vkv antény s kruhovou polarizací: Efektivní satelitní provoz pomocí 3D tisku

Súčasný rozmach rádioamatérskych satelitov pracujúcich na nízkej obežnej dráhe (LEO ) prináša operátorom nové možnosti, ale aj technické výzvy. Či už ide o klasické FM prevádzače na družiciach SO-50 a AO-91, linky na Medzinárodnej vesmírnej stanici ISS, alebo o pokročilú digitálnu prevádzku, úspech nadviazania stabilného QSO závisí predovšetkým Od anténneho systému. Pri práci cez orbitálne opakovače s bežnými lineárne polarizovanými anténami sa operátori vo svojom Shacku neustále stretávajú s hlbokým únikom signálu – fenoménom známym ako QSB . Tento nepriaznivý jav, umocnený Faradayovou rotáciou v ionosfére a neustálou zmenou polohy rotujúceho satelitu, efektívne rieši kruhová Polarizácia .

Výroba průmyslových křížových směrových antén je však mechanicky náročná a finančně nákladná. V duchu otevřeného sdílení hardwaru a licence GNU GPL v3 však vznikl přepracovaný open-source koncept Od německého radioamatéra DB6KT (publikován na platformě Thingiverse pod číslem 4323183), který spojuje precizní VF inženýrství s technologií 3D tisku. Tento projekt umožňuje postavit ultralehkou křížovou yagi anténu PRO pásma 2m a 70cm s kruhovou polarizací.

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 obiehajúce na nízkych dráhach neustále menia svoju priestorovú orientáciu voči prijímaciemu QTH operátora. Keď lineárne polarizovaný signál zo satelitnej antény prechádza ionosférickými vrstvami, dochádza k jeho stáčaniu. Ak pozemská stanica používa fixnú vertikálnu alebo horizontálnu anténu, v momentoch polarizačného nesúladu vzniká strata, ktorá v maximách dosahuje až 20 dB. Výsledkom je rapídny pokles odstupu signálu Od šumu (SNR ), neustále kolísanie obvodov automatického riadenia zisku (AGC ), úniky na hranicu šumu a v najhoršom prípade úplná strata čitateľnosti relácie a nútený odchod do stavu QRT .

Kruhová polarizácia – pravotočivá (RHCP ) alebo ľavotočivá (LHCP ) – tento problém kompletne eliminuje. Elektromagnetické pole rotuje o 360 stupňov počas každej periódy vlny, vďaka čomu dokáže anténa prijímať lineárny signál v akejkoľvek polohe s konštantným útlmom iba 3 dB. Ak majú obe strany linky zhodnú kruhovú polarizáciu, polarizačná strata klesá k nule. Na implementáciu tohto princípu slúžia krížové smerové antény, kde sú dve sady elementov mechanicky otočené o 90 stupňov na spoločnom nosiči (boom) a elektricky napájané s fázovým posunom 90 stupňov pomocou fázovacieho koaxiálneho vedenia alebo prispôsobovacieho transformátora.

Při cross-band provozu, kdy se využívá split frekvence (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 důvodu se do cesty zařazují selektivní filtry typu LPF (dolní propust) PRO vysílací větev a HPF (horní propust) PRO přijímací větev, nejčastěji integrované ve sdruženém miniduplexeru. To zajišťuje, že moderní ADC prevodníky a digitálne signálové procesory (DSP ) v architektuře 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:

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 přístup je mimořádně populární v celosvětové síti otevřených pozemních stanic SatNOGS , kde antény DB6KT slouží k automatizovanému sběru telemetrie a dat z vědeckých i radioamatérských CubeSatů.

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.