El auge actual de los satélites de radioaficionados que operan en órbita terrestre baja (LEO) ofrece nuevas oportunidades, pero también desafíos técnicos, para los operadores. Ya se trate de repetidores FM clásicos en los satélites SO-50 y AO-91, enlaces en la Estación Espacial Internacional (ISS) o de operaciones digitales avanzadas, el éxito en el establecimiento de una comunicación estable depende principalmente del sistema de antenas. Al trabajar a través de repetidores orbitales con antenas convencionales de polarización lineal, los operadores en su estación experimentan constantemente una profunda fuga de señal, un fenómeno conocido como QSB. Este fenómeno adverso, exacerbado por la rotación de Faraday en la ionosfera y el cambio constante en la posición del satélite en rotación, se resuelve eficazmente mediante la polarización circular.
Sin embargo, la producción de antenas industriales de doble direccionalidad es mecánicamente exigente y económicamente costosa. En aras del espíritu de compartir abiertamente hardware y licencias GNU GPL v3 však vznikol prepracovaný open-source koncept od nemeckého rádioamatéra DB6KT (publikovaný na platforme Thingiverse con el número 4323183), que combina ingeniería de RF de precisión con tecnología de impresión 3D. Este proyecto te permite construir una cruz ultraligera yagi anténu pre pásma 2m a 70cm s kruhovou polarizáciou.
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¿Cuáles son las ventajas de la polarización circular para el funcionamiento de satélites VHF?
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 De 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.
Los satélites que orbitan a baja altitud cambian constantemente su orientación espacial con respecto a la ubicación de recepción del operador. Cuando la señal polarizada linealmente proveniente de la antena del satélite atraviesa las capas ionosféricas, se distorsiona. Si la estación terrestre utiliza una antena fija vertical u horizontal, en momentos de desajuste de polarización se produce una pérdida que, en su máximo, alcanza los 20 dB. Esto conlleva una rápida disminución de la relación señal-ruido (SNR), fluctuaciones constantes en los circuitos de control automático de ganancia (AGC), fugas hasta el nivel de ruido y, en el peor de los casos, una pérdida total de la legibilidad de la sesión y una salida forzada al estado QRT.
La polarización circular, ya sea a la derecha (RHCP) o a la izquierda (LHCP), elimina por completo este problema. El campo electromagnético gira 360 grados durante cada período de onda, lo que permite que la antena reciba una señal lineal en cualquier posición con una atenuación constante de tan solo 3 dB. Si ambos lados de la línea tienen la misma polarización circular, la pérdida de polarización se reduce a cero. Para implementar este principio se utilizan antenas direccionales cruzadas, donde dos conjuntos de elementos giran mecánicamente 90 grados sobre una portadora común (brazo) y se alimentan eléctricamente con un desfase de 90 grados mediante una línea coaxial de desfase o un transformador de adaptación.
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 (paso alto) para la rama de recepción, generalmente integrado en un minidúplex combinado. Esto garantiza que los modernos ADC prevodníky a digitálne signálové procesory (DSP) v architektúre DEG TCVR Funcionan sin sobrecargarse, lo que permite una recepción clara incluso con señales débiles al nivel del ruido de fondo.
Detalles de construcción impresos en 3D según DB6KT
Construcción presentada por radioaficionados DB6KT bajo la referencia de Thingiverse #4323183 Este proyecto aporta una perspectiva innovadora a la construcción mecánica de antenas multidireccionales. Los soportes metálicos tradicionales, de gran peso, se sustituyen por completo por soportes modulares de plástico, fabricados mediante manufactura aditiva. La principal ventaja reside en la minimización del peso total, manteniendo al mismo tiempo la elevada resistencia torsional de todo el sistema.
Como soporte central (brazo), el autor propuso utilizar una caña de pescar común de fibra de vidrio. La fibra de vidrio es un material ideal porque es completamente no conductora y radiotransparente, por lo que no deforma el patrón de radiación de la antena ni introduce capacitancias parásitas en el sistema. Para instalaciones fijas, el autor actualizó el proyecto con soportes adaptados para tubos de plástico comunes con un diámetro exterior de 25 mm. La selección de materiales para los elementos se optimizó para lograr la máxima conductividad eléctrica y facilitar el mecanizado en casa.
Los elementos pasivos (reflector y directores individuales) están fabricados con alambres de soldadura de aleación de aluminio de 3,2 mm de diámetro. Este material se caracteriza por su bajo peso, bajo precio y excelente resistencia a la oxidación.
