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 priemyselných krížových smerových antén je však mechanicky náročná a finančne nákladná. V duchu otvoreného zdieľania hardvéru a licencie GNU GPL v3 však vznikol prepracovaný open-source koncept od nemeckého rádioamatéra DB6KT (publikovaný na platforme Thingiverse pod číslom 4323183), ktorý spája precízne VF inžinierstvo s technológiou 3D tlače. Tento projekt umožňuje postaviť ultraľahkú krížovú yagi anténu pre pásma 2m a 70cm s kruhovou polarizáciou.
V článku sa dočítate
Aké výhody má kruhová polarizácia pre VKV satelitnú prevádzku
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.
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 (horná priepust) pre prijímaciu vetvu, najčastejšie integrované v združenom miniduplexeri. To zabezpečuje, že moderné 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 konštrukcie s 3D tlačou podľa DB6KT
Konštrukcia predstavená rádioamatérom DB6KT pod označením Thingiverse #4323183 prináša inovatívny pohľad na mechanickú stavbu krížových smerových antén. Tradičné ťažké kovové úchyty elementov sú kompletne nahradené presnými, modulárnymi plastovými držiakmi vyrobenými aditívnou metódou. Hlavnou prednosťou projektu je minimalizácia celkovej hmotnosti pri zachovaní vysokej torznej pevnosti celého systému.
Ako centrálny nosič (boom) navrhol autor využiť bežný rybársky prút (fishing rod) zo sklolaminátu. Sklolaminát je ideálny materiál, pretože je kompletne nevodivý a rádiovo transparentný, takže nedeformuje vyžarovací diagram antény a nevnáša do systému parazitné kapacity. Pre stacionárne inštalácie autor projekt aktualizoval o úchyty uspôsobené pre bežné plastové rúrky s vonkajším priemerom 25 mm. Výber materiálov pre samotné prvky je optimalizovaný pre maximálnu elektrickú vodivosť a jednoduché mechanické spracovanie v domácich podmienkach:
Pasívne prvky (reflektor a jednotlivé direktory) sú zhotovené zo zváracích drôtov zo zliatiny hliníka s priemerom 3,2 mm. Tento materiál vyniká nízkou hmotnosťou, nízkou cenou a výbornou odolnosťou voči oxidácii.
Aktívne žiariče sú vyrobené z mosadznej rúrky s priemerom 4,0 mm. Voľba mosadze je strategická – na rozdiel od hliníka sa vynikajúco spájkuje, čo umožňuje priame a spoľahlivé pripojenie napájacieho koaxiálneho kábla alebo fázovacieho vedenia bez prechodových odporov.
3D tlačené držiaky presne fixujú elementy v pravom uhle a zároveň zabezpečujú potrebný mechanický posun pozdĺž osi rámu pre správne fázovanie kruhovej polarizácie. DB6KT navrhol optimalizované geometrie pre dve samostatné anténne sústavy, ktorých mechanické parametre sumarizuje nasledujúca tabuľka:
| Frekvenčné pásmo | Počet elementov | Materiál pasívnych prvkov | Materiál žiariča | Dĺžka nosiča (Boom) | Celková hmotnosť zostavy |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 m (144 MHz) | 6 elementov | Alu zvárací drôt 3,2 mm | Mosadzná rúrka 4,0 mm | cca 2,0 m | menej ako 600 g |
| 70 cm (430/440 MHz) | 10 elementov | Alu zvárací drôt 3,2 mm | Mosadzná rúrka 4,0 mm | cca 2,0 m | menej ako 500 g |
Z hľadiska technológie 3D tlače je výber filamentu kľúčový pre dlhodobú mechanickú integritu antény v exteriéri. Bežný materiál PLA je absolútne nevhodný, nakoľko rýchlo degraduje pod vplyvom UV žiarenia a stráca stabilitu pri teplotách nad 50 stupňov Celzia. Konštrukčné prvky vystavené poveternostným vplyvom je nutné tlačiť z materiálov PETG alebo optimálne ASA. ASA filament ponúka excelentnú UV stabilitu, vysokú tepelnú odolnosť a rázovú húževnatosť. Pri príprave tlače v sliceri sa odporúča nastaviť hrúbku vrstvy na 0,2 mm, použiť minimálne 3 až 4 obvodové stenya hustotu výplne v rozsahu 35 % až 50 % s priestorovým vzorom typu gyroid, ktorý vykazuje rovnomernú pevnosť vo všetkých troch osiach a zabraňuje praskaniu dielov pri namáhaní vetrom.
Postrehy používateľov a praktická prevádzka
Praktické nasadenie antén podľa dizajnu DB6KT v rádioamatérskej komunite prinieslo množstvo pozitívnych ohlasov. Používatelia najviac oceňujú extrémnu ľahkosť celej konštrukcie. Celková hmotnosť 2-metrovej verzie pod 600 gramov a 70-centimetrovej pod 500 gramov otvára dvere pre prenosnú satelitnú prevádzku počas portablových aktivít.
Nízka hmotnosť a minimálny moment zotrvačnosti sú obrovskou výhodou aj pri pevných inštaláciách na strechách budov. Pre automatické sledovanie LEO satelitov nie je potrebné investovať do masívnych a drahých priemyselných azimutovo-elevačných rotátorov. Používatelia úspešne stavajú ľahké rotátory poháňané modelárskymi servami alebo krokovými motormi riadenými mikrokontrolérom 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.
Pri elektrickom oživovaní antény sa naplno prejavuje rozmerová presnosť, ktorú aditíVNA výroba poskytuje. Pri striktnom dodržaní dĺžok prvkov a ich vzájomných rozostupov vykazuje anténa vynikajúce hodnoty PSV (pomer stojatých vĺn) priamo po zložení. Pri meraní pomocou vektorového anténneho analyzátora sa hodnoty PSV v satelitných segmentoch 145,800–146,000 MHz a 435,000–438,000 MHz stabilne pohybujú pod úrovňou 1,5:1, čo eliminuje potrebu zložitého mechanického dolaďovania. Prispieva k tomu aj fakt, že mosadzné žiariče umožňujú priame prispájkovanie koaxiálneho kábla, čím odpadá použitie ťažkých svorkovníc a minimalizujú sa parazitné indukčnosti.
Zhrnutie
Prepojenie rádioamatérskeho konštruktérstva s modernou 3D tlačou prináša do sveta vysokofrekvenčnej techniky vysokú mieru flexibility. Projekt 3D tlačenej krížovej Yagi antény podľa DB6KT je dokonalým príkladom toho, ako pokročilé koncepty, akým je kruhová polarizácia, sprístupniť širokej komunite za zlomok komerčnej ceny. Minimálne finančné náklady na materiál (hliníkové zváracie drôty a mosadzné rúrky) v kombinácii s mechanickými vlastnosťami ASA filamentov robia z tejto konštrukcie ideálny víkendový projekt pre každého technického nadšenca, ktorý hľadá spoľahlivé riešenie na prácu cez rádioamatérske satelity.