DL6YCL via QO100

Inhaltsübersicht

– Mein Weg zu Qatar-QSCAR 100

           – Empfang mit der SDR-Console

           – Abgleich des ADALM PLUTO mit SDR-Console ohne externe Frequenz-Referenz

– Vorstellung des QO100-Eigenbau-Transceivers

– Stationskonfiguration für den portablen Betrieb via QO100

– Meine Eigenbau POTY-Antennen

            – Informationen zum Eigenbau von POTY-Antennen

                 – Hinweise zum Abgleichvorgang mit VNA

– Zirkularpolarisierte Patch-Antennen für 2400 MHz

            – 2-GAP-POTY-Antenne

            – Dualband CAN-Feed

            – 2-Wdg.-CAN-Helix für 2400 MHz

            – Untersuchungen an der 2-GAP-POTY-Antenne

                – Auswirkungen von mechanischen Veränderungen bei einer POTY-Antenne

– Wissenwertes über Parabolreflektoren

           – Gewinn von Parabolreflektoren auf 2400 MHz

            – Untersuchung und Bewertung von Primär-Fokus-Parabolreflektoren (PFR) auf 2400 MHz

                – Untersuchungen mit Offset-Parabolreflektoren auf 2400 MHz 

– Wissenswertes über Helixantennen

           – Mechanische Kenndaten von Helixantennen

           – Elektrische Kenndaten von Helixantennen

           – Helixantenne mit 2 Windungen

           – RHCP-Helixantennen für den QO100-Uplink

           – LHCP-Helixantennen als Erregersystem für Parabolreflektoren

           – Eingangsimpedanz und Anpassung von Helixantennen

– Vergleich POTY-Antenne vs 3-Wdg-Helixerreger

– Dielektrische Linsen für Rundhohlleiter

– Einfache Pegelbilanz zur Aufwandsabschätzung

Mein Weg zu Qatar-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 u. a. auch hilfreich für die Ausrichtung eines fest montierten Parabolreflektors auf QO100 eingesetzt werden.

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

Wegen der geringeren Signalstärke wurde das QO100-LNB im Zentrum des Parabolreflektors plaziert. Beim wesentlich stärkeren ASTRA-Signalpegel können die „Schielverluste“ durch den lateralen Versatz des ASTRA-LNB akzeptiert werden. Der eine oder andere Betrachter wird sich vielleicht darüber wundern, dass sich das ASTRA-LNB – von vorn betrachtet – rechts vom QO100-LNB befindet, obwohl sich QO100 mit ca. 26° E knapp 7° weiter östlich als ASTRA mit 19,2° E befindet.

Die Erklärung ist ganz einfach: Am Parabolreflektor gilt für die Satellitensignale das optische Brechungsgesetz mit Einfallswinkel = Ausfallswinkel. Das ASTRA-Signal kommt zwar von links – wieder von vorn betrachtet – wird aber durch die Reflektion am Parabolreflektor rechts vom QO100-LNB zurückgestrahlt.

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

Empfang mit der SDR-Console

Das Empfangssignal der PSK-Bake auf 10489,750 MHz wird mit der Zwischenfrequenz 9750 MHz auf 739,750 MHz umgesetzt. Auf diese Frequenz muss der ADALM PLUTO via SDR-Console eingestellt werden.

Auch wenn beim ersten Empfangsversuch kein Signal empfangen wird, ist die Empfangsanlage in den meisten Fällen nicht defekt bzw. nicht falsch eingestellt. Die 25-MHz-Oszillatoren der LNB haben eine Streuung bis zu ca. 1 kHz. Dies bedeutet z. B. bei 1 kHz Offset auf der Empfangsfrequenz eine Abweichung von 390 kHz. Um diesen Wert muss die Zwischenfrequenz in der SDR-Console korrigiert werden, damit das Bakensignal auf der richtigen Frequenz empfangen werden kann.

Beispiel: Der 25-MHz-Oszillator meines Megasat Diavolo LNB liegt bei ca. 25,001 MHz also 1 kHz zu hoch. Mit dem Multiplikator 390 ergibt sich eine Zwischenfrequenz von 9750,390 MHz, die eine Empfangsfrequenz von 739,360 kHz – also 390 kHz zu tief – zur Folge hat. Damit wir aber die Frequenz auf 739,750 MHz empfangen, muss der in die SDR-Console einzugebende Zwischenfrequenzwert um 390 kHz von 9750,000 MHz auf 9749,610 MHz reduziert werden.