Los radiadores activos están fabricados con tubos de latón de 4,0 mm de diámetro. La elección del latón es estratégica: a diferencia del aluminio, se suelda excelentemente, lo que permite una conexión directa y fiable del cable coaxial de alimentación o de la línea de fase sin resistencias de transición.
Los soportes impresos en 3D fijan con precisión los elementos en ángulo recto, a la vez que proporcionan el desplazamiento mecánico necesario a lo largo del eje del bastidor para una correcta faseación de la polarización circular. DB6KT diseñó geometrías optimizadas para dos conjuntos de antenas independientes, cuyos parámetros mecánicos se resumen en la siguiente tabla:
| Banda de frecuencia | Número de elementos | Material de elemento pasivo | Material emisor | longitud de la pluma | Peso total del conjunto |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 m (144 MHz) | 6 elementos | Alambre de soldadura de aluminio de 3,2 mm | Tubo de latón de 4,0 mm | aprox. 2,0 m | menos de 600 g |
| 70 cm (430/440 MHz) | 10 elementos | Alambre de soldadura de aluminio de 3,2 mm | Tubo de latón de 4,0 mm | aprox. 2,0 m | menos de 500 g |
Desde la perspectiva de la tecnología de impresión 3D, la selección del filamento es crucial para la integridad mecánica a largo plazo de la antena en exteriores. El PLA convencional es totalmente inadecuado, ya que se degrada rápidamente bajo la luz UV y pierde estabilidad a temperaturas superiores a 50 grados Celsius. Los elementos estructurales expuestos a la intemperie deben imprimirse con PETG o, idealmente, ASA. El filamento ASA ofrece una excelente estabilidad UV, alta resistencia al calor y resistencia al impacto. Al preparar la impresión en un software de laminado, se recomienda configurar el grosor de capa a 0,2 mm, usar al menos 3 o 4 paredes periféricas y una densidad de relleno en el rango del 35 % al 50 % con un patrón espacial giroidal que exhiba una resistencia uniforme en los tres ejes y evite que las piezas se agrieten bajo la tensión del viento.
Información sobre el usuario y funcionamiento práctico
El uso práctico de las antenas DB6KT en la comunidad de radioaficionados ha tenido una gran acogida. Los usuarios aprecian especialmente la extrema ligereza de toda la estructura. El peso total de la versión de 2 metros es inferior a 600 gramos y el de la versión de 70 centímetros es inferior a 500 gramos, lo que permite su uso en comunicaciones satelitales portátiles durante actividades en exteriores.
Su bajo peso y mínimo momento de inercia representan una gran ventaja incluso para instalaciones fijas en azoteas de edificios. Para el seguimiento automático de satélites LEO no es necesario invertir en equipos industriales masivos y costosos. Rotadores de acimut y elevaciónLos usuarios construyen con éxito rotores ligeros impulsados por servomotores de modelismo o motores paso a paso controlados por microcontroladores. 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.
La precisión dimensional que ofrece la fabricación aditiva queda plenamente demostrada durante la vida útil eléctrica de la antena. Gracias al estricto cumplimiento de las longitudes de los elementos y su espaciado mutuo, la antena presenta excelentes valores de PSV (relación de onda estacionaria) inmediatamente después del ensamblaje. Al medirlos con un analizador vectorial de antenas, los valores de PSV en los segmentos de satélite de 145.800–146.000 MHz y 435.000–438.000 MHz se mantienen estables por debajo de 1,5:1, lo que elimina la necesidad de una sintonización mecánica compleja. Esto se ve facilitado, además, por el hecho de que los radiadores de latón permiten la soldadura directa del cable coaxial, lo que elimina el uso de pesados bloques de terminales y minimiza las inductancias parásitas.
Resumen
La combinación de la ingeniería de radioaficionados con la impresión 3D moderna aporta una gran flexibilidad al mundo de la tecnología de radiofrecuencia. El proyecto de antena Yagi cruzada impresa en 3D de DB6KT es un ejemplo perfecto de cómo hacer que conceptos avanzados como la polarización circular sean accesibles para el público en general a una fracción del precio comercial. El mínimo coste económico del material (alambres de soldadura de aluminio y tubos de latón), junto con las propiedades mecánicas de los filamentos ASA, hacen de esta construcción un proyecto ideal para cualquier aficionado a la tecnología que busque una solución fiable para comunicarse mediante satélites de radioaficionados.