Der aktuelle Boom von Amateurfunksatelliten im erdnahen Orbit (LEO) eröffnet den Funkamateuren neue Möglichkeiten, stellt sie aber auch vor technische Herausforderungen. Ob klassische FM-Relais auf den Satelliten SO-50 und AO-91, Verbindungen zur Internationalen Raumstation ISS oder fortschrittlicher digitaler Betrieb – der Erfolg einer stabilen Verbindung hängt primär vom Antennensystem ab. Bei der Nutzung von Orbitalrelais mit herkömmlichen linear polarisierten Antennen stoßen Funkamateure in ihrer Funkstation ständig auf starke Signalverluste – ein Phänomen, das als QSB (Quick-Streuung) bekannt ist. Dieses unerwünschte Phänomen, das durch die Faraday-Rotation in der Ionosphäre und die ständige Positionsänderung des rotierenden Satelliten verstärkt wird, lässt sich durch zirkulare Polarisation effektiv beheben.
Die Herstellung industrieller Richtantennen ist jedoch mechanisch anspruchsvoll und finanziell kostspielig. Im Sinne des offenen Austauschs von Hardware und Lizenzen GNU GPL v3 však vznikol prepracovaný open-source koncept od nemeckého rádioamatéra DB6KT (publikovaný na platforme Thingiverse unter der Nummer 4323183), das präzise Hochfrequenztechnik mit 3D-Drucktechnologie kombiniert. Mit diesem Projekt können Sie ein ultraleichtes Kreuz bauen. yagi anténu pre pásma 2m a 70cm s kruhovou polarizáciou.
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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.
Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen ändern ständig ihre räumliche Ausrichtung relativ zum Empfangsort des Betreibers. Beim Durchgang des linear polarisierten Signals der Satellitenantenne durch die Ionosphäre wird dieses verdrillt. Nutzt die Bodenstation eine fest installierte vertikale oder horizontale Antenne, kommt es bei Fehlanpassung der Polarisation zu Dämpfungsverlusten von bis zu 20 dB. Dies führt zu einem rapiden Abfall des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR), ständigen Schwankungen der automatischen Verstärkungsregelung (AGC), Übersprechen bis zum Grundrauschen und im schlimmsten Fall zum vollständigen Verlust der Lesbarkeit der Verbindung und einem erzwungenen Wechsel in den QRT-Zustand.
Zirkulare Polarisation – rechtsdrehend (RHCP) oder linksdrehend (LHCP) – beseitigt dieses Problem vollständig. Das elektromagnetische Feld dreht sich während jeder Wellenperiode um 360 Grad, sodass die Antenne in jeder Position ein lineares Signal mit einer konstanten Dämpfung von nur 3 dB empfangen kann. Sind beide Seiten der Leitung gleich zirkular polarisiert, sinkt der Polarisationsverlust auf null. Dieses Prinzip wird in Kreuzrichtantennen umgesetzt. Dabei werden zwei Elementgruppen mechanisch um 90 Grad an einem gemeinsamen Träger (Ausleger) gedreht und elektrisch mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad über eine Phasenverschiebungs-Koaxialleitung oder einen Anpassungstransformator gespeist.
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 (Hochpass) für den Empfangszweig, meist in einem kombinierten Miniduplexer integriert. Dies gewährleistet, dass moderne ADC prevodníky a digitálne signálové procesory (DSP) v architektúre 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. 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.
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.