Malá anténní soustava pro Oscar 40

Úvod

V současnosti je již v provozu družice AMSAT Oscar 40 (předstartovních označením Phase 3D), která byla největším satelitním projektem v historii radioamatérských družic. Oscar 40 má tzv. maticový transpondér, to znamená, že je možné vybrat různé kombinace uplinku (vstup) downlinku (výstup). Po několika měsících provozu se zdá, že hlavním družicovým módem bude US – uplink na pásmu U (435 MHz) a downlink v pásmu S (2,4 GHz). Většina aktivních stanic také používá tuto kombinaci. Kromě uplinku na 435 MHz je možnost ještě v pásmu L (1296 MHz) a v pásmu V (145 MHz) a downlink v pásmu K (24 GHz), avšak v současnosti je nejvíce zapnutý mód US. Proto jsem se rozhodl vybudovat stanici pro tento mód. Parametry družicového převaděče satelitu AO-40 umožňují používat pozemním stanicím antény s relativně malými rozměry.

V mém článku popíšu jednoduché antény pro pásma 435 MHz vysílací anténu 9 prvkovou Yagi a na 2,4 GHz přijímací anténu parabolu se šroubovnicovým ozařovačem. Tato sestava se osvědčila iv praxi. Podobné antény používá i řada aktivních stanic na celém světě. V tomto článku jsem nechtěl detailně popsat kompletní anténní systém od A do Z , ale chtěl jsem dát nápady a inspiraci k experimentování přes Oscar 40.

Vysílací anténa na 435 MHz

Vyrobit si průměrně dobrou anténu na 435 MHz by nemělo být problémem ani pro radioamatéra – začátečníka. Budeme k tomu potřebovat hliníkový nebo duralový materiál a také několik základních nářadí (Metr, pílka, pilníky, vrtačka, vrtáky, svěrák…). Pro toto pásmo budeme používat 9 prvkovou anténu Yagi lineární polarizace, podle anténní knihy Karla Rothammela. [ 1.] Samozřejmě to je minimum, náročnější mohou vyhotovit a použít delší antény. Nejlepším řešením je používání křížových antén Yagi – avšak výroba a používání (uchycení, otáčení…) takových antén je mnohem náročnější, proto na první pokusy postačí i menší anténa – v našem případě 9 prvková. Anténu vidíte na obr.1. – celkovou délku má něco nad 1m, takže nebude problém anténu uchytit za reflektorem. Jak ráhno používáme čtvercový duralový materiál 20×20 mm nebo troubu o průměru 20 mm. Takhle lehce naříznout, aby zůstala dostatečná rezerva za reflektorem pro uchycení antény. Všechny prvky jsou z materiálu 4-6 mm a jsou montovány na ráhno neizolovaně. Anténa podle původního zdroje má zisk 11,5 dB, předozadní poměr 19 dB, vodorovný vyzařovací úhel 44 stupňů a svislý vyzařovací úhel 48 stupňů. Impedance antény je 240 Ohm, proto pro napájení s koaxiálním kabelem je nutností použít balunový transformační člen. Výpočet, postup a způsob provedení byl popsán v RŽ 6/98 [ 2. ] a také v jiné literatuře. Napájecí bod uzavřeme vodotěsně do krabičky z umělé hmoty. Hotovou anténu odzkoušíme (alespoň SWR a ostatní pokud možno…).

