Obecny boom na amatorskie satelity radiowe działające na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) stwarza operatorom nowe możliwości, ale także wyzwania techniczne. Niezależnie od tego, czy chodzi o klasyczne przemienniki FM na satelitach SO-50 i AO-91, łącza na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ISS, czy zaawansowane operacje cyfrowe, sukces nawiązania stabilnego QSO zależy przede wszystkim od systemu antenowego. Podczas pracy z przemiennikami orbitalnymi z konwencjonalnymi antenami o polaryzacji liniowej, operatorzy w swoich Shackach stale napotykają na głęboki wyciek sygnału – zjawisko znane jako QSB. To niekorzystne zjawisko, nasilone przez rotację Faradaya w jonosferze i ciągłe zmiany położenia obracającego się satelity, jest skutecznie rozwiązywane przez polaryzację kołową.
Produkcja przemysłowych anten poprzecznych jest jednak wymagająca mechanicznie i kosztowna finansowo. W duchu otwartego współdzielenia sprzętu i licencji GNU GPL v3 však vznikol prepracovaný open-source koncept od nemeckého rádioamatéra DB6KT (publikovaný na platforme Thingiverse pod numerem 4323183), który łączy precyzyjną inżynierię RF z technologią druku 3D. Ten projekt pozwala na zbudowanie ultralekkiego krzyża yagi anténu pre pásma 2m a 70cm s kruhovou polarizáciou.
W artykule przeczytasz
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.
Satelity krążące na niskich orbitach nieustannie zmieniają swoją orientację przestrzenną względem QTH odbieranego przez operatora. Gdy liniowo spolaryzowany sygnał z anteny satelitarnej przechodzi przez warstwy jonosferyczne, ulega skręceniu. Jeśli stacja naziemna korzysta ze stałej anteny pionowej lub poziomej, w momentach niedopasowania polaryzacji występuje strata sygnału, która w maksymalnym zakresie sięga 20 dB. Rezultatem jest gwałtowny spadek stosunku sygnału do szumu (SNR), ciągłe wahania w układach automatycznej regulacji wzmocnienia (AGC), przecieki do poziomu szumów, a w najgorszym przypadku całkowita utrata czytelności sesji i wymuszone przejście w stan QRT.
Polaryzacja kołowa – prawoskrętna (RHCP) lub lewoskrętna (LHCP) – całkowicie eliminuje ten problem. Pole elektromagnetyczne obraca się o 360 stopni w każdym okresie fali, umożliwiając antenie odbiór sygnału liniowego w dowolnym położeniu ze stałym tłumieniem wynoszącym zaledwie 3 dB. Jeśli obie strony linii mają tę samą polaryzację kołową, strata polaryzacji spada do zera. Do realizacji tej zasady stosuje się anteny kierunkowe, w których dwa zestawy elementów są mechanicznie obracane o 90 stopni na wspólnej nośnej (wysięgniku) i zasilane elektrycznie z przesunięciem fazowym o 90 stopni za pomocą przesuwającej fazę linii koncentrycznej lub transformatora dopasowującego.
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 (górnoprzepustowy) dla gałęzi odbiorczej, najczęściej zintegrowany w kombinowanym miniduplekserze. Zapewnia to, że nowoczesne ADC prevodníky a digitálne signálové procesory (DSP) v architektúre 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:
| Pasmo częstotliwości | Liczba elementów | Materiał elementu pasywnego | Materiał emitera | Długość wysięgnika | Całkowita waga zestawu |
|---|---|---|---|---|---|
| 2m (144MHz) | 6 elementów | Drut spawalniczy aluminiowy 3,2 mm | Rurka mosiężna 4,0 mm | ok. 2,0 m | mniej niż 600 g |
| 70 cm (430/440 MHz) | 10 elementów | Drut spawalniczy aluminiowy 3,2 mm | Rurka mosiężna 4,0 mm | ok. 2,0 m | mniej niż 500 g |
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. 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.
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.