L'attuale boom dei satelliti radioamatoriali operanti in orbita terrestre bassa (LEO) offre nuove opportunità, ma anche sfide tecniche, agli operatori. Che si tratti di ripetitori FM classici sui satelliti SO-50 e AO-91, di collegamenti con la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) o di operazioni digitali avanzate, il successo nell'instaurare un QSO stabile dipende principalmente dal sistema di antenne. Quando si opera tramite ripetitori orbitali con antenne convenzionali a polarizzazione lineare, gli operatori nelle loro stazioni radio si imbattono costantemente in una forte dispersione del segnale, un fenomeno noto come QSB (Quasi-Spiral Signal Branch). Questo fenomeno indesiderato, esacerbato dalla rotazione di Faraday nella ionosfera e dal costante cambiamento di posizione del satellite in rotazione, viene efficacemente risolto dalla polarizzazione circolare.
Tuttavia, la produzione di antenne cross-direzionali industriali è meccanicamente impegnativa e finanziariamente costosa. Nello spirito di condivisione aperta di hardware e licenze GNU GPL v3 však vznikol prepracovaný open-source koncept od nemeckého rádioamatéra DB6KT (publikovaný na platforme Thingiverse, numero 4323183), che combina l'ingegneria RF di precisione con la tecnologia di stampa 3D. Questo progetto ti permette di costruire una croce ultraleggera yagi anténu pre pásma 2m a 70cm s kruhovou polarizáciou.
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Quali sono i vantaggi della polarizzazione circolare per le operazioni satellitari 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 Da 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.
I satelliti in orbita bassa cambiano costantemente il loro orientamento spaziale rispetto alla stazione ricevente dell'operatore. Quando il segnale a polarizzazione lineare proveniente dall'antenna del satellite attraversa gli strati ionosferici, subisce una torsione. Se la stazione terrestre utilizza un'antenna fissa verticale o orizzontale, nei momenti di disallineamento di polarizzazione si verifica una perdita che, al suo massimo, raggiunge i 20 dB. Il risultato è una rapida diminuzione del rapporto segnale/rumore (SNR), continue fluttuazioni dei circuiti di controllo automatico del guadagno (AGC), dispersioni verso il livello di rumore di fondo e, nel peggiore dei casi, una completa perdita di leggibilità della sessione e un'uscita forzata allo stato QRT.
La polarizzazione circolare – destrorsa (RHCP) o sinistrorsa (LHCP) – elimina completamente questo problema. Il campo elettromagnetico ruota di 360 gradi durante ogni periodo d'onda, consentendo all'antenna di ricevere un segnale lineare in qualsiasi posizione con un'attenuazione costante di soli 3 dB. Se entrambi i lati della linea hanno la stessa polarizzazione circolare, la perdita di polarizzazione si riduce a zero. Le antenne cross-direzionali vengono utilizzate per implementare questo principio, in cui due serie di elementi vengono ruotate meccanicamente di 90 gradi su un supporto comune (braccio) e alimentate elettricamente con uno sfasamento di 90 gradi tramite una linea coassiale sfasatrice o un trasformatore di adattamento.
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 (passa-alto) per il ramo di ricezione, il più delle volte integrato in un miniduplexer combinato. Ciò garantisce che il moderno ADC prevodníky a digitálne signálové procesory (DSP) v architektúre SDR TCVR Funzionano senza sovraccarico, il che consente una ricezione chiara anche con segnali deboli e un basso livello di rumore.
Dettagli costruttivi stampati in 3D secondo DB6KT
Costruzione presentata da radioamatori DB6KT con riferimento Thingiverse #4323183 Questo progetto introduce una prospettiva innovativa sulla costruzione meccanica delle antenne cross-direzionali. I tradizionali supporti metallici per gli elementi vengono completamente sostituiti da supporti modulari in plastica, precisi e realizzati con la tecnica della produzione additiva. Il principale vantaggio del progetto risiede nella minimizzazione del peso complessivo, pur mantenendo un'elevata resistenza torsionale dell'intero sistema.
Come supporto centrale (braccio), l'autore ha proposto di utilizzare una comune canna da pesca in fibra di vetro. La fibra di vetro è un materiale ideale perché è completamente non conduttiva e radiotrasparente, quindi non deforma il diagramma di radiazione dell'antenna e non introduce capacità parassite nel sistema. Per le installazioni fisse, l'autore ha aggiornato il progetto con supporti adattati a comuni tubi di plastica con un diametro esterno di 25 mm. La scelta dei materiali per gli elementi stessi è ottimizzata per la massima conduttività elettrica e la facilità di lavorazione meccanica a casa:
Gli elementi passivi (riflettore e singoli direttori) sono realizzati con fili di saldatura in lega di alluminio di 3,2 mm di diametro. Questo materiale è caratterizzato da peso ridotto, prezzo contenuto ed eccellente resistenza all'ossidazione.