Přijímací anténa na 2,4 GHz

Provedení antény pro pásmo 2,4 GHz už nebude také jednoduché, jak pro 70 cm. Prvním krokem je vybrat si vhodnou anténu pro příjem v tomto pásmu. Když se podíváme, co že ve světě co všechno se používá, tak závěr je jednoznačný: většina stanic používá parabolu. Kromě parabolických antén se používají ještě antény helix (šroubovnicové antény), smyčka, Yagi a jejich modifikace. avšak na 2,4 GHz rozměry klasických antén Yagi a loop jsou již tak malé, že jejich provedení je obtížné. V úvahu připadá ještě helix. My však chceme takovou anténu, která bude mít dostatečný zisk a poměrně jednoduchou mechanickou konstrukci. Takovou anténou jednoznačně bude parabola. Parabolické zrcadlo nemusíme pracně vyrábět doma – dají se využít různé paraboly průměru 60cm až 1m pro satelitní a MMDS televizi. Pro jednoduchost budeme pracovat se středovou parabolou – využití ofset paraboly je také možné, používá je řada stanic. Starší středovou parabolu o průměru 90 cm a 1m lze koupit již za pár set korun, když máme štěstí, tak i za méně (Ahoj…). Já používám parabolu o průměru 1m.

Druhá otázka, kterou musíme zkoumat je ozařovač. V literatuře najdeme pro toto pásmo popisy různých ozařovačů. Já osobně jsem vyrobil a vyzkoušel několik druhů a řešení (podle DB6NT, DK1VC, OE9PMJ, atd.). Ty však mají lineární polarizaci a jsou vhodnější pro běžný provoz. Pro satelitní provoz by byl lepší feed s cirkulární polarizací: u EME stanic je velmi rozšířená a populární ozařovač dle VE4MA a u českých EME stanic (OK1DFC, OK1CA, OK1UWA) také feed s septum-polarizační výhybkou. Mnoho amatérů u satelitních systémů používá helixový ozařovač. Existuje několik konstrukčních řešení, pokud např.. podle G3RUH, G6LVB… atd. [ 3.] atd. Helix ozařovač má několik výhod, pokud např.: již zmiňovanou kruhovou polarizaci, jednoduchou konstrukci a montáž. Pro jednoduchost a mechanickou nenáročnost jsem vybral helixový ozařovač – takže jsme rozhodnuti: budeme používat středovou parabolu (s průměrem podle možnosti kolem 90 cm – větší zisk…) a helixový ozařovač ak tomu přímo připojený konvertor jako jeden konstrukční celek.

Po získání paraboly demontujeme všechny konstrukční prvky, které nebudeme používat – takže nám zůstane pouze holé parabolické zrcadlo. Uděláme vhodné uchycení – každý to musí řešit individuálně podle možnosti. Jeden z možných řešení vidíte na obr. 2.:

1. dlouhý šroub minimálně M8
2. šrouby M4 – M5
3. kroužek z 3mm Al
4. otvory pro šrouby poz. 2.
5. ploché a pružné podložky
6. matice M8 pro šroub poz. 1.
7. podložky a matice pro šrouby poz. 2.
8. otvor pro šroub poz. 1. na podobenství
9. otvory pro šrouby poz. 2. na podobenství
10. protiváha

Změříme přesný průměr a hloubku, podle čeho vypočítáme ohniště. – obr.3.
Použitý vzorec: F = D²/16a
kde D – je průměr paraboly
a – je hloubka parabolického zrcadla v ose

Při počítání můžeme využít různé články a publikace, pokud např.. v RZ 4/99 od Zdenka OK1DFC, [ 4.] atd. Po vypočtení ohniskové vzdálenosti pustíme se do provedení ozařovače.: nejprve vypočítáme průměr reflektoru, zářiče a vzdálenost mezi závitů. Používáme vzorce:
Průměr reflektoru R = 0,62 lambda
Vzdálenost zářiče od reflektoru A = 3900/f [cm, MHz] nebo A = 0,13 lambda
Vzdálenost mezi závity S = 7200/f [cm, MHz] nebo S = 0,24 lambda
Průměr zářiče D = 9300/f [cm, MHz ] nebo D = 0,31 lambda
Základní rozměry antény helix vidíte na obr.4 (nahoru).

