Současný rozmach radioamatérských satelitů pracujících na nízké oběžné dráze (LEO) přináší operátorům nové možnosti, ale také technické výzvy. Ať už jde o klasické FM převaděče na družicích SO-50 a AO-91, linky na Mezinárodní vesmírné stanici ISS, nebo o pokročilý digitální provoz, úspěch navázání stabilního QSO závisí především na anténním systému. Při práci přes orbitální opakovače s běžnými lineárně polarizovanými anténami se operátoři ve svém Shacku neustále setkávají s hlubokým únikem signálu – fenoménem známým jako QSB. Tento nepříznivý jev, umocněný Faradayovou rotací v ionosféře a neustálou změnou polohy rotujícího satelitu, efektivně řeší kruhová Polarizace.
Výroba průmyslových křížových směrových antén je však mechanicky náročná a finančně nákladná. V duchu otevřeného sdílení hardwaru a licence GNU GPL v3 však vznikol prepracovaný open-source koncept od nemeckého rádioamatéra DB6KT (publikovaný na platforme Thingiverse pod číslem 4323183), který spojuje precizní VF inženýrství s technologií 3D tisku. Tento projekt umožňuje postavit ultralehkou křížovou yagi anténu pre pásma 2m a 70cm s kruhovou polarizáciou.
V článku se dočtete
Jaké výhody má kruhová polarizace pro VKV satelitní provoz
Pri bežnej terestriálnej prevádzke na veľmi krátkych vlnách striktne dodržiavame polarizáciu podľa druhu prevádzky. Pre FM prevádzače, digitálne siete DMR, D-Star či paketovú sieť APRS je nepísanou normou vertikálna polarizácia. Naopak, pri diaľkových spojeniach prostredníctvom odrazov Od meteoritických stôp (meteor scatter), v móde EME (Zem-Mesiac-Zem) alebo počas rádioamatérskych contestov v režimoch SSB, CW a RTTY sa uplatňuje polarizácia horizontálna. Satelitná prevádzka však vyžaduje úplne odlišný prístup.
Družice obíhající na nízkých drahách neustále mění svou prostorovou orientaci vůči přijímacímu QTH operátora. Když lineárně polarizovaný signál ze satelitní antény prochází ionosférickými vrstvami, dochází k jeho stáčení. Pokud pozemská stanice používá fixní vertikální nebo horizontální anténu, v momentech polarizačního nesouladu vzniká ztráta, která v maximech dosahuje až 20 dB. Výsledkem je rapidní pokles odstupu signálu od šumu (SNR), neustálé kolísání obvodů automatického řízení zisku (AGC), úniky na hranici šumu av nejhorším případě úplná ztráta čitelnosti relace a nucený odchod do stavu QRT.
Kruhová polarizace – pravotočivá (RHCP) nebo levotočivá (LHCP) – tento problém kompletně eliminuje. Elektromagnetické pole rotuje o 360 stupňů během každé periody vlny, díky čemuž dokáže anténa přijímat lineární signál v jakékoli poloze s konstantním útlumem pouhých 3 dB. Pokud mají obě strany linky shodnou kruhovou polarizaci, polarizační ztráta klesá k nule. K implementaci tohoto principu slouží křížové směrové antény, kde jsou dvě sady elementů mechanicky otočeny o 90 stupňů na společném nosiči (boom) a elektricky napájeny s fázovým posunem 90 stupňů pomocí fázovacího koaxiálního vedení nebo přizpůsobovacího transformátoru.
Pri cross-band prevádzke, kedy sa využíva split frekvencia (typicky Uplink na 144 MHz a Downlink na 430 MHz), je kľúčové zamedziť vzájomnému ovplyvňovaniu oboch vetiev. Silný vysielací výkon (QRO) by mohol zahltiť citlivé vstupné obvody prijímača a spôsobiť intermodulačné skreslenie (IMD). Z toho dôvodu sa do cesty zaraďujú selektívne filtre typu LPF (dolná priepust) pre vysielaciu vetvu a HPF (horní propust) pro přijímací větev, nejčastěji integrované ve sdruženém miniduplexeru. To zajišťuje, že moderní ADC prevodníky a digitálne signálové procesory (DSP) v architektúre SDR TCVR pracujú bez preťaženia, čo umožňuje čistý príjem aj pri slabých signáloch na hranici šumu.
Detaily konstrukce s 3D tiskem podle DB6KT
Konstrukce představená radioamatérem DB6KT pod označením Thingiverse #4323183 přináší inovativní pohled na mechanickou stavbu křížových směrových antén. Tradiční těžké kovové úchyty elementů jsou kompletně nahrazeny přesnými, modulárními plastovými držáky vyrobenými aditivní metodou. Hlavní předností projektu je minimalizace celkové hmotnosti při zachování vysoké torzní pevnosti celého systému.
