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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 Aus 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 .
Die Herstellung industrieller Richtantennen ist jedoch mechanisch anspruchsvoll und finanziell kostspielig. Im Sinne des offenen Austauschs von Hardware und Lizenzen GNU GPL v3 Ein deutsches Funkamateurprojekt entwickelte jedoch ein weiterentwickeltes Open-Source-Konzept. DB6KT (veröffentlicht auf der Plattform) Thingiverse unter der Nummer 4323183), das präzise Hochfrequenztechnik mit 3D-Drucktechnologie kombiniert. Mit diesem Projekt können Sie ein ultraleichtes Kreuz bauen. Yagi Antenne für die 2-m- und 70-cm-Bänder mit zirkularer Polarisation.
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Welche Vorteile bietet die zirkulare Polarisation für den VHF-Satellitenbetrieb?
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 Aus 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 Aus 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 Antenne 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.
Wann wird es im Crossband-Betrieb eingesetzt? Teilt Frequenz (typischerweise Uplink bei 144 MHz und 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 Aus diesem Grund werden selektive Filter des Typs in den Pfad aufgenommen. LPF (Tiefpass) für den Sendezweig und HPF (Hochpass) für den Empfangszweig, meist in einem kombinierten Miniduplexer integriert. Dies gewährleistet, dass moderne ADC prevodníky a digitálne signálové procesory (DSP ) in der Architektur SDR TCVR Sie arbeiten ohne Überlastung, was einen klaren Empfang auch bei schwachen Signalen im Rauschpegel ermöglicht.
3D-gedruckte Konstruktionsdetails gemäß DB6KT
Bauprojekt präsentiert von Funkamateuren DB6KT unter Thingiverse-Referenznummer #4323183 Das Projekt bietet eine innovative Perspektive auf die mechanische Konstruktion von Richtantennen. Herkömmliche, schwere Metallhalterungen werden vollständig durch präzise, modulare Kunststoffhalterungen ersetzt, die im additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden. Der Hauptvorteil des Projekts liegt in der Minimierung des Gesamtgewichts bei gleichzeitiger Beibehaltung der hohen Torsionsfestigkeit des gesamten Systems.
Als zentrale Halterung (Ausleger) schlug der Autor die Verwendung einer handelsüblichen Angelrute aus Fiberglas vor. Fiberglas ist ein ideales Material, da es vollständig nichtleitend und funktransparent ist. Dadurch wird das Strahlungsmuster der Antenne nicht verzerrt und es entstehen keine parasitären Kapazitäten im System. Für stationäre Installationen hat der Autor das Projekt mit Halterungen für handelsübliche Kunststoffrohre mit einem Außendurchmesser von 25 mm angepasst. Die Materialauswahl für die einzelnen Elemente ist auf maximale elektrische Leitfähigkeit und einfache mechanische Bearbeitung im Heimgebrauch optimiert.
Die passiven Elemente (Reflektor und Einzeldirektoren) bestehen aus 3,2 mm dickem Aluminiumlegierungs-Schweißdraht. Dieses Material zeichnet sich durch geringes Gewicht, niedrigen Preis und ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit aus.
Die aktiven Kühlkörper bestehen aus Messingrohr mit 4,0 mm Durchmesser. Die Wahl von Messing ist strategisch begründet – im Gegensatz zu Aluminium lässt es sich hervorragend löten, was einen direkten und zuverlässigen Anschluss des Stromkoaxialkabels oder der Phasenleitung ohne Übergangswiderstände ermöglicht.
