DL6YCL via QO100

Mein Weg zu Quatar-OSCAR 100

Nach vielen Jahren Abstinenz habe ich via QO100 wieder zum Amateurfunk zurück gefunden. Nach ersten Empfangs-Versuchen mit dem BATC-Web-SDR im Sommer 2019 habe ich mit einfachen Mitteln meine erste Empfangsanlage für QO100 konfiguriert (siehe Bild 1 und Bild 2).

Diese netzunabhängige mobile Empfangsanlage bestand aus dem 60-cm-Offsetparabol-Reflektor mit LNB (siehe Bild 1), DVBT-Stick mit OTG-Kabel, TV-Weiche mit DC-Pfad, 9-V-Batterieblock, Mobil-Phone mit RTL-SDR-Treiber und RF-Analyser Dekodier- und Darstellungssoftware (siehe Bild 2).

Diese einfache und mobile Empfangs-Konfiguration kann hilfreich für die Ausrichtung eines fest montierten Parabolreflektors auf QO100 eingesetzt werden.

Bild 1: Empfangsantenne für QO100 (rotes LNB) und ASTRA (gelbes LNB)

Bild 2: Erste mobile netzunabhängige Empfangsanlage für QO100 mit einem Mobilphone

Sendeversuche über QO100

Aus den Stationsbeschreibungen der mitgehörten QSO via QO100 konnte ich entnehmen, dass viele OM bereits mit einem 60-cm-Offset-Parabolreflektor und ca. 2 Watt Sendeleistung aus einer chinesischen WiFi-PA ein akzeptables Signal auf dem Satelliten-Transponder erzeugten. Sehr viele Stationen, die ein sauberes Audiosignal erzeugten, waren mit einem SDR und der Software-Console von Simon Brown, G4ELI ausgestattet.

Also wurden damals für ca. 220 Euro ein ADALM Pluto, ein 20-dB-Vorverstärker CN0417 und eine chinesische WiFi-PA beschafft. Der 60-cm-Parabolreflektor und das Stativ waren bereits vorhanden, denn sie gehören zur TV-Anlage des Wohnmobils. Das gute und komplexe Programm Software Console wurde auf dem PC installiert und vorab die Bedienung geübt.

Viele hilfreiche Informationen zu den erforderlichen Modifikationen des ADALM Pluto (TCXO-Austausch) und der WiFi-PA (SMA-Buchsentausch und Lötpunkt für den Dauerbetrieb) sind im AMSAT Forum und im Internet zu finden. Bei meinem ADALM Pluto wurde der 25-ppm-TCXO gegen einen 0.5-ppm-TCXO getauscht. Nach ersten sporadischen Ausfällen sorgte die zusätzliche Masseverbindung nach Sandor, DM4DS für einen stabilen Betrieb. Diese Information bekam ich freundlicherweise von Matthias, DD1US zugeschickt.

Der ADALM Pluto wurde mit dem CN0417 und der WiFi-PA zusammengeschaltet und mit Tireps direkt hinter der jeweiligen Sendeantenne am Stativ befestigt. Der ADALM Pluto wurde über ein 10-m-LAN-Kabel vom LapTop angesteuert.

Nun konnten im Freien bei mäßigem Wind und trockenem Wetter die Sendeversuche via QO100 beginnen. Als Empfangsanlage diente zunächst der Web-SDR vom BATC.

1. Sendeversuch via QO100

Der erste Sendeversuch via QO100 erfolgte mit einer suboptimalen RHCP-Eigenbau-Helixantenne aus früheren Jahren (siehe Bild 3). Die Elevation der Helixantenne wurde auf ca. 26° Elevation eingestellt. Als Ausrichtungshilfe im Azimut diente ein markantes Objekt in der näheren Umgebung. Dieser Sendeversuch war nach meiner Einschätzung zunächst ein Misserfolg, weil ich nur die Frequenz abgehört habe, auf der ich mein Sendesignal erwartete. Meine Erwartungen an die Frequenztreue des ADALM Pluto waren einfach zu hoch gesteckt.

Bild 3: Erster Sendeversuch via QO100 mit der Eigenbau-Helixantenne

2. Sendeversuch via QO100

Der zweite Sendeversuch, der ebenfalls mit der suboptimalen Eigenbau-Helixantenne erfolgte, war erfolgreich. Neben der eingestellten Empfangsfrequenz war auf dem Wasserfall des Web-SDR immer dann ein Signal zu sehen, wenn ich sendete. Das Signal war nicht sehr laut (ca. R5,S3) und ca. 3 kHz neben der eingestellten Frequenz. Es wurde ein Testton gesendet, der mit einem Audio-Analyser auf dem Mobilphone gemessen wurde. Der 40-MHz-Oszillator des ADALM Pluto wurde dann solange abgeglichen, bis das Testsignal in der richtigen Tonlage auf der eigestellten Frequenz des Web-SDR zu hören war. Zwischenzeitlich hatte mir Gerd, DG5BCR seine 24-dBi-Gridantenne angeboten. Nun konnte der QSO-Betrieb bei schönem Wetter beginnen.

QSO-Betrieb via QO100

Der QSO-Betrieb begann mit der linear polarisierten Grid-Antenne (siehe Bild 4) von Gerd, DG5BCR.

Bild 4: QSO-Sendebetrieb mit der Grid-Antenne von DG5BCR

Es erfolgten noch einige „Ausseneinsätze“ mit der Grid-Antenne, die sehr zufriedenstellend arbeitete. Inzwischen war die erste Poty-Antenne zusammengelötet und einsatzbereit. An die Poty-Antenne wurde ein Diavolo TV-LNB von MEGASAT angeflanscht. Nun konnte der QSO-Betrieb mit der geplanten Stationskonfiguration – aber immer noch auf dem Stativ – im Freien beginnen (siehe Bild 5). Das erste QSO via QO100 hatte ich am 04.04.2020 mit Sergey, R5AU. Bis zur Inbetriebnahme der stationären Stationskonfiguration, die am 19.06.2020 erfolgte, wurden 18 „Freiluft-QSO“ geführt.

Bild 5: Stationskonfiguration mit der Poty-Antenne

Das erste QSO mit der Indoor-Konfiguration (siehe Bild 6), die immer noch auf ein Metallgehäuse wartet und einer Poty-Antenne vor einem 95-cm-Offset-Parabolreflektor, führte ich mit Harrie, PE1JXI. Als zweiter OM meldete sich Matthias, DD1US. Dieses QSO wurde leider aprupt durch den ADALM Pluto beendet. Diese sporadischen Aussetzer des Pluto sind inzwischen auch nicht mehr vorhanden. Die Station erzeugt mit ca. 1,8 Watt Sendeleistung an der Poty-Antenne ein lautes Signal auf dem QO100-Transponder.

Bild 6: Erste Indoor-Konfiguration von DL6YCL

Wider Erwarten wird der QO100-Transponder nicht sehr stark frequentiert und „Relaisstörer“ gibt es auch schon.

Vorstellung des QO100-Eigenbau-Transceivers

Die von mir gewählte TRX-Konfiguration ist eine von vielen möglichen Stationskonfigurationen für den Funkbetrieb auf dem Schmalband-Transponder des QO100. Aus Platz- und Gewichtsgründen habe ich mich für eine rein digitale Lösung mit dem ADALM Pluto entschieden. Diese ist sowohl für den portablen Betrieb als auch für den stationären Betrieb geeignet. Die DC-Versorgung kann über einen Akku oder über einen AC/DC-Converter erfolgen.

Die Indoor-Konfiguration aus Bild 6 wurde dazu in einem spritzwassergeschützten Metallgehäuse untergebracht. Damit ein akzeptables Signal für den portablen Betrieb erzeugt werden kann – hier wird sendeseitig eine Antenne mit geringerem Antennengewinn eingesetzt – wurde die chinesische WiFi-PA gegen eine leistungsstärkere SG-Lab PA Version 3 augetauscht.

