Anteny FM o polaryzacji kołowej: Efektywna praca satelity z wykorzystaniem druku 3D

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 Z 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 .

Produkcja przemysłowych anten poprzecznych jest jednak wymagająca mechanicznie i kosztowna finansowo. W duchu otwartego współdzielenia sprzętu i licencji GNU GPL v3 Jednakże udoskonaloną koncepcję oprogramowania typu open source stworzył niemiecki radioamator DB6KT (opublikowane na platformie Thingiverse pod numerem 4323183), który łączy precyzyjną inżynierię RF z technologią druku 3D. Ten projekt pozwala na zbudowanie ultralekkiego krzyża yagi Antena na pasma 2m i 70cm z polaryzacją kołową.

Jakie są zalety polaryzacji kołowej w przypadku pracy satelitów 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 Z 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 Z 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 antena 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.

Kiedy stosuje się tę metodę w trybie cross-band? podział częstotliwość (zwykle Łącze w górę przy 144 MHz i Łącze w dół 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 tego powodu w ścieżce uwzględniane są filtry selektywne tego typu. LPF (dolnoprzepustowy) dla gałęzi nadawczej i HPF (górnoprzepustowy) dla gałęzi odbiorczej, najczęściej zintegrowany w kombinowanym miniduplekserze. Zapewnia to, że nowoczesne ADC prevodníky a digitálne signálové procesory (DSP ) w architekturze SDR TCVR działają bez przeciążenia, co pozwala na czysty odbiór nawet przy słabych sygnałach na poziomie szumów.

Szczegóły konstrukcyjne drukowane w technologii 3D zgodnie z DB6KT

Konstrukcja zaprezentowana przez radioamatorów DB6KT pod numerem referencyjnym Thingiverse #4323183 wnosi innowacyjne spojrzenie na mechaniczną konstrukcję anten kierunkowych. Tradycyjne, ciężkie, metalowe elementy montażowe zostały całkowicie zastąpione precyzyjnymi, modułowymi uchwytami z tworzywa sztucznego, wytwarzanymi metodą addytywną. Główną zaletą projektu jest minimalizacja masy całkowitej przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości na skręcanie całego systemu.

Jako centralną podporę (wysięgnik) autor zaproponował użycie zwykłej wędki wykonanej z włókna szklanego. Włókno szklane jest idealnym materiałem, ponieważ jest całkowicie nieprzewodzące i przepuszczalne dla fal radiowych, dzięki czemu nie deformuje charakterystyki promieniowania anteny i nie wprowadza do systemu pojemności pasożytniczych. W przypadku instalacji stacjonarnych autor zaktualizował projekt, stosując uchwyty dostosowane do typowych rur plastikowych o średnicy zewnętrznej 25 mm. Dobór materiałów na same elementy został zoptymalizowany pod kątem maksymalnej przewodności elektrycznej i łatwej obróbki mechanicznej w warunkach domowych:

Elementy pasywne (reflektor i poszczególne direktory) wykonane są z drutów spawalniczych ze stopu aluminium o średnicy 3,2 mm. Materiał ten charakteryzuje się niską wagą, niską ceną i doskonałą odpornością na utlenianie.

Aktywne radiatory wykonane są z mosiężnej rurki o średnicy 4,0 mm. Wybór mosiądzu jest strategiczny – w przeciwieństwie do aluminium, doskonale się lutuje, co pozwala na bezpośrednie i niezawodne podłączenie kabla koncentrycznego zasilającego lub linii fazowej bez rezystancji przejściowych.