Ale když se nám nechce počítat, tak v literatuře (např. podle OK2AQK, [ 5.] nebo G3RUH) nebo na Internetu [ 6.] najdeme již vypočítaný a popsaný helixový ozařovač. Takový ozařovač vidíte na obr. 5. Na obrázku. 6. vidíte hotový zářič helixového ozařovače: materiál je Cu drát průměru 3 mm – já jsem používal přídavný materiál pro svařování (průměr 3,15 mm) a to je vše, že celou délku (1 m) jsem navinul na trn vhodného průměru. Počet závitů bude maximálně 4 až 5. Při točení je třeba dávat pozor na smysl otáčení: signál z družice má polarizaci pravotočivou, – např. anténu helix bychom navinuli pravotočivě, ale u ozařovače musí být opačná, tehdy levotočivá. Reflektor vyhotovíme z 2mm silného hliníkového plechu. Na reflektor vyvrtáme tři otvory posunutých od sebe o 120 stupňů – pro tři konzole, které budou držet ozařovač nad parabolickým zrcadlem – otvory pro držící konzoly vyvrtáme i na parabolické zrcadlo. Konzoly vyhotovíme z Al kulatiny 8 mm průměru – odřízneme na potřebnou délku (necháme 50 – 100 mm rezervu), nařežeme závity M8, a sehneme podle potřeby. Provedeme a namontujeme příchytky krytů konvertoru a ozařovače. Na reflektor vyvrtáme otvor pro konektor – individuálně dle mechanických rozměrů konvertoru – pravděpodobně otvor nebude v geometrickém středu reflektoru. Typ konektoru na ozařovači volíme podle toho, že jaký máme konektor na konvertoru: já mám na konvertoru N zásuvku (ženský), takže na ozařovač jsem montoval N zástrčku (mužský). Po upevnění konektoru na reflektor na střední (živý) kontakt přicínujeme zářič (Po silnici). Samozřejmě vhodným způsobem se postaráme o to, aby ani náhodou sa nedotýkal reflektoru (resp. neživé části) – nejlepší způsob je vysoustružit vhodnou teflonovou vložku, ale když na to nemáme možnost, tak stačí navléct PVC bužírku na Cu drát. Potom šroubovnicový zářič nastavíme tak, aby střed byl v ose se středem reflektoru. Zářič zafixujeme v konektoru vhodným lepidlem. Hotový ozařovač upevníme na parabolu (do topeniště dle našeho výpočtu) a vyzkoušíme. To může být podle použitého konvertoru individuálně, ale v mém případě to vypadalo následovně: jako MF přijímač používám transceiver Yaesu FT 290R s rozsahem 144,0 až 148,0 MHz. Po připojení konvertoru údaj na tcvr 144,0 MHz se shoduje se skutečným přijímaným kmitočtem 2400,0 MHz. Z krystalového oscilátoru 50,0 MHz (který koupíte za pár korun, nebo získáte ze staré počítačové základní desky) jsem vyhotovil malý “maják” podle Obr. 7. 48. harmonická krystalového oscilátoru padne na kmitočet 2400,0 MHz, co už umím přijímat. Když anténku malého majáku přiblížíme k ozařovači na cca. 1 cm, Ano pro 2400,0 MHz (tehdy na tcvr 144,0 MHz), bychom měli slyšet pískání. [ 7.] Potom se pokusíme o zachycení signálu z družice. Po odzkoušení, když je všechno v pořádku, tak můžeme pokračovat s povrchovou úpravou a s přichycením krytů. Pro povrchovou úpravu je vhodný akrylový sprej a jako kryt pro zakrytí konvertoru je vhodná nádobka z umělé hmoty, nebo plechu (já jsem použil prázdný obal od karosářského tmelu). K zakrytí zářiče – ozařovače musíme použít nádobku z umělé hmoty (PVC).