Bei negativen Abweichungen der LNB-Oszillatorfrequenz ergibt sich eine entsprechend niedrigere Zwischenfrequenz, die eine entsprechend höhere Empfangsfrequenz zur Folge hat. In diesem Fall ist der in die SDR-Console einzugebende Zwischenfrequenzwert entsprechend zu erhöhen.

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 suboptimalen 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 der SDR-Console immer dann ein Signal zu sehen, wenn ich sendete. Das Signal war nicht sehr laut (ca. R5, S3) und ca. 27,6 kHz unterhalb der eingestellten Sendefrequenz. Dieser Frequenzoffset wurde durch die Abweichung des 40,000-MHz-Oszillators im ADALM PLUTO verursacht, weil bisher keine Kalibrierung durchgeführt wurde.

Abgleich des ADALM PLUTO mit SDR-Console ohne externe Frequenz-Referenz

Für den Betrieb eines ADALM PLUTO an der SDR Console von Simon Brown, G4ELI ist für die üblichen Betriebsarten im Gegensatz zur Transceiver-/Transverterlösung eine externe Referenz, wie z. B. GPS-DO, nicht zwingend erforderlich, wenn der vorhandene 25-ppm-TCXO gegen eine 0,5-ppm oder 0,1-ppm-Version getauscht wird. Die Empfangsfrequenz wird durch die SDR-Console via PSK-Bake des Satelliten QO100 auf der NB-Transponder-Mittenfrequenz 10489,750 MHz synchronisiert. Diese Empfangsfrequenz-Synchronisierung via SDR-Console ist sehr stabil und genau.

Hinweis: Bei dieser Konfiguration sollte der RIT in der SDR-Console im Sinne einer sauberen Betriebstechnik nicht mehr verstellt werden, da man erstens dann das eigene Sendesignal nicht mehr in der richtigen Tonlage hört und zweitens auch gezwungen wird, die eigene Empfangsfrequenz exakt auf die Frequenz der gehörten Gegenstation einzustellen. Auf dieser eingestellten Frequenz liegt dann auch nach einer erfolgreichen Kalibrierung gewohnlich die eigene Sendefrequenz. Falls die eigene Sendefrequenz nicht exakt mit der Empfangsfrequenz übereinstimmt, – dies kann man z. B. mit einem 800-Hz-Ton überprüfen – sollte die geringe Frequenzdriftt des ADALM PLUTO jeweils mit dem XIT in der SDR-Console kompensiert werden.

Die Baken-Frequenz wird im Geostationary Satellite Beacon Fenster nur dann exakt angezeigt, wenn das LNB ebenfalls exakt auf der Transponder-Mittenfrequenz von 10489,750 MHz liegt und eine exakte Mischfrequenz von 9750 MHz (390 x 25 MHz) verwendet wird. Ansonsten wird die abweichende Frequenz des LNB angezeigt. Wird diese Abweichung zu groß, sollte in der SDR-Console die Zwischenfrequenz um der Wert der Abweichung korrigiert werden, weil sonst die angezeigten Pegelwerte der SDR-Console sich asymmetrisch verschieben und bei sehr hohen Abweichungen eventuell der Fangbereich der Synchronisation verlassen werden könnte. Diese Korrektur der Zwischenfrequenz ist hier nicht zwingend und mit stabilen externen Referenzfrequenz überhaupt nicht erforderlich.

Hinweis: Die Empfänger-Synchronisation mit der QSP-Bake des QO100 ist für den PPM-Abgleich des ADALM PLUTO zwingend erforderlich!

Nach dem ersten Sendeversuch mit dem ADALM PLUTO wird man in der Regel das gesendete Signal auf einer tieferen als der eingestellten Frequenz empfangen. Dies können schon bis zu ca. 30 kHz und eventuell mehr sein und liegt daran, dass bisher kein Korrektur-Offset für den 40-MHz-Oszillator in die SDR-Console eingegeben wurde.

Mein ADALM PLUTO hat z. B. bei 0 ppm einen Offset von -27,6 kHz, bei +10 ppm -51,6 kHz und bei -10 ppm einen Offset von – 3,6 kHz, also ca. 2,400 kHz pro ppm. Den erforderlichen negativen Offsetwert kann man relativ genau bestimmen, wenn man den 0-ppm-Wert – hier 27,6 kHz – durch den pro-ppm-Wert – hier 2,