I radiatori attivi sono realizzati in tubo di ottone di 4,0 mm di diametro. La scelta dell'ottone è strategica: a differenza dell'alluminio, si salda in modo eccellente, consentendo un collegamento diretto e affidabile del cavo coassiale di alimentazione o della linea di fase senza resistenze di transizione.
Le staffe stampate in 3D fissano con precisione gli elementi ad angolo retto, fornendo al contempo lo spostamento meccanico necessario lungo l'asse del telaio per il corretto allineamento della polarizzazione circolare. DB6KT ha progettato geometrie ottimizzate per due array di antenne separati, i cui parametri meccanici sono riassunti nella tabella seguente:
| Banda di frequenza | Numero di elementi | materiale per elementi passivi | Materiale emettitore | lunghezza del braccio | Peso totale dell'assemblaggio |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 m (144 MHz) | 6 elementi | Filo per saldatura di alluminio da 3,2 mm | Tubo in ottone da 4,0 mm | circa 2,0 m | meno di 600 g |
| 70 cm (430/440 MHz) | 10 elementi | Filo per saldatura di alluminio da 3,2 mm | Tubo in ottone da 4,0 mm | circa 2,0 m | meno di 500 g |
Dal punto di vista della tecnologia di stampa 3D, la scelta del filamento è fondamentale per garantire l'integrità meccanica a lungo termine dell'antenna in ambienti esterni. Il PLA convenzionale è assolutamente inadatto, poiché si degrada rapidamente sotto la luce UV e perde stabilità a temperature superiori a 50 gradi Celsius. Gli elementi strutturali esposti agli agenti atmosferici devono essere stampati in PETG o, idealmente, in ASA. Il filamento ASA offre un'eccellente stabilità ai raggi UV, un'elevata resistenza al calore e agli urti. In fase di preparazione alla stampa con un software di slicing, si consiglia di impostare lo spessore dello strato a 0,2 mm, utilizzare almeno 3 o 4 pareti periferiche e una densità di riempimento compresa tra il 35% e il 50%, con una struttura giroidale che garantisca una resistenza uniforme su tutti e tre gli assi e impedisca la formazione di crepe sotto l'effetto del vento.
Approfondimenti sull'utente e funzionamento pratico
L'impiego pratico delle antenne DB6KT nella comunità dei radioamatori ha riscosso un grande successo. Gli utenti apprezzano soprattutto l'estrema leggerezza dell'intera struttura. Il peso totale della versione da 2 metri è inferiore a 600 grammi e quello della versione da 70 centimetri è inferiore a 500 grammi, aprendo la strada alle operazioni satellitari portatili durante le attività in mobilità.
Il peso ridotto e il minimo momento d'inerzia rappresentano un enorme vantaggio anche per le installazioni fisse sui tetti degli edifici. Per il tracciamento automatico dei satelliti LEO non è necessario investire in impianti industriali massicci e costosi. rotatori azimut-elevazioneGli utenti riescono a costruire rotatori leggeri alimentati da servomotori di precisione o da motori passo-passo controllati da microcontrollore. 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.
L'accuratezza dimensionale garantita dalla produzione additiva è pienamente dimostrata durante l'intero ciclo di vita elettrico dell'antenna. Grazie al rigoroso rispetto delle lunghezze degli elementi e della loro distanza reciproca, l'antenna presenta eccellenti valori di PSV (rapporto di onda stazionaria) subito dopo l'assemblaggio. Misurati con un analizzatore di antenna vettoriale, i valori di PSV nei segmenti satellitari 145.800–146.000 MHz e 435.000–438.000 MHz si mantengono stabilmente al di sotto di 1,5:1, eliminando la necessità di complesse regolazioni meccaniche. Ciò è ulteriormente facilitato dal fatto che i radiatori in ottone consentono la saldatura diretta del cavo coassiale, eliminando l'utilizzo di pesanti morsettiere e minimizzando le induttanze parassite.
Riepilogo
La combinazione tra l'ingegneria radioamatoriale e la moderna stampa 3D apporta un elevato grado di flessibilità al mondo della tecnologia a radiofrequenza. Il progetto dell'antenna Yagi a croce stampata in 3D di DB6KT è un esempio perfetto di come rendere accessibili al grande pubblico concetti avanzati come la polarizzazione circolare a una frazione del prezzo commerciale. Il costo minimo dei materiali (fili di saldatura in alluminio e tubi in ottone) unito alle proprietà meccaniche dei filamenti ASA rende questa realizzazione un progetto ideale per il fine settimana per qualsiasi appassionato di tecnologia alla ricerca di una soluzione affidabile per operare tramite satelliti radioamatoriali.