3D-gedruckte Halterungen fixieren die Elemente präzise im rechten Winkel und gewährleisten gleichzeitig die notwendige mechanische Verschiebung entlang der Rahmenachse für die korrekte Phasenlage der zirkularen Polarisation. DB6KT entwarf optimierte Geometrien für zwei separate Antennenarrays, deren mechanische Parameter in der folgenden Tabelle zusammengefasst sind:
| Frequenzband | Anzahl der Elemente | Material für passive Bauelemente | Emittermaterial | Auslegerlänge | Gesamtgewicht der Baugruppe |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 m (144 MHz) | 6 Elemente | Aluminium-Schweißdraht 3,2 mm | Messingrohr 4,0 mm | ca. 2,0 m | weniger als 600 g |
| 70 cm (430/440 MHz) | 10 Elemente | Aluminium-Schweißdraht 3,2 mm | Messingrohr 4,0 mm | ca. 2,0 m | weniger als 500 g |
Aus Sicht der 3D-Drucktechnologie ist die Filamentwahl entscheidend für die langfristige mechanische Stabilität der Antenne im Außenbereich. Herkömmliches PLA ist völlig ungeeignet, da es unter UV-Licht schnell zersetzt wird und bei Temperaturen über 50 °C seine Stabilität verliert. Strukturelle Elemente, die Witterungseinflüssen ausgesetzt sind, müssen aus PETG oder idealerweise aus ASA gedruckt werden. ASA-Filament bietet hervorragende UV-Stabilität, hohe Hitzebeständigkeit und Schlagfestigkeit. Bei der Druckvorbereitung im Slicer empfiehlt es sich, die Schichtdicke auf 0,2 mm einzustellen, mindestens 3 bis 4 Außenwände zu verwenden und eine Fülldichte von 35 % bis 50 % mit einem Gyroid-Filamentmuster zu erzielen. Dieses sorgt für gleichmäßige Festigkeit in allen drei Achsen und verhindert Risse unter Windeinwirkung.
Nutzererkenntnisse und praktische Anwendung
Der praktische Einsatz der DB6KT-Antennen in der Amateurfunk-Community hat viel positives Feedback hervorgerufen. Besonders geschätzt wird das extrem geringe Gewicht der gesamten Konstruktion. Die 2-Meter-Version wiegt weniger als 600 Gramm, die 70-Zentimeter-Version sogar weniger als 500 Gramm. Dies ermöglicht den portablen Satellitenbetrieb auch unterwegs.
Geringes Gewicht und minimales Trägheitsmoment sind selbst bei festen Installationen auf Gebäudedächern ein großer Vorteil. Für die automatische Nachführung von LEO-Satelliten ist es nicht notwendig, in massive und teure industrielle Anlagen zu investieren. Azimut-Höhen-RotatorenAnwender bauen erfolgreich leichte Rotatoren, die von Servomotoren in Modellbauqualität oder mikrocontrollergesteuerten Schrittmotoren angetrieben werden. Arduino Nano Dieser Ansatz erfreut sich im weltweiten Netzwerk offener Bodenstationen großer Beliebtheit. SatNOGS , wobei DB6KT-Antennen für die automatisierte Telemetrie und Datenerfassung von wissenschaftlichen und Amateurfunk-CubeSats verwendet werden.
Die durch additive Fertigung erreichte Maßgenauigkeit zeigt sich vollumfänglich während der gesamten elektrischen Lebensdauer der Antenne. Dank der strikten Einhaltung der Elementlängen und -abstände weist die Antenne direkt nach der Montage exzellente PSV-Werte (Stehwellenverhältnis) auf. Messungen mit einem Vektorantennenanalysator ergaben, dass die PSV-Werte in den Satellitensegmenten 145,800–146,000 MHz und 435,000–438,000 MHz stabil unter 1,5: 1 liegen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer aufwendigen mechanischen Abstimmung. Zusätzlich trägt die Tatsache dazu bei, dass die Messingstrahler das direkte Anlöten des Koaxialkabels ermöglichen. Dies macht schwere Klemmenblöcke überflüssig und minimiert parasitäre Induktivitäten.
Zusammenfassung
Die Kombination von Amateurfunktechnik und modernem 3D-Druck eröffnet der Hochfrequenztechnik neue Möglichkeiten. Das 3D-gedruckte Yagi-Kreuzantennenprojekt von DB6KT ist ein Paradebeispiel dafür, wie sich fortschrittliche Konzepte wie die Zirkularpolarisation zu einem Bruchteil des kommerziellen Preises für jedermann zugänglich machen lassen. Die geringen Materialkosten (Aluminium-Schweißdrähte und Messingrohre) in Verbindung mit den mechanischen Eigenschaften von ASA-Filamenten machen diese Konstruktion zu einem idealen Wochenendprojekt für jeden Technikbegeisterten, der eine zuverlässige Lösung für die Arbeit über Amateurfunksatelliten sucht.