L'essor actuel des satellites radioamateurs en orbite terrestre basse (LEO) offre de nouvelles opportunités, mais aussi des défis techniques, aux opérateurs. Qu'il s'agisse de relais FM classiques sur les satellites SO-50 et AO-91, de liaisons avec la Station spatiale internationale (ISS) ou d'opérations numériques avancées, la réussite d'une liaison stable dépend avant tout du système d'antenne. Lorsqu'ils utilisent des relais orbitaux avec des antennes à polarisation linéaire conventionnelles, les opérateurs, depuis leur station, subissent constamment d'importantes fuites de signal, un phénomène connu sous le nom de QSB (Quantitative Signal Broadband). Ce phénomène indésirable, exacerbé par la rotation de Faraday dans l'ionosphère et le changement constant de position du satellite en rotation, est efficacement résolu par la polarisation circulaire.
Cependant, la production d'antennes transversales industrielles est exigeante sur le plan mécanique et coûteuse. Dans un esprit de partage ouvert du matériel et des licences GNU GPL v3 však vznikol prepracovaný open-source koncept od nemeckého rádioamatéra DB6KT (publikovaný na platforme Thingiverse sous le numéro 4323183), qui combine l'ingénierie RF de précision avec la technologie d'impression 3D. Ce projet permet de construire une croix ultra-légère yagi anténu pre pásma 2m a 70cm s kruhovou polarizáciou.
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Quels sont les avantages de la polarisation circulaire pour le fonctionnement des satellites 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 Depuis 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.
Les satellites en orbite basse modifient constamment leur orientation spatiale par rapport au QTH de réception de l'opérateur. Lorsque le signal polarisé linéairement provenant de l'antenne du satellite traverse les couches ionosphériques, il est dévié. Si la station terrestre utilise une antenne fixe verticale ou horizontale, les désorientations de polarisation entraînent une perte pouvant atteindre 20 dB. Il en résulte une chute rapide du rapport signal/bruit (SNR), des fluctuations constantes des circuits de contrôle automatique de gain (CAG), des fuites vers le bruit de fond et, dans le pire des cas, une interruption totale de la session et une sortie forcée en mode QRT.
La polarisation circulaire – droite (RHCP) ou gauche (LHCP) – élimine complètement ce problème. Le champ électromagnétique effectue une rotation de 360 degrés à chaque période d'onde, permettant à l'antenne de recevoir un signal linéaire quelle que soit sa position, avec une atténuation constante de seulement 3 dB. Si les deux extrémités de la ligne présentent la même polarisation circulaire, les pertes dues à la polarisation sont nulles. Ce principe est mis en œuvre dans les antennes directionnelles croisées, où deux ensembles d'éléments sont décalés mécaniquement de 90 degrés autour d'un axe commun (la flèche) et alimentés électriquement avec un déphasage de 90 degrés grâce à une ligne coaxiale déphasée ou un transformateur d'adaptation.
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 (passe-haut) pour la branche de réception, le plus souvent intégré dans un miniduplexeur combiné. Ceci garantit que les modernes ADC prevodníky a digitálne signálové procesory (DSP) v architektúre SDR TCVR Ils fonctionnent sans surcharge, ce qui permet une réception claire même avec des signaux faibles au niveau du bruit de fond.
Détails de construction imprimés en 3D selon DB6KT
Construction présentée par des radioamateurs DB6KT sous la référence Thingiverse #4323183 Ce projet propose une approche novatrice de la construction mécanique des antennes transversales. Les supports métalliques traditionnels, lourds et encombrants, sont entièrement remplacés par des supports modulaires en plastique, précis et fabriqués par impression 3D. Son principal atout réside dans la réduction du poids total, tout en préservant la haute résistance à la torsion de l'ensemble du système.
Pour le support central (flèche), l'auteur propose d'utiliser une canne à pêche classique en fibre de verre. La fibre de verre est un matériau idéal car elle est totalement non conductrice et transparente aux ondes radio ; elle ne déforme donc pas le diagramme de rayonnement de l'antenne et n'introduit aucune capacité parasite dans le système. Pour les installations fixes, l'auteur a adapté le projet avec des supports compatibles avec des tubes en plastique standard de 25 mm de diamètre extérieur. Le choix des matériaux pour les éléments eux-mêmes est optimisé pour une conductivité électrique maximale et une mise en œuvre mécanique aisée.
Les éléments passifs (réflecteur et directeurs individuels) sont constitués de fils de soudure en alliage d'aluminium de 3,2 mm de diamètre. Ce matériau se caractérise par sa légèreté, son faible coût et son excellente résistance à l'oxydation.