Bild 7: Aussenansicht des QO100-Eigenbau-Transceivers

Im stationären Betrieb wird die SG-Lab-PA aktuell mit ca. 4 bis 5 Watt an 24 VDC betrieben. Dabei wird diese nicht einmal handwarm, aber sicherhaltshalber wurden zwei kleine Lüfter ins Gehäuse eingebaut. Im Bild 7 sind die folgenden Elemente zu erkennen:

   1 – Sicherungshalter

   2 – Anschlussklemmen für die 13,5 VDC-Versorgung

   3 – RX-Eingang vom LNB und DC-Ausgang zum LNB der POTY-Antenne

   4 – LAN-Kabel für den abgesetzten Betrieb

   5 – TX-Ausgang zum 2,4 GHz-Patch der POTY-Antenne

Das Schaltkastengehäuse ist ca. 80 mm hoch und mit den Abmessungen etwas kleiner als ein DIN-A4-Blatt.

Die Konfiguration des QO100-Eigenbau-Transceivers

Im Bild 8 wird das „Innenleben“ des QO100-Eigenbau-Transceivers gezeigt. Es wurden die folgenden Komponenten in das Metallgehäuse integriert:

   1 – SDR ADALM Pluto von Analog Devices

   2 – 3-dB-Dämpfungsglied

   3 – 20-dB-Vorverstärker CN 0417

   4 – SG-Lab PA Version 3 (20 Watt@28 VDC)

   5 – SAT-Abzweiger SAB 1-16 mit DC-Pfad

   6 – LAN-Adapter mit OTG-Kabel

   7 – Brückengleichrichter (optional)

   8 – DC/DC-Down-Converter 12 VDC / 5VDC

   9 – DC/DC-Up-Converter 12 VDC / 28 VDC

Bild 8: Innenansicht des QO100-Eigenbau-Transceivers

Die Zentraleinheit des QO100-TRX bildet der SDR ADALM Pluto (1). Hier kann auch jeder andere geeignete SDR eingesetzt werden.  Der ADALM Pluto ist über ein LAN-Kabel an den Router angeschlossen. Dazu muss ein LAN-Adapter (6) via OTG-Kabel an den ADALM Pluto angeschlossen werden. Das Gehäuse des ADALM Pluto wurde nur mit Klettband befestigt. So kann man diesen jederzeit schnell ausbauen, falls er mal temporär für andere Aufgaben verwendet werden soll. Als SDR-Software wird die bewährte und von vielen OM genutzte SDR Software-Console von Simon Brown, G4ELI eingesetzt.

Beschreibung des Sendezweigs

Der ADALM Pluto (1) sendet direkt auf 2,4 GHz im QO100-Uplink. Mein Exemplar hat eine Ausgangsleistung von 2 dBm, die einer Leistung von 1,6 mW entsprechen und mit dem 20-dB-Vorverstärker CN 0417 (3) auf 160 mW verstärkt werden. Diese Leistung wird durch ein 3-dB-Dämpfungsglied (2), das sich direkt am Ausgang des ADALM Pluto befindet, auf 80 mW reduziert, da die SG-Lab-PA V3 mit maximal 100 mW angessteuert werden soll und bereits mit 40 mW (16 dBm) die volle Ausgangsleisung von 20 Watt (43 dBm) bringt. Die PA wird via HF-Vox angesteuert.

Als Treiberstufe kann auch jeder andere geeignete 2,4-GHz-Vorverstärker – eine Verstärkung von 13 dB würde in meinem Fall bereits genügen – eingesetzt werden, wenn dieser die benötigte Steuerleistung für die verwendete PA erzeugen kann. Der CN 0417 hat aber den charmanten Vorteil, dass dieser über ein integriertes Filter zur Oberwellenunterdrückung verfügt. Der Ausgang des CN 0417 ist über ein kurzes Semiridgidkabel direkt mit dem Eingang der SG-Lab PA (4) verbunden. Der Ausgang der PA war direkt mit der TX-Ausgangsbuchse verbunden. Hier wurde nachträglich zum Schutz der Endstufe ein Isolator eingefügt, der noch in das TRX-Gehäuse integriert werden muss. An diesen wird über ein 2 m langes HighFlex7-Kabel der 2,4 GHz-Patch der POTY-Antenne angeschlossen. Die erzeugte Strahlungsleistung ergibt sich aus der Sendeleistung am POTY-Patch multipliziert mit dem Antennengewinn der Sendeantenne. Anstelle der POTY-Antenne (siehe Bild 12) kann auch jedes andere geeignete Erregersystem, wie z.B. Helixantennen oder Dosenstrahler, verwendet werden. Allerdings muss man bei einem linearen Erregersystem beachten, dass 3 dB der Strahlungsleistung gegenüber der zirkularen Anregung fehlen.

Beschreibung des Empfangszweigs

Mit einem Standard-SAT-LNB – hier ein Diavolo von MEGASAT, das gleichermaßen als Down-Converter funktioniert – werden die Signale vom QO100 auf ca. 10,5 GHz empfangen und auf ca. 739,5 MHz umgesetzt. Hierzu wird der LNB über ein übliches 75-Ohm-SAT-Kabel – hier ca. 2 m lang – an den RX-Eingang des QO100-Eigenbau-Transceivers angeschlossen.

Der RX-Eingang ist der Eingang des SAT-Abzweigers SAB 1-16 (5). Das Empfangssignal wird mit 16 dB Dämpfung ausgekoppelt und an den RX-Eingang des ADALM Pluto weitergeleitet. Über den DC-Pfad des SAT-Abzweigers werden 12 VDC zur Versorgung des LNB eingespeist. Es kann auch ein SAB 1-20 mit 20 dB Dämpfung oder eine übliche DC-Einspeiseweiche (Bias-T) ohne Dämpfung verwendet werden. Die Dämpfung soll den hohen Ausgangspegel des LNB begrenzen, damit der ADALM Pluto nicht übersteuert wird. Aber es funktioniert auch ohne Dämpfung.

Beschreibung der Stromversorgung

Der QO100-Eigenbau-Transceiver wurde für den Gleich- und Wechselspannungsbetrieb konzipiert. Über einen externen AC/DC-oder AC/AC-Converter kann er auch an 230 VAC betrieben werden. Die Versorgungsspannung von ca. 13,5 VDC/VAC gelangt direkt von den Anschlussklemmen über einen Brückengleichrichter (7) an die DC/DC-Converter (8 und 9). Der Brückengleichrichter dient zugleich als Verpolungsschutz. Dies hat aber den Nachteil, dass ca. 1,4 Volt der extern zugeführten Versorgungsspannung am Brückengleichter verloren gehen.

Der DC/DC-Down-Converter (8) erzeugt die 5-VDC-Versorgungsspannung für den SDR ADALM Pluto (1) und den Vorverstärker CN417 (3).

Der DC/DC-Up-Converter erzeugt die 24/28-VDC-Versorgungsspannung für die SG-Lab PA Version 3 (4).

Die Versorgungsspannungen 5 VDC, 12 VDC und 24/28 VDC wurden jeweils mit entsprechenden TVS-Dioden versehen, um die Elektronikkomponenten gegen unerwünschte Transienten zu schützen.

Bild 9: Blockdiagramm des QO100-Transceivers inklusive Antennen und PC

Meine Stationskonfiguration für den portablen Betrieb via QO100

Im November 2020 habe ich die Stationskonfiguration für den portablen Betrieb via QO100 getestet. Die zentrale Sende-und Empfangseinrichtung ist der zuvor beschriebene DL6YCL QO100-Transceiver mit einer 20-Watt-PA.

Empfangszweig:

Empfangsseitig benutze ich einen 60-cm-Offset-Parabolreflektor, der simultan für den TV-Empfang via ASTRA-Satellit benutzt werden kann (siehe hierzu auch Bild 1). Der LNB für QO100 (26° Ost) befindet sich im Zentrum des Parabolreflektors und der ASTRA-LNB (19,2° Ost) entsprechend daneben. Der ASTRA-LNB verfügt über eine optische Ausrichtungshilfe via LED mit der der Parabolreflektor auf den ASTRA-Satelliten ausgerichtet werden kann. Bei bestmöglicher ASTRA-Ausrichtung ist der QO100-LNB automatisch auf den QO100-Satelliten ausgerichtet. Nun muss nur noch der QO100-LNB mit dem QO100-Transceiver verbunden werden, der hinter dem 60-cm-Parabolreflektor befestigt wird, und die Portabelstation ist empfangsbereit (siehe Bild 10).