Mechanickou konstrukci ozařovače vidíte na obr.8. :
1. kryt konvertoru
2. pryžový těsnící kroužek
3. reflektor
4. kryt zářiče (z umělé hmoty)
5. zářič
6. konvertor
7. otvory pro uchycení
8. N konektor (nebo zástrčka)

Po složení ozařovače vše znovu překontrolujeme a máme parabolu přichystanou k montáži.

Uchycení antén – mechanická konstrukce

Malý systém upevníme tak, abychom měli možnost experimentovat a aby napájecí kabely byly co nejkratší. Otáčení můžeme řešit jednoduše – ručně. Zdánlivý pohyb družice je pomalý, proto stačí, když antény dosměrujeme po 1-1 hod. Pro experimenty je také vhodný jednoduchý stativ, nebo držák u okna. Mé řešení je následující: můj satelitní anténní systém je na střeše s dálkovým otáčením AZ/EL, ale parabolu z více příčin jsem nechtěl namontovat nahoru (více než 30 m dlouhý svod, omezená možnost experimentování, atd.), proto jsem namontoval na okenní rám malý systém, který mohu otáčet ručně v obou rovinách. Malý systém se skládá z antény 4 el Yagi před 2m, a ze zmíněných antén 9 el Yagi na 70 cm a 1m paraboly na 13 cm. Tato malá soustava najde uplatnění při práci přes družice FO-20 a FO-29, ale také jako náhradní nebo druhý anténní systém.

Uspořádání a mechanická konstrukce soustavy je na obr.9.:
1. pozice antény na 145 MHz
2. vodorovné ráhno pro antény (otáčí se vertikálně v poz. 4. )
3. mechanismus na zafixování ráhna poz. 2.
4. přivařované trubky ve tvaru T (otáčí se horizontálně v troubě poz. 7. )
5. pozice paraboly na 2,4 GHz
6. pozice antény na 435 MHz
7. ocelová trouba
8. mechanismus pro zafixování trubek poz.4.
9. řídicí panel (konzole) k uchycení na zeď, resp. okenní rám

Toto řešení je sice jednoduché, ale není ideální: provoz přes družice je omezen pouze na úsek obletu, které antény “vidí”.

závěr

Popsaný malý systém samozřejmě není špičkou, ale na první kroky a dokonce i na běžný provoz postačí. Vím, že pro průměrného amatéra je těžko dostupný i SSB/CW vysílač s dostatečným výkonem na 70cm – o zapnutém převodníku 13 cm ani nemluvím, ale přece jsou možnosti k získání jednoduchých, ale použitelných zařízení – např. jednoduchý transvertor 2m/70cm, předělané MMDS konvertory, atd. Na místní FM převaděč, nebo na paketový nód sice se dostaneme snáze než na družicový transpondér, ale za vynaložené úsilí nás odškodní pěkná spojení, které jsou skutečně zážitkem na pásmech UHF/SHF i tehdy, když víme, že jsou to spojení jen přes převaděč ve vzdálenosti kolem 50 000 km od nás. Fotografie popsaných antén naleznete také na mých internetových stránkách: www.host.om7aq.sk nebo www.qsl.net/om7aq. Za spolupráci a za pomoc děkuji Zdenkovi OK1DFC.

literatura

[1] Karla Rothammela: Kniha o anténách
[2] Antény DL6WU na 435 MHz, Výroba skládaného dipólu (Radiožurnál 6/98)
[3] http://www.ultimatecharger.com/dish.html
[4] Zdeněk Samek, OK1DFC: Výpočet, návrh a konstrukce parabolických antén (Radiožurnál 4/99)
[5] Miroslav Kasal, OK2AQK: Přijímač družicových signalu v pásmu S (Amatérské rádio 1995/1,2)
[6] http://www.g6lvb.com a http://www.moon-bounce.com/sband.html
[7] amatérské satelity (Radiožurnál 4/02) web VE2ZAZ http://www3.sympatico.ca/b.zauhar/SigSourc/SigSourc.htm

Zoltán Gyetvai OM7AQ
gye@isternet.sk