Les radiateurs actifs sont constitués de tubes en laiton de 4,0 mm de diamètre. Le choix du laiton est stratégique : contrairement à l’aluminium, il se soude parfaitement, ce qui permet un raccordement direct et fiable du câble coaxial d’alimentation ou de la ligne de phase, sans résistances de transition.
Des supports imprimés en 3D fixent précisément les éléments à angle droit tout en assurant le déplacement mécanique nécessaire le long de l'axe du cadre pour un phasage correct de la polarisation circulaire. DB6KT a conçu des géométries optimisées pour deux réseaux d'antennes distincts, dont les paramètres mécaniques sont résumés dans le tableau suivant :
| Bande de fréquence | Nombre d'éléments | Matériau des éléments passifs | Matériau émetteur | longueur de flèche | Poids total de l'assemblage |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 m (144 MHz) | 6 éléments | Fil de soudure en aluminium 3,2 mm | Tube en laiton 4,0 mm | environ 2,0 m | moins de 600 g |
| 70 cm (430/440 MHz) | 10 éléments | Fil de soudure en aluminium 3,2 mm | Tube en laiton 4,0 mm | environ 2,0 m | moins de 500 g |
Du point de vue de l'impression 3D, le choix du filament est crucial pour la durabilité mécanique de l'antenne en extérieur. Le PLA conventionnel est totalement inadapté car il se dégrade rapidement sous l'effet des UV et perd en stabilité à des températures supérieures à 50 °C. Les éléments structurels exposés aux intempéries doivent être imprimés en PETG ou, idéalement, en ASA. Le filament ASA offre une excellente stabilité aux UV, une haute résistance à la chaleur et une grande résistance aux chocs. Lors de la préparation de l'impression dans un logiciel de découpe, il est recommandé de régler l'épaisseur de couche à 0,2 mm, d'utiliser au moins 3 à 4 parois périphériques et une densité de remplissage comprise entre 35 % et 50 %, avec un motif spatial gyroïde assurant une résistance uniforme sur les trois axes et empêchant les pièces de se fissurer sous l'effet du vent.
Aperçu des utilisateurs et fonctionnement pratique
Le déploiement pratique des antennes DB6KT au sein de la communauté radioamateur a suscité de nombreux retours positifs. Les utilisateurs apprécient particulièrement l'extrême légèreté de l'ensemble. La version 2 mètres pèse moins de 600 grammes et la version 70 centimètres moins de 500 grammes, ce qui permet une utilisation portable pour les communications par satellite lors d'activités nomades.
Le faible poids et le moment d'inertie minimal constituent un avantage considérable, même pour les installations fixes sur les toits des bâtiments. Pour le suivi automatique des satellites en orbite basse, il n'est pas nécessaire d'investir dans des systèmes industriels massifs et coûteux. rotateurs d'azimut-élévationLes utilisateurs parviennent à construire des rotateurs légers alimentés par des servomoteurs de modélisme ou des moteurs pas à pas contrôlés par microcontrôleur. 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 précision dimensionnelle offerte par la fabrication additive est pleinement démontrée durant la durée de vie électrique de l'antenne. Grâce au strict respect des longueurs des éléments et de leur espacement mutuel, l'antenne présente d'excellentes valeurs de PSV (taux d'ondes stationnaires) dès son assemblage. Mesurées à l'aide d'un analyseur d'antenne vectorielle, les valeurs de PSV dans les segments satellites 145,800–146,000 MHz et 435,000–438,000 MHz restent stablement inférieures à 1,5:1, ce qui élimine le besoin d'un réglage mécanique complexe. Ce résultat est également facilité par le fait que les éléments rayonnants en laiton permettent le soudage direct du câble coaxial, ce qui supprime l'utilisation de borniers encombrants et minimise les inductances parasites.
Résumé
L'alliance du génie radioamateur et de l'impression 3D moderne offre une grande flexibilité dans le domaine des technologies radiofréquences. Le projet d'antenne Yagi en croix imprimée en 3D par DB6KT illustre parfaitement comment rendre des concepts avancés, tels que la polarisation circulaire, accessibles au grand public à un prix bien inférieur à celui du commerce. Le faible coût des matériaux (fils de soudure en aluminium et tubes en laiton) combiné aux propriétés mécaniques des filaments ASA fait de cette construction un projet idéal pour tout amateur de radioamateur souhaitant une solution fiable pour communiquer par satellite.