Bild 10: DL6YCL-QO100-Tansceiver im Portabelbetrieb

Sendezweig:

Sendeseitig benutze ich einen 35-cm-Offset-Parabolreflektor (siehe Bild 10 und 11), der mit einer POTY-Antenne – hier kann auch jeder andere geeignete Erreger für 2400 MHz verwendet werden – ohne LNB ausgestattet ist. Der 35-cm-Sendereflektor wird oberhalb des 60-cm-Parabolreflektors auf dem Stativ befestigt und parallel zu diesem ausgerichtet. Nun muss nur noch die POTY-Antenne mit dem TX-Ausgang des QO100-Transceivers verbunden werden und die Portabelstation ist sendebereit.

Das Stativ mit den beiden Parabolreflektoren der Portabelstation zeigt Bild 11. Die Stromversorgung 230 VAC (mit AC/DC-Downconverter) oder 12 VDC direkt anschliessen, Labtop via LAN-Kabel mit dem LAN-Eingang des QO100-Transceivers verbinden und schon kann nach dem Start der SDR-Console-Software der QSO-Betrieb via QO100 an jedem beliebigen Ort beginnen, der eine freie Radiosicht zum Satelliten hat.

Bild 11: Stativ mit der Konfiguration für den Portabelbetrieb via QO100

Hinweis: Diese Stationskonfiguration ist eine von vielen möglichen Varianten. Man kann z. B. auch auf den simultanen TV-Empfang via ASTRA-Satellit verzichten. In diesem Fall wird der 60-cm-Parabolreflektor mit einer POTY-Antenne inklusive LNB (siehe hierzu auch Bild 5) ausgestattet und der 35-cm-Parabolreflektor bzw. die separate Sendeantenne kann entfallen. Mit einem 60-cm-Parabolreflektor kann man alle Stationen hören, die z. B. auch auf dem Web-SDR des BATC – ausgestattet mit 1,2-m-Parabolreflektor – zu hören sind.

Kurzer Erfahrungsbericht zur Inbetriebnahme

Die überschlägige Kalkulation der Leistungsbilanz – ca. 10 dB weniger Antennengewinn (35-cm- statt 95-cm-Parabolreflektor) auf der Sendeseite wird durch ca. 10 dB höhere Sendeleistung (Austausch der China-PA mit ca. 2 Watt gegen die SG-Lab-PA mit 20 Watt) kompensiert, hat sich bestätigt.

Ohne die Überprüfung der exakten Ausrichtung der Sendeantenne konnte mit ca. 15 Watt an der POTY-Antenne am QO100-Transponder ein Signal erzeugt werden, dass ca. 2 dB stärker als die CW-Baken war.

Empfangsseitig wurde zuerst ein Rocket-LNB von Venton verwendet. Zunächst war nichts vom QO100-Transponder zu hören. Daraufhin wurde die ZF in der SDR-Console in 100-kHz-Schritten angepasst, bis irgendwann die untere CW-Bake auf einer „krummen“ Frequenz empfangen wurde. Anhand dieser Frequenz wurde die erforderliche ZF für das Rocket-LNB ermittelt und in die SDR-Console eingegeben. Diese ZF war im Vergleich zum Diavolo-LNB ca. 500 kHz tiefer.

Nun sollte das Rocket-LNB via SDR-Console mit der PSK-Bake synchronisiert werden, aber es ließ sich leider nicht disziplinieren. Es „eierte“ weiterhin frequenzmäßig durch die „Gegend“, worauf die CW-Baken mit einem fürchterlichen Gejaule reagierten. Das Rocket-LNB wurde daraufhin umgehend einer umweltgerechten Entsorgung zugeführt. Mit einem Diavolo-LNB von MEGASAT funktioniert die Synchronisierung via PSK-Bake und somit der Empfang des QO100-Transponders einwandfrei.

Meine Eigenbau POTY-Antenne

Im OV I13 Varel wurden von mehreren OM POTY-Antennen aus 1-mm-Messingblech gefertigt. Die Abmessungen wurden dem Internet entnommen. Am Speisepunkt wurden SMA-Flanschbuchsen verwendet. Alle Selbstbau-POTY-Antennen zeigten annähernd das gleiche Verhalten:

Etwas zu hoch in der Arbeitsfrequenz, kapazitives und leicht hochohmiges Verhalten. Dies konnte durch leichtes Vergrößern des Patches und durch eine Veränderung des Speisepunktes abgestellt werden. Die aktuell verwendete POTY-Antenne bei DL6YCL ist im Bild 12 zu sehen. Von dem MEGASAT-LNB wurde lediglich die Plastikkappe entfernt, eine passende Muffe für das 22-mm-Kupferohr der POTY-Anntenne in das LNB eingesetzt und mit einer Heißklebepistole vergossen. Zur mechanischen Befestigung wurde vorher eine Mutter an die Muffe gelötet. Als provisorischer, aber sehr effektiver Wetterschutz wurde einige Zeit ein 3-Liter-Gefrierbeutel benutzt, der mittlerweile durch ein geeignetes „HF-durchlässiges“ Gehäuse ersetzt wurde.

Hinweis: Die Eignung von Kunststoffabdeckungen für 2.4 GHz kann man sehr gut mit einer Mikrowelle feststellen. Erwärmt sich ein Material, so ist es nicht bzw. weniger gut als Abdeckung geeignet. Auf 10.5 GHz muss man die Veränderung des Empfangspegels der CW-Bake beobachten, denn ein Material, dass auf 2.4 GHz geeignet ist, muss nicht zwangsläufig auch für 10.5 GHz geeignet sein.

Bei dickeren HF-Kabeln oder bei Verwendung einer N-Flanschbuchse ist es sinnvoll, für den Reflektor 2 mm dickes Messingblech zu verwenden.

Der Impedanzverlauf und die s11 Rückflußdämpfung/SWR der aktuellen POTY-Antenne sind im Bild 13: POTY-Antenne_new zu sehen.

Bild 12: Poty-Antenne_new mit Megasat Diavolo LNB und Teflonlinse

Hilfreiche Informationen zum Abgleich von Eigenbau-Poty-Antennen

Mittlerweile habe ich mehrere Poty-Antennen zusammengelötet und anfänglich zeigten nicht alle aus unterschiedlichen Gründen das gewünschte Ergebnis. Bei der Mechanik haben mich Dieter, DK2AM, Thomas, DL5BCA und mein Namensvetter Günter M. hilfreich unterstützt. Für den optimalen Abgleich von Poty-Antennen – eine rechteckige zirkular polarisierte Patch-Antenne – benötigt man in fast allen Fällen unbedingt einen VNA. Die ersten Poty-Antennen habe ich mit der Unterstützung von Udo, DO6UJ und Gerd, DG5BCR abgeglichen. An dieser Stelle möchte ich mich noch einmal bei allen OM für ihren „HAM-Spirit“ recht herzlich bedanken. Da ich inzwischen über einen Nano VNA V2 verfüge, der bis 3 GHz messen kann, habe ich meine Poty-Antennen noch einmal optimiert. Den Vorabgleich habe ich seinerzeit mit einem ADALM PLUTO, einen passenden Richtkoppler und dem hervorragenden Programm SATSAGEN von Alberto, IU1KVL durchgeführt.

Was vielen OM noch nicht bekannt ist bzw. bisher nicht bekannt war: Die Poty-Antenne ist ein Sonderfall unter den Amateurfunk-Antennen. Es handelt sich um eine rechteckige zirkular polarisierte Patch-Antenne, die simultan in zwei Moden angeregt wird. Die Bilder 13 „Poty-Antenne_old“ und Bild 14 „Poty-Antenne_new“ zeigen deutlich, dass ein optimaler Abgleich nach üblichen Amateurmethoden – mit einem SWR-Meter auf bestes VSWR abgleichen – nicht immer angebracht ist bzw. in vielen Fällen nicht zum gewünschten Ergebnis führt, wenn tiefergehende Informationen über das Verhalten dieser Patch-Antenne nicht bekannt sind.