Drukowane w technologii 3D wsporniki precyzyjnie mocują elementy pod kątem prostym, zapewniając jednocześnie niezbędne przesunięcie mechaniczne wzdłuż osi ramy, co pozwala na prawidłowe fazowanie polaryzacji kołowej. DB6KT zaprojektował zoptymalizowane geometrie dla dwóch oddzielnych szyków antenowych, których parametry mechaniczne podsumowano w poniższej tabeli:

Z perspektywy technologii druku 3D, wybór filamentu ma kluczowe znaczenie dla długoterminowej integralności mechanicznej anteny w warunkach zewnętrznych. Konwencjonalny PLA jest absolutnie nieodpowiedni, ponieważ szybko ulega degradacji pod wpływem promieniowania UV i traci stabilność w temperaturach powyżej 50 stopni Celsjusza. Elementy konstrukcyjne narażone na działanie warunków atmosferycznych należy drukować z PETG lub, najlepiej, z ASA. Filament ASA oferuje doskonałą stabilność UV, wysoką odporność na ciepło i udarność. Przygotowując druk do druku w slicerze, zaleca się grubość warstwy 0,2 mm, zastosowanie co najmniej 3-4 ścianek obwodowych i gęstość wypełnienia w zakresie 35-50% z przestrzennym wzorem gyroidalnym, który charakteryzuje się równomierną wytrzymałością we wszystkich trzech osiach i zapobiega pękaniu elementów pod wpływem naprężeń wiatru.

Spostrzeżenia użytkowników i praktyczna obsługa

Praktyczne wdrożenie anten DB6KT w środowisku radioamatorów przyniosło wiele pozytywnych opinii. Użytkownicy najbardziej doceniają wyjątkową lekkość całej konstrukcji. Całkowita waga wersji 2-metrowej wynosi poniżej 600 gramów, a wersji 70-centymetrowej poniżej 500 gramów, co otwiera drzwi do mobilnej obsługi satelitów podczas aktywności mobilnych.

Niska waga i minimalny moment bezwładności to ogromna zaleta nawet w przypadku stałych instalacji na dachach budynków. Do automatycznego śledzenia satelitów LEO nie jest konieczne inwestowanie w masywne i kosztowne systemy przemysłowe. rotatory azymutalno-elewacyjneUżytkownicy z powodzeniem budują lekkie rotatory napędzane serwomechanizmami klasy modelowej lub silnikami krokowymi sterowanymi mikrokontrolerem Arduino Nano Podejście to jest niezwykle popularne w ogólnoświatowej sieci otwartych stacji naziemnych. SatNOGS , w którym anteny DB6KT służą do automatycznej telemetrii i zbierania danych z naukowych i amatorskich satelitów radiowych typu CubeSat.

Dokładność wymiarowa, jaką zapewnia produkcja addytywna, jest w pełni widoczna przez cały okres eksploatacji anteny. Dzięki ścisłemu przestrzeganiu długości elementów i ich wzajemnego odstępu, antena charakteryzuje się doskonałymi wartościami PSV (współczynnika fali stojącej) bezpośrednio po montażu. Pomiary za pomocą wektorowego analizatora antenowego wykazały, że wartości PSV w segmentach satelitarnych 145,800–146,000 MHz i 435,000–438,000 MHz są stabilne i poniżej 1,5: 1, co eliminuje konieczność skomplikowanego strojenia mechanicznego. Sprzyja temu również fakt, że mosiężne radiatory umożliwiają bezpośrednie lutowanie kabla koncentrycznego, co eliminuje konieczność stosowania dużych bloków zaciskowych i minimalizuje indukcyjności pasożytnicze.

Streszczenie

Połączenie amatorskiej inżynierii radiowej z nowoczesnym drukiem 3D zapewnia wysoki stopień elastyczności w świecie technologii radiowej. Projekt anteny yagi drukowanej w technologii 3D przez DB6KT jest doskonałym przykładem tego, jak udostępnić zaawansowane koncepcje, takie jak polaryzacja kołowa, szerszemu gronu odbiorców, za ułamek ceny komercyjnej. Minimalny koszt finansowy materiałów (aluminiowych drutów spawalniczych i mosiężnych rurek) w połączeniu z właściwościami mechanicznymi włókien ASA sprawiają, że konstrukcja ta jest idealnym projektem weekendowym dla każdego entuzjasty techniki poszukującego niezawodnego rozwiązania do pracy z amatorskimi satelitami radiowymi.