Jako centrální nosič (boom) navrhl autor využít běžný rybářský prut (fishing rod) ze sklolaminátu. Sklolaminát je ideální materiál, jelikož je kompletně nevodivý a rádiově transparentní, takže nedeformuje vyzařovací diagram antény a nevnáší do systému parazitní kapacity. Pro stacionární instalace autor projekt aktualizoval o úchyty uzpůsobené pro běžné plastové trubky o vnějším průměru 25 mm. Výběr materiálů pro samotné prvky je optimalizován pro maximální elektrickou vodivost a snadné mechanické zpracování v domácích podmínkách:
Pasivní prvky (reflektor a jednotlivé direktory) jsou zhotoveny ze svařovacích drátů ze slitiny hliníku o průměru 3,2 mm. Tento materiál vyniká nízkou hmotností, nízkou cenou a výbornou odolností vůči oxidaci.
Aktivní zářiče jsou vyrobeny z mosazné trubky o průměru 4,0 mm. Volba mosazi je strategická – na rozdíl od hliníku se skvěle pájí, což umožňuje přímé a spolehlivé připojení napájecího koaxiálního kabelu nebo fázovacího vedení bez přechodových odporů.
3D tištěné držáky přesně fixují elementy v pravém úhlu a zároveň zabezpečují potřebný mechanický posun podél osy rámu pro správné fázování kruhové polarizace. DB6KT navrhl optimalizované geometrie pro dvě samostatné anténní soustavy, jejichž mechanické parametry sumarizuje následující tabulka:
| Frekvenční pásmo | Počet elementů | Materiál pasivních prvků | Materiál zářiče | Délka nosiče (Boom) | Celková hmotnost sestavy |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 m (144 MHz) | 6 elementů | Alu svařovací drát 3,2 mm | Mosazná trubka 4,0 mm | cca 2,0 m | méně než 600 g |
| 70 cm (430/440 MHz) | 10 elementů | Alu svařovací drát 3,2 mm | Mosazná trubka 4,0 mm | cca 2,0 m | méně než 500 g |
Z hlediska technologie 3D tisku je výběr filamentu klíčový pro dlouhodobou mechanickou integritu antény v exteriéru. Běžný materiál PLA je naprosto nevhodný, jelikož rychle degraduje pod vlivem UV záření a ztrácí stabilitu při teplotách nad 50 stupňů Celsia. Konstrukční prvky vystavené povětrnostním vlivům je nutno tisknout z materiálů PETG nebo optimálně ASA. ASA filament nabízí excelentní UV stabilitu, vysokou tepelnou odolnost a rázovou houževnatost. Při přípravě tisku ve sliceru se doporučuje nastavit tloušťku vrstvy na 0,2 mm, použít minimálně 3 až 4 obvodové stěny hustotu výplně v rozsahu 35 % až 50 % s prostorovým vzorem typu gyroid, který vykazuje rovnoměrnou pevnost ve všech třech osách a zabraňuje praskání dílů při namáhání.
Postřehy uživatelů a praktický provoz
Praktické nasazení antén podle designu DB6KT v radioamatérské komunitě přineslo řadu pozitivních ohlasů. Uživatelé nejvíce oceňují extrémní lehkost celé konstrukce. Celková hmotnost 2metrové verze pod 600 gramů a 70centimetrové pod 500 gramů otevírá dveře pro přenosný satelitní provoz během portablových aktivit.
Nízká hmotnost a minimální moment setrvačnosti jsou obrovskou výhodou i při pevných instalacích na střechách budov. Pro automatické sledování LEO satelitů není třeba investovat do masivních a drahých průmyslových azimuto-elevačních rotátorů. Uživatelé úspěšně staví lehké rotátory poháněné modelářskými servy nebo krokovými motory řízenými mikrokontrolérem Arduino Nano. Tento prístup je mimoriadne populárny v celosvetovej sieti otvorených pozemných staníc SatNOGS, kde antény DB6KT slúžia na automatizovaný zber telemetrie a dát z vedeckých aj rádioamatérskych CubeSatov.
Při elektrickém oživování antény se naplno projevuje rozměrová přesnost, kterou aditivní výroba poskytuje. Při striktním dodržení délek prvků a jejich vzájemných rozestupů vykazuje anténa vynikající hodnoty PSV (poměr stojatých vln) přímo po složení. Při měření pomocí vektorového anténního analyzátoru se hodnoty PSV v satelitních segmentech 145,800–146,000 MHz a 435,000–438,000 MHz stabilně pohybují pod úrovní 1,5:1, což eliminuje potřebu složitého mechanického dolaďování. Přispívá k tomu i fakt, že mosazné zářiče umožňují přímé připájení koaxiálního kabelu, čímž odpadá použití těžkých svorkovnic a minimalizují se parazitní indukčnosti.
Shrnutí
Propojení radioamatérského konstruktérství s moderním 3D tiskem přináší do světa vysokofrekvenční techniky vysokou míru flexibility. Projekt 3D tištěné křížové Yagi antény podle DB6KT je dokonalým příkladem toho, jak pokročilé koncepty, jako je kruhová polarizace, zpřístupnit široké komunitě za zlomek komerční ceny. Minimální finanční náklady na materiál (hliníkové svařovací dráty a mosazné trubky) v kombinaci s mechanickými vlastnostmi ASA filamentů činí z této konstrukce ideální víkendový projekt pro každého technického nadšence, který hledá spolehlivé řešení pro práci přes radioamatérské satelity.