Der Impedanzverlauf von rechteckigen Patch-Antennen, die im TM01- und TM10-Mode angeregt werden, hat meistens eine „Impedanzschlaufe“ (siehe Smith-Diagramm, links in Bild 13 und Bild 14) oder mindestens einen starken Einzug im Bereich der Arbeitsfrequenz. Deren Grösse und Lage wird durch die Patch-Geometrie und durch die Lage des Speisepunktes bestimmt. Die Polarisationsentkopplung verhält sich umgekehrt proportional zur „Schlaufengröße“.

Hinweise zum Abgleichvorgang anhand des S11-Verlaufs:

Man kann immer wieder lesen und auf QO100 hören, dass die OM,s die Arbeitsfrequenz (Erläuterung siehe weiter unten) der Poty-Antenne unbedingt zwischen den beiden „Dips“, d. h. auf das Minimum (Mitte) des W-förmigen S11-Verlauf abgleichen wollen. Das ist zwar noch nicht das Ende der Fahnenstange, aber schon ein gutes Ergebnis, wenn der S11-Wert in diesem Fall >= 16 dB (Rücklauf <=2,5%) beträgt. Aber bei einem symmetrischen W-förmigen S11-Verlauf ist die Eingangsimpedanz der Poty-Antenne entweder noch niederohmig (Realteil <50 Ohm) oder hat noch einen induktiven Blindanteil, d. h. da geht noch was.

Das angestrebte Ziel sollte aber sein, den Anstieg in der Mitte zwischen den beiden Minima möglichst flach zu halten (maximal erreichbarer S11-Wert) oder ganz zu beseitigen. Hierbei kann es – je nach der Lage der „Impedanzschlaufe“ im Smith-Diagramm – schon vorkommen, dass die Arbeitsfrequenz nicht mehr exakt in der Mitte zwischen den beiden „Dips“ liegt. Bei optimaler Anpassung und Abstimmung erhält man einen symmetrischen V-förmigen S11-Verlauf, der im Zentrum nicht spitz, sondern abgeflacht bzw. rund ist und deshalb eher einem „U-Verlauf“ gleichkommt. Ein Beispiel für einen nahezu perfekten Abgleich einer Poty-Antenne zeigen die Messkurven von Matthias, DD1US (siehe hierzu bei https://amsat-dl.org/wie-wird-die-antarktis-auf-qo-100-qrv/ unter POTY nach).

Der Abgleichvorgang einer Poty-Antenne erfolgt durch wechselseitiges leichtes anheben oder niederdrücken der Patch-Ecken. Man benötigt ein wenig Geduld, bis man erkennen kann, welches Verbiegen welche Veränderung zur Folge hat. Wer mit einem VNA abgleicht, sollte stets unter Beachtung der unten stehenden Hinweise darauf achten, dass sich bei der erreichbaren Anpassung im Interesse einer optimalen Polarisationsentkopplung sich eine möglichst kleine „Impedanzschlaufe“ einstellt.

Eine gravierende Veränderung der Eingangsimpedanz ist durch eine Verschiebung des Speisepunktes möglich. Ein Verschieben auf der Y-Achse beeinflusst überwiegend den Realteil der Eingangsimpedanz. Zum Zentrum hin reduziert sich der Widerstand und zum Rand hin erhöht sich der Widerstand. Ein Verschieben auf der X-Achse beeinflusst überwiegend den Imaginärteil (Blindwiderstand) der Eingangsimpedanz.

Achtung: Eine rechteckige zirkular polarisierte Patch-Antenne – in diesem Fall unsere Poty-Antenne – ist nur dann optimal abgeglichen, wenn die gewünschte Arbeitsfrequenz exakt gegenüber dem Kreuzungspunkt in der „Impedanzschlaufe“ liegt (siehe roten Punkt (Marker) im Smith-Diagramm). Nur bei dieser Frequenz ist die Polarisation exakt zirkular. Und dies ist nicht immer der Punkt der besten Anpassung (siehe grünen Punkt 0 (Marker) im S11- und VSWR-Verlauf). Die zirkulare Bandbreite einer Patch-Antenne ist geringer als die Anpassungsbandbreite. Die Zirkularpolarisation wird unterhalb und oberhalb der Arbeitsfrequenz (roter Punkt) immer elliptischer und geht im Extremfall in eine lineare Polarisation über.

Es gibt zwei Sonderfälle bei denen die „Impedanzschlaufe“ einen symmetrischen „W-oder V-förmigen“ S11-Verlauf zur Folge hat. In diesen Fällen wäre ein Abgleich anhand des S11-Verlaufs möglich. Dies gilt aber nur unter der Voraussetzung, dass sich die gewünschte Arbeitsfrequenz exakt gegenüber dem Kreuzungspunkt der „Impedanzschlaufe“ befindet.

Fall 1: Die Poty-Antenne hat auf der Arbeitsfrequenz und im Kreuzungspunkt keine Blindanteile. Dann liegt die „Impedanzschlaufe“ im Smith-Diagramm längs auf der realen Achse. Der Kreuzungspunkt ist immer rechts von der Arbeitsfrequenz. Ist die Poty-Antenne exakt angepasst oder hochohmig (=>50 Ohm, also direkt auf oder rechts vom Anpassungspunkt 1, dann hat der S11-Wert einen „V-förmigen“ Verlauf, d.h. die Poty-Antenne muss auf den höchsten S11-Wert (bestes VSWR) abgeglichen werden. Links vom Anpassungspunkt 1 wird das „V“ im Minimum breiter und geht ein „W“ über. In diesem Fall muss die Poty-Antenne auf den niedrigsten S11-Wert (schlechteres VSWR) zwischen den Dips abgestimmt werden (siehe hierzu auch Bild 13 Poty-Antenne_old).

Fall 2: Die Poty-Antenne hat auf der Arbeitsfrequenz und im Kreuzungspunkt einen konstanten Realteil von 50 Ohm, dann liegt die „Impedanzschlaufe“ im Smith-Diagramm auf der imaginären Achse, die durch den Anpassungspunkt 1 verläuft. Der Kreuzungspunkt liegt in iesem Fall immer unterhalb der Arbeitsfrequenz. Ist die Impedanz der Poty-Antenne induktiv, dann befindet sich die „Impedanzschlaufe“ oberhalb der realen Achse. Der S11-Wert hat einen „W-förmigen“ Verlauf. Hier muss, wie im Fall 1, auf den niedrigsten S11-Wert (schlechteres VSWR) abgestimmt werden. Ist die Impedanz der Poty-Antenne kapazitiv, dann befindet sich die „Impedanzschlaufe“ unterhalb der realen Achse. Der S11-Wert hat einen „V-förmigen“ Verlauf. Hier muss, wie im Fall 1, auf den höchsten S11-Wert (bestes VSWR) abgestimmt werden.

Alle anderen Orientierungen der „Impedanzschlaufe“ im Smith-Diagramm haben auch einen mehr oder weniger ausgeprägten, aber asymmetrischen „W-oder V-Förmigen“ S11-Verlauf (siehe z. B. Bild 2 Poty-Antenne_new). In diesen Fällen kann ein „blinder“ Abgleich auf den besten S11-Wert bzw. bestes VSWR fatale Folgen haben. Die Poty-Antenne strahlt dann elliptisch ab, was ca. 1 dB (-20%) bis 2 dB (-37%) Leistungseinbuße zur Folge haben kann oder im Extremfall sogar fast linear.

Das sind dann die berühmten fehlenden 3 dB (-50%), die eine Poty-Antenne angeblich schlechter ist, als ein vergleichbares anderes Antennensytem, wie z.B. eine Helix-Antenne mit 3 Windungen. Denn der Leistungsunterschied zwischen idealer linearer und zirkularer Polarisation macht exakt 3 dB aus.

