
http://km0t.com/

“Microwaves from San Bernardino: A Discussion of the History and State-of-the-Art of Microwaving in this Region,” by David E. Laag, WA6OWD (K6OW)
http://www.ham-radio.com/sbms/historyOW.html

W1GHZ Microwave Ham Radio Pages
http://w1ghz.org/10g/10g_home.htm

VHF and Above Radio Clubs
50 MHz and Up Group of Northern CA
http://www.50mhzandup.org/

Northern Lights Radio Society
https://www.nlrs.club/

Central States VHF Society
http://www.csvhfs.org/

North East Weak Signal [N.E.W.S.] Group
https://www.newsvhf.com/

Mt. Airy VHF Radio Club (The Pack Rats)
http://www.packratvhf.com/

North Texas Microwave Society (NTMS)
http://www.ntms.org/

Roadrunners Microwave Group
https://k5rmg.com/

San Bernardino Microwave Society (SBMS)
https://w6ife.com/

Pacific Northwest VHF Society
http://www.pnwvhfs.org/index.html

Southeastern VHF Society
http://svhfs.org

Antennas
Cheap Yagi Antennas, Kent Britain, WA5VJB
https://www.wa5vjb.com/references.html

The W1GHZ Online Microwave Antenna Book
http://www.w1ghz.org/antbook/contents.htm

Directive Systems & Engineering
https://directivesystems.com/

Construction Techniques and Useful Circuits
“Above and Beyond, Microwave Stripline Retuning Procedures,” by C. L. Houghton, WB6IGP, San Diego Microwave Group
http://www.nitehawk.com/rasmit/mstrp_tu.html

Transmit/Receive Sequencer by Jim Klitzing, W6PQL
https://w6pql.com/relay_sequencer.htm

“TR Time Delay Generator,” by Chip Angle, N6CA
The ARRL Handbook for Radio Amateurs 2001, Chapter 22, ISBN-10: 0872591867, ISBN-13: 978-0872591868

Transverters
Paul Wade W1GHZ
http://w1ghz.org/xvtr/transverter.htm#index

Down East Microwave
https://www.downeastmicrowave.com/default.asp

Kuhne Electronic Microwave Components
https://shop.kuhne-electronic.com/kuhne/en/

Icom IC-905 SHF Transceiver
https://www.icomamerica.com/en/products/amateur/handheld/905/default.aspx

SSPAs
“Harris-Farinon 10 GHz Amplifier for Amateur Radio Use,” by Wayne Yoshida, KH6WZ. This article appears in The Proceedings of Microwave Update 2005.
https://wayne-yoshida-kh6wz.com/2013/07/06/harris-farinon-10ghz-amplifier-for-amateur-radio-use/

Propagation
“10 GHz - A Rainy Day Band,” by Tom Williams, WA1MBA
http://www.wa1mba.org/10grain.htm

“Breaking the North American X-Band Record: XE2 to W6 in the 2007 ARRL 10 GHz and Up Contest San Carlos, Mexico to Central California: 900-Plus Miles,” by Wayne Yoshida, KH6WZ
https://www.slideshare.net/wayne_yoshida_KH6WZ/breaking-a-twoway-10ghz-distance-record