Eine Helixantenne mit 3 Windungen (-10-dB-Öffnungswinkel ca. 105°) und eine Poty-Antenne (-10-dB-Öffnungswinkel ca. 110°) sind bei ordnungsgemäßer Funktion und Fokussierung vergleichbare zirkular polarisierte Erregersysteme. Offset-Parabolreflektoren mit einem mittleren f/D von ca. 0,67 haben einen -10-dB-Öffnungswinkel von ca. 82°, hier ist die Überstrahlung der Poty-Antenne etwas größer. Wenn eine Differenz anhand der Transpondersignalpegel überhaupt feststellbar ist, dann könnte die Helixantenne geringfügig besser sein. Primefokus-Parabolreflektoren haben gewöhnlich ein f/D von <0,5 -10-db-öffnungwinkel also einen> 106°. Hier wird die Poty-Antenne (ca. 110°) den Reflektor etwas besser ausleuchten, als eine 3-Wdg-Helixantenne (ca. 105°).

Im Beispiel in Bild 14 könnte man eine ca. 10 dB höhere Rückflussdämpfung (S11) abgleichen, liegt dann aber bereits ca. 11 MHz unterhalb der Arbeitsfrequenz. Diese scheinbare Verbesserung – jetzt gelangen statt ca. 99,9 % stattliche ca. 99,99% der Sendeleistung in die Poty-Antenne – würde aber zu einer Reduzierung der zirkuarpolarisierten Strahlungsleistung führen, die wesentlich höher ist und im ein- bis zweistelligen Prozentbereich liegt.

Fazit: Also die gewünschte Arbeitsfrequenz einer Poty-Antenne immer auf den „roten Punkt“ (siehe Bilder 13 und 14) in der „Impedanzschlaufe“ abgleichen!

Bild 13: POTY-Antenne_old

Bild 14: POTY-Antenne_new

Wissenswertes über Parabolreflektoren und Helixantennen

Für den Uplink zu QO100 auf 2400 MHz wird ein rechtsdrehend zirkularpolarisiertes (RHCP) Antennensystem benötigt. Wer sich den Leistungsverlust von – 3 dB erlauben kann, darf auch ein beliebiges geeignetes linear polarisiertes Antennensystem verwenden. In diesem Fall spielt die vertikale oder horizontale Polarisationsrichtung prinzipiell keine Rolle. Bei zirkular polarisierten Antennensystemen mit Parabolreflektoren muss der Erreger zirkular linksdrehend polarisiert (LHCP) sein, weil diese durch die Reflektion am Parabolreflektor auf RHCP gedreht wird.

Oft sucht man im Internet und sonstigen verfügbaren Quellen vergeblich nach den -10-dB-Öffnungswinkeln von Helixantennen und dem f/D-Verhältnis von Parabolreflektoren. Diese Informationen werden aber benötigt, um den richtigen Erreger für einen Parabolreflektor bestimmen zu können.

Parabolreflektoren im Amateurfunk

Vor der ASTRA-TV-Satellitengeneration wurden im Amateurfunk zu Sende- und Empfangzwecken fast ausschließlich Primärfokus-Parabolreflektoren verwendet. Bei diesen Parabolreflektoren wird das Erregersystem im Zentrum direkt vor dem Reflektor montiert. Diese haben dadurch den Nachteil, dass ein Teil der Reflektorapertur durch das Erregersystem und die dazugehörige Halterung blockiert wird, was eine Gewinnreduzierung zur Folge hat. Weiterhin schauen die Erregersysteme zum Erdboden. Bei zu hoher Überstrahlung am Reflektorrand erhöht sich der Rauschpegel und reduziert die Empfängerempfindlichkeit. Mit diesen Primärfokus-Parabolreflektoren erreicht man im Amateurfunk überlicherweise einen Wirkungsgrad von ca. 50%. Das f/D-Verhältnis ist meistens <= 0.50, bedeutet, dass der -10-dB-Öffnungswinkel des Erregersystems >106° sein sollte.

Der -10-dB-Öffnungswinkel ist der Winkel, bei dem sich der Gewinn/Pegel des Erregersystems zuzüglich Freiraumdämpfung am Reflektorrand um insgesamt 10 dB reduziert hat. Bei diesem Wert der Überstrahlung bleibt das Empfangsrauschen in einem akzeptablen Bereich. Die Freiraumdämpfung verhält sich umgekehrt proportional zum f/D-Verhältnis und beträgt bei 2400 MHz für meinen Offset-Parabolreflektor (0.66) ca. 1.5 dB.

Da sich bei einem Offset-Parabolreflektor aufgrund der schrägen Beleuchtung große Wegunterschiede zwischen dem unteren und dem oberen Reflektorrand ergeben, ist es in diesem Fall sinnvoller den -10-dB-Öffnungswinkel als Ausleuchtungswinkel zu bezeichnen.

Mittlerweile werden im Amateurfunk bis ca. 1.5 m Reflektordurchmesser überwiegend die preiswerten Offset-Parabolreflektoren eingesetzt. Diese haben den gravierenden Vorteil, dass sich das Erregersystem nicht direkt vor dem Reflektor befindet und somit ein höherer Wirkungsgrad von 55% oder mehr erzielt werden kann. Weiterhin schauen die Erregersysteme in den Himmel. Das Weltraumrauschen ist wesenlich geringer als das Erdrauschen. Den Offsetwinkel kann man nach der folgenden Formel hinreichend genau berechnen:

Offsetwinkel in Grad = arccos (Breite/Höhe)

Die wirksame Breite und Höhe findet man in den Herstellerangaben. Sollte dies nicht der Fall sein, so kann man den Offsetreflektor mit Wasser füllen und ausmessen. Auch bei mechanisch runden Reflektoren wird sich dann am Füllrand eine Ellipse ergeben. In den Datenblättern von vielen namhaften Offset-Parabolreflektor-Herstellern befinden sich leider keine Angaben zum f/D-Verhältnis der Reflektoren. Gefunden habe ich f/D-Werte bei OPTICUM (0.64), MAXIMUM (0.65) und GIBERTINI (0.66/0.67).

Abweichend zum Primärfokus-Parabolreflektor kann man beim Offset-Parabolreflektor den erforderlichen Ausleuchtwinkel nicht über das f/D-Verhältnis bestimmen. Bisher bin ich davon ausgegangen, dass das f/D-Verhältnis von Primärfokus Parabolreflektoren auf den Offset-Parabolreflektor übertragbar ist, wenn man dieses durch den Cosinus des Offsetwinkels dividiert. Man erhält zwar – wie erwartet – einen höheren f/D-Wert, ist aber durch die nicht berücksichtigte Offsethöhe noch vom realen Ergebnis entfernt. Wenn man z.B. einen Offset-Parabolreflektor von GIBERTINI mit einem f/D von 0.66 hätte, würde dies bei einem Offsetwinkel von 21° auf ein f/D von ca. 0.7 steigen, das einen Ausleuchtungswinkel von ca. 79° zur Folge hätte. Der Herssteller gibt aber einen Ausleuchtungswinkel von 70° an, der einem f/D von ca. 0.79 entsprechen würde.

Das Rätsel, was mit dem f/D-Verhältnis von Offset-Parabolreflektoren angegeben wird, ist immer noch ungelöst!

Da alle LNB – hier fand ich bei keinem Hersteller Angaben zum Öffnungswinkel bzw. f/D-Verhältnis – in allen Offset-Parabolreflektoren aller Hersteller funktionieren müssen, kann man bei den üblichen Offset-Parabolreflektoren und den LNB von einem äquivalenten f/D-Verhältnis von ca. 0.79 ausgehen. Diese Annahme ist für unsere Kalkulationen hinreichend genau.

Für diesen Wert ergibt sich ein Ausleuchtungswinkel von ca. 70°, d. h. der Erreger für einen TV-Offset-Parabolreflektor sollte einen Öffnungswinkel von 70° oder größer haben, wenn dieser voll ausgeleuchtet werden soll.

Wenn die Original-LNB z. B. in großen Primärfokus-Parabolreflektoren mit einem f/D-Verhältnis <=  0.5 und einem  daraus resultierenden -10-dB-Öffnungswinkel von >=106° eingesetzt werden, so ist kein weiterer Anstieg der Empfangsfeldstärke zu erwarten, da diese Parabolreflektoren von den LNB nicht vollständig ausgeleuchtet werden. Eine POTY-Antenne mit entsprechend optimiertem Konzentrator (Linse) und angeflanschtem LNB bringt in der Regel bessere Ergebnisse. Für f/D-Verhältnisse < 0.33 sollte der 22-mm-Rundhohlleiter dann ohne Konzentrator verwendet werden. Für alle f/D-Verhältnisse kann man den dazugehörigen Öffnungswinkel nach der folgenden Formel berechnen:

Öffnungswinkel = 2 x arctan (Reflektordurchmesser/2*(Brennweite-Reflektortiefe))

Gewinn von Parabolreflektoren

Die Gewinnangaben der Hersteller von TV-Offset-Parabolreflektoren beziehen sich üblicherweise auf den TV-Empfangsfrequenzbereich. Mit diesen höheren Gewinnangaben bei 10.7 bis 12.7 GHz können wir nichts anfangen, da wir im Uplink von QO100 auf 2400 MHz senden. Die Gewinnangabe für 2400 MHz benötigen wir für unsere Pegelbilanz. Anhand dieser Pegelbilanz können wir den erforderlichen Aufwand (Reflektorgröße/Sendeleistung) für einen gewünschten Transponder-Signalpegel bestimmen.

Der Gewinn von Parabolreflektoren verhält sich proportional zu ihrer Fläche und umgekehrt proportional zur Wellenlänge. Wenn man die Gewinnangabe und den Durchmesser eines Parabolreflektors kennt und diesen mit einem anderen vergleichen möchte, dann muss man nur noch die Flächen ins logarithmische Verhältnis setzen und man erhält die Gewinndifferenz in Dezibel. Man kann aber den Gewinn auch der bekannten Formel berechnen:

Gewinn in dBi = 10 x log ((Pi x Reflektordurchmesser/Wellenlänge)^2*Wirkungsgrad)

Bei ovalen TV-Offset-Reflektoren ist der kleinere Durchmesser der Breite zu verwenden. In der folgenden Tabelle werden die maximalen Gewinne in dBi auf 2400 MHz von bekannten Reflektorgrößen mit den Wirkungsgraden 50%, 55%, 60% und 70% dargestellt.

Durchmesserin cmGewinn (50%)in dBiGewinn (55%)in dBiGewinn (60%)in dBiGewinn (70%)in dBi
3515,916,316,717,3
5019,019,419,820,4
6020,621,021,322,0
7522,522,923,324,0
8023,123,523,824,5
8523,624,024,425,0
9024,124,524,925,5
10025,025,425,826,5
12026,627,027,428,0
14027,928,328,729,4

Tabelle 1: Gewinnangaben von Parabolreflektoren auf 2400 MHz

RHCP-Helixantennen für den Uplink

Eine einzelne Helixantenne mit 21 Windungen hat einen Gewinn von ca. 15.5 dBic. Dieser Gewinn ist mit dem eines 35-cm-Parabolreflektors oder einer 4er-Patchgruppe vergleichbar. Inzwischen ist bekannt, dass der kalkulierte Gewinn von Helixantennen nach der Theorie von John D. Kraus zu optimistisch ist. In der Praxis soll dieser um ca. 4 bis 5 dB niedriger sein. Deshalb sollte man die im Internet verfügbaren Helix-Kalkulatoren nicht für ernsthafte Berechnungen verwenden, denn diese zeigen alle viel zu hohe Gewinne an und ganz besonders für längere Helixantennen. Weiterhin ist inzwischen bekannt, dass der maximale Gewinn bei ca. 15 bis 16 dbic liegt und oberhalb von 7 Lambda – bei 2400 MHz entsprechend ca. 875 mm Helixlänge (>= 30 Windungen) – kein Gewinnzuwachs mehr erfolgt.

Hinweis: Helixantennen mit üblichen Reflektoren (0.75 bis 1 x Lambda) und mit Gewinnangaben >= 18 dBic können getrost der Kategorie „Wunderantennen“ zugeordnet werden und deren Einsatz/Nachbau sollte man deshalb nicht in Erwägung ziehen. Die Helixantenne in Bild 3 (26 Windungen) habe ich vor ca. 35 Jahren nach den verfügbaren Literaturangaben gebaut. Mit den aktuellen Erfahrungen/Kenntnissen würde ich dieses Projekt nicht mehr realisieren.

Simulationen auf Basis der W1GHZ-Helix (3 mm Draht, 4 mm Abstand, Steigung 12.5° etc.) ergaben auf 2400 MHz einen akzeptablen Gewinnzuwachs bis ca. 5*Lambda (ca. 22 Windungen), der dann bis 30 Windungen unbedeutend wird und oberhalb von 30 Windungen sogar negativ wird, weil die Nebenkeulen sehr stark ansteigen. Eine einzelne Helixantenne mit maximal ca. 16 dBic Gewinn für den QO100 Uplink erfordert mindestens eine Sendeleistung von 20 Watt (43 dBm) an der Antenne, wenn der eigene Transpondersignalpegel dem der CW-Bakenpegel (59 dBm) entsprechen soll. Eine Zusammenfassung der Simulationsergebnisse zeigt die folgende Tabelle 1a. Diese zeigt u. a. deutlich, dass man keine Helixantenne > 18 Windungen bzw. > 4 Lambda Länge bauen sollte, da ab dieser Windungszahl der Gewinnzuwachs schon deutlich abnimmt und die Nebenzipfeldämpfung bereits <10 dB beträgt.

Windungs-Anzahl
 
Gewinnin dBic-3-dB-Winkelin Grad-10-dB-Winkelin GradNebenzipfelin dBMech. Längein mmMech. Längein Lambda
611.74776-15.5ca. 170ca. 1.4
913.03961-13.2ca. 250ca. 2.0
1214.13352-11.9ca. 330ca. 2.6
1514.72945-10.7ca. 415ca. 3.3
1815.22541-9.8ca. 500ca. 4.0
2115.52337-9.3ca. 580ca. 4.6
2415.62135-7.7ca. 660ca. 5.3

Tabelle 1a: Gewinn von Helixantennen auf 2400 MHz

Mit anderen Designparametern (Drahtstärke, Abstand zum Reflektor, Reflektorgröße, Windungsdurchmesser, Steigungswinkel etc.) können sich leicht abweichende Gewinnwerte ergeben, die aber im Bereich < 1 dB erwartet werden.

Mehr Erfolg erzielt man durch den Einsatz von TV-Offset-Parabolreflektoren mit Helix-Erreger oder POTY-Erreger oder mit preiswerten kommerziellen WiFi-Antennen. Weit verbreitet und bei vielen OM beliebt ist eine WiFi-Gridantenne (siehe hierzu Bild 4), die einen Gewinn von 24 dBi aufzeigt. Diese ist mit einem 60-cm-Offset-Parabolreflektor (21 dBic bei 55%) vergleichbar und ist wegen ihres gitterförmigen Reflektors auch unter der Bezeichnung „Barbecue-Antenne“ bekannt.

LHCP-Helixantennen als Erreger für Offset-Parabolreflektoren

Eine interessante und umfassende Abhandlung über Helixantennen als Erreger für Parabolreflektoren gibt es u. a. im „W1GHZ Microwave Antenna Book Online“ (https://www.qsl.net/w1ghz/). Helixantennen eignen sich ideal als zirkular polarisierte Erregersysteme für Offset-Parabolreflektoren. Damit ein sauberes zirkulares Antennendiagramm entsteht, sollte der Helix aber mindestens aus 3 Windungen bestehen.

Seit vielen Jahren und ganz besonders in den letzten Monaten habe ich mich intensiv mit Helixantennen als Erregersystem für einen Offset-Parabolreflektor befasst und selbst eine Helixantenne mit 4 Windungen gebaut. Parallel dazu habe ich auf QO100 mit einigen OM viele interessante Gespräche oder fachliche Diskussionen geführt. Diese haben mich in meiner Auffassung bestärkt, dass der -10-dB-Winkel zwar ein Designkriterium für Erregersysteme ist, aber bei QO100 nicht zwingend beachtet werden muss, weil wir auf 2400 MHz nur senden. Die Ausleuchtung des Parabolreflektors sollte das Hauptkriterium sein, selbst wenn dabei das -10-dB-Kriterium unterschritten würde, was eine höhere Überstrahlung zur Folge hätte.

Die theoretisch optimale Helixantenne wird üblicherweise durch das f/D-Verhältnis des Parabolreflektor bestimmt. In der Tabelle 2 werden die -10-dB-Öffnungswinkel von Helixerregern (LHCP) von 3 bis 8 Windungen dargestellt. Der Vergleich mit der weit verbreiteten POTY-Antenne zeigt, dass diese besser für Primärfokusreflektoren (f/D<=0.5) geeignet ist.

AnzahlWdg.Gewinnin dBic-3-dB-Winkel-10-dB-WinkelÄquivalentes f/D-Verhältnisbezogen auf PFR
POTY9,360°110°0.48
39,658°104°0,51
410,554°91°~0,6
511,249°81°0,66
611,746°76°0,72
712,243°71°0,78
812,741°65°0,85

Tabelle 2: Simulierte Helix-Erreger für 2400 MHz und dazugehörige Öffnungswinkel

Bestimmung des eigenen Helixerregers

Mein GIBERTINI Offset-Parabolreflektor hat laut Hersteller ein f/D-Verhältnis von 0.66 und einen Ausleuchtungswinkel von ca. 70°. Nach der gängigen Theorie wäre hier ein 7-Wdg.-Helixerreger (-10-dB-Öffnungswinkel 71°) optimal. Für Helixerreger von 3 bis 8 Windungen wurden zunächst Simulationen durchgeführt. Diese basierten auf den Daten von W1GHZ (Drahtabstand 4 mm, Drahtstärke 3 mm und Windungabstand 12.5°). Die relevanten Daten der Simulationen werden in der Tabelle 2 gegenübergestellt. Dann erfolgte ein vereinfachter Vergleich der 2D-Antennendiagramme, die ein Äquivalent der Ausleuchtung darstellen. Hierbei wurde zur Vereinfachung eine rotationssymmetrische Ausleuchtung des Parabolreflektors unterstellt.

Bei der Auswertung wurde der -10-dB-Wert zweitrangig behandelt und nur auf die optimale Aperturbelegung innerhalb des 70°-Winkels geachtet. Dazu wurden die Antennendiagramme kartesisch dargestellt und die Helixantennen über die Flächenbelegung verglichen. Das Bild 15 zeigt die Gewinne und Öffnungswinkel der Helixantennen zwischen von 3-Wdg. bis 8-Wdg..

Bild 15: Gewinn von LHCP-Helix-Erregersystemen für Offset-Parabolreflektoren

Die Anforderungen an ein optimales Feedsystem konkurieren zum Teil gegeneinander. Deshalb sind die Vorgaben nur als Richtlinien zu betrachten.Nach der gängigen Theorie soll das Erregersystem – hier eine LHCP-Helixantenne – eines Parabolreflektors einen Gewinn von ca.14 dB aufzeigen. Hierzu würde man eine Helixantenne mit ca. 11 Windungen benötigen. Mit dieser Helix würde der Parabolreflektor aber nicht mehr komplett ausgeleuchtet werden.

Im Bild 16 kann man sehen, dass die Helix-Erreger mit 3, 4, 5 und 6 Windungen den Parabolreflektor vollständig ausleuchten, diesen aber mehr oder weniger stark überstrahlen. Ob man hier signifikante Unterschiede im Wirkungsgrad mit Amateurmitteln feststellen kann, ist fraglich. Der Helix-Erreger mit 7 Windungen ist grenzwertig, da ja noch bei allen Erregern ca. 1,5 dB Freiraumdämpfung berücksichtigt werden müssen. Aber mit 8 Windungen kann man schon eine deutliche Unterausleuchtung des Parabolreflektors erkennen, die einen Gewinnrückgang zur Folge hätte.

Theoretisch müsste man mit einem 6-Wdg.-Helix-Erreger das beste Ergebnis erzielen, aber nur unter der Prämisse, dass dieser vernünftig fokussiert werden kann. Denn mit steigender Windungszahl entfernt sich das Fokuszentrum immer weiter vom Reflektor.

Bild 16: Normierter Gewinn von LHCP-Helix-Erregern bei 70°- Ausleuchtwinkel

Hinweis: Ein suboptimaler Erreger (z. B. 3-Wdg.-Helix) kann durchaus vergleichbare oder in Extremfällen sogar bessere Ergebnisse als ein optimaler Erreger bringen, wenn dieser aufgrund der mechanischen Vorgaben nicht mehr optimal fokussiert werden kann!

Das folgende Bild 17 zeigt meinen aktuell verwendeten Parabolreflektor mit der Eigenbau-Poty-Antenne.

Bild 17: Mein 95-cm-Offset-Parabolreflektor mit geschützter Eigenbau-POTY-Antenne

Dielektrische Linsen für Rundhohlleiter

Die dielektrischen Linsen im Rundhohlleiter sollen den zu großen -10-dB-Öffnungswinkel des Rundhohlleiters von ca. 150° auf den-10-dB-Öffnungswinkel von Parabolreflektoren anpassen. Dadurch wird die Empfindlichkeit der Empfangsanlage erhöht. Weiterhin ist darauf zu achten, dass die Nebenzipfel möglichst stark unterdrückt werden, damit das Rauschen von benachbarten Satelliten die Empfangsanlage nicht beeinträchtigt. Die vielfach für QO100 verwendeten TV-Offset-Parabolreflektoren haben ein mittleres f/D von ca. 0.65, das einen Ausleuchtungswinkel von  ca. 70° erfordert.

Für die starken Signalpegel des NB-Transponders von QO100 hat die Optimierung der dielektrischen Linse keine Relevanz, da es völlig egal ist, ob man ein Signal mit z. B. 15 dB oder 16 dB über dem Rauschen empfängt. Bei kleinen Offset-Reflektoren ist jedes dB mehr hilfreich und auf dem WB-Transponder mit seinen digitalen Übertragungsarten kann jedes zusätzliche dB Rauschabstand schon über „Go“ oder „NoGo“ des digitalen Empfangs entscheiden.

Für die Dimensionierung bzw. Optimierung von dielektrischen Linsen – diese werden auch als Konzentratoren bezeichnet – wurde trotz intensiver Internet-Recherchen keine explizite Literatur gefunden. Man findet nur Informationen über dielektrische Stiel- und Rohrstrahler, die auf maximalen Gewinn optimiert werden und mechanische Längen von mehreren Lambda haben.

Diskussionen mit mehreren OM und meinem Ex-Kollegen Frank haben mich in meiner Auffassung bestärkt, dass es sich bei den dielektrischen Linsen um eine spezielle Anwendung eines dielektrischen Stielstrahlers handelt. Wir haben es somit mit einem reziproken Antennensystem zu tun und können uns via Sendesimulationen der Thematik empirisch annähern.

Designkriterien für dielektrische Linsen

Zielvorgabe: Es gilt die Form, das optimale Material und die Abmessungen für eine dielektrische Linse zu finden, die einen Parabolreflektor mit einem f/D von ca. 0.65 optimal ausleuchtet. Dies bedeutet, dass das Linsendiagramm einen Ausleuchtwinkel von ca. 70° haben muss, rotationssymmetrisch ist und eine möglichst hohe Nebenzipfel-Dämpfung aufzeigt. Der Reflektionskoeffizient S11 wird als zweitrangig betrachtet, da wir es mit einer Empfangsanlage zu tun haben und dieser fast immer >15 dB ist.

Die im folgenden Text beschriebenen Beobachtungen/Erkenntnisse wurden anhand von vielen Simulationen gewonnen. Zunächst wurde nur der Rohrstrahler einer POTY-Antenne mit entsprechenden Linsenmodellen versehen und mit einer TE11-Welle auf 10.5 GHz beaufschlagt. Anschliessend wurden mit den selektierten Linsenmodellen Simulationen an einer POTY-Antenne durchgeführt, um den Einfluß des Reflektors und des Patches auf die LInsen zu ermitteln.

Der Schwerpunkt der Untersuchungen konzentriert sich auf die Art der Anpassung und auf die zylindrische Linsengrundform. Es wurden die Materialien PTFE (Teflon mit er = 2.09) und PE (Polyethylen mit er = 2.4) berücksichtigt. Auf den Einsatz von PP und PE sollte man schon wegen der relativ geringen Temperaturbeständigkeit von ca. 100° verzichten. Polyamid, wie z. B. PA6 mit er = 3.5 ist für optimal funktionierende dielektrische Linsen weniger geeignet, da u. a. der dielektrische Verlustfaktor 50 x höher als der von PTFE ist.

Die im folgenden Text zusammengefassten Erkenntnisse beziehen sich entweder auf bekannte physikalische Zusammenhänge der Strahlenoptik oder nur auf die untersuchten Linsentypen und Materialien. Ob diese Beobachtungen eine allgemeine Gültigkeit haben bzw. irgendwelchen Gesetzmäßigkeiten folgen, kann deshalb nicht immer mit 100% Sicherheit gesagt werden.

Anpassung von dielektrischen Linsen

Wie bei jeder anderen Antenne muss die Eingangsimpedanz der dielektrischen Linse an die Hohlleiterimpedanz angepasst werden. Es gibt zwei verbreitete Arten der Impedanztransformation: Die Stufenanpassung und die kontinuierliche Anpassung. Man kann sich sehr gut vorstellen, dass die kontinuierliche Anpassung – ohne Stoßstellen und ohne zusätzliche Reflexionsflächen – zu besseren Ergebnissen führen kann.

Der Einfluss der geometrischen Ausführung der Impedanz-Anpassung auf die Kennwerte der Linse verhält sich proportional zur Permittivität (Dielektrizitätskonstante) er. Ein Vergleich der 34-mm-Zylinderlinse mit einer 3-stufigen Anpassung zwischen PTFE (er = 2.09) und PE (er = 2.4) zeigt geringfügige Unterschiede. Bei PA6 (er =3.5) ist der Einfluss so extrem, dass die dielektrische Linse vom Konzentrator zum Dämpfungsglied wird, d. h. der Rohrstrahler funktioniert ohne Linse besser (siehe hierzu Bild 17) als mit Linse. Bevor man den Hohlleiter offen lässt, kann man die ungeignete Poty-Linse aus Nylon auf ca. 19.5 mm kürzen. Der Gewinn steigt dann um ca. 3 dB und ist dann ca. 1 dB besser als der offene Hohlleiter.

Es wurde u. a. auch festgestellt, dass die Linsenform, der Linsendurchmesser und die Linsenlänge leichte S11-Wert-Veränderungen von wenigen dB zur Folge haben, die man aber als zweitrangig betrachten kann. Das Bild 18 zeigt das Verhalten einer baugleichen 34-mm-Zylinder-Linse bei der Verwendung von unterschiedlichen Materialien.

Bild 18: Materialabhängige Antennendiagramme der POTY-Zylinderantenne mit 3-stufiger Impedanz-Anpassung

Kennwerte von dielektrischen Materialien

Für die dielektrischen Linsen müssen HF-taugliche Materialien mit geringen Verlustfaktor und möglichst kleinem er verwendet werden. Der probate Mikrowellentest auf ca. 2.4 GHz für die „Uplink-Kunststoffe“ – bei Erwärmung ungeeignet – bietet hier keine 100%-tige Sicherheit, da die Linsen auf ca. 10.5 GHz arbeiten.

Am besten eignet sich PTFE (Teflon) mit einer Permittivität er = 2.09. In der folgenden Tabelle 3 werden die gebräuchlichen Materialien mit ihren Kennwerten dargestellt.

 Material    Dielektrizitäts-  konstante er Dielektrischer   Verlustfaktor Brechindex  Grenzwinkel     in Grad Verkürzungs-     faktor vk    Material- Wellenlänge@ 10.5 GHz 
  PTFE           2.1       0.0004       1.45       43.6             0.69      19.7
  PE           2.3       0.0001       1.52       41.3        0.66      18.9
  PP           2.4       0.0004       1.55       40.5        0.65      18.6
  PET           2.4       0.01       1.55       40.5        0.65      18.6
  PLA           2.7       0.0003       1.64       37.6        0.61      17.4
  ABS           2.8       0.005       1.67       36.9        0.60      17.2
  PA6           3.5       0.02       1.87       32.0        0.53      15.2

Tabelle 3: Relevante Kennwerte von HF-tauglichen Materialien

– in Bearbeitung, wird fortgesetzt –

Vereinfachte Pegelbilanz zur Aufwandsabschätzung

Die untere und obere CW-Bake, die den Schmalband-Transponderbereich markieren, werden nach vorliegenden Informationen mit einer Strahlungsleistung von 59 dBm (ca. 800 Watt) von der Bodenstation auf 2400 MHz zum QO100 gesendet. Als kleine Sicherheitsreserve für die Pegelbilanz werden 60 dBm (1000 Watt) angenommen.

Strahlungsleistung (dBm) = Sendeleistung (dBm) + Antennengewinn (dBi) -Verluste (dB)

Ideale Betrachtung: Der eigene Signalpegel auf dem QO100-NB-Transponder soll so laut wie die CW-Bakenpegel sein. Also muss man eine Strahlungsleistung von ca.1000 Watt (60 dBm) erzeugen. Entweder hat man eine hohe Sendeleistung oder einen hohen Antennengewinn. Ein 60-cm-Offset-Parabolreflektor hat z. B. einen Antennengewinn von 21 dBi bei 55% Wirkungsgrad. Dann muss man im Idealfall 39 dBm entsprechend ca. 8 Watt Sendeleistung aufbringen, um die „CW-Bakenlautstärke“ zu erreichen. Mit einem 85-cm-Offset-Parabolreflektor (24 dBi bei 55%) müsste man 3 dB weniger Sendeleistung, also nur noch 4 Watt aufbringen.

Reales Beispiel: In der Realität hat man zwischen der Endstufe und der Sendeantenne ein mehr oder wenig langes verlustbehaftetes Antennenkabel. Diese Dämpfungsverluste reduzieren bei gleichbleibender Sendeleistung die Strahlungsleistung und haben somit einen schwächeren Signalpegel auf dem QO100-NB-Transponder zur Folge.

Stationsbeschreibung:

– 60-cm-Offsetparabolreflektor (21 dBi bei 55%) mit LHCP-Erreger (POTY- oder Helixantenne)

– Chinesische WiFi-PA mit 2,5 Watt ca. 34 dBm (Herstellerangabe 8 Watt)

– 2,5 m HighFlex7-Kabel mit 0,32 dB/m@2400 MHz (ca. 1 dB mit Steckverbinderverlusten von 0,1 dB/Stecker)

Mit dieser Konfiguration erzeugt man eine Strahlungsleistung von 34 dBm -1 dB (Kabeldämpfung) +21 dB (Antennengewinn) = 54 dBm (250 Watt). Man hat 6 dB weniger Strahlungsleistung als die Bodenstation, also ist man 1 dB mehr als eine S-Stufe (5 dB) leiser als die CW-Bakensignalpegel. Für diesen geringen und preiswerten Aufwand schon ein stattliches Signal.

Dies ist eine überschlägige, aber hinreichend genaue Pegelkalkulation zur Aufwandsabschätzung, die keine Reserven für Wettereinflüsse, Umgebungsdämpfungen, Ausrichtfehler und sonstigen Verlusten berücksichtigt.

Weiterhin viel Spass mit QO100!

vy 73 de Günter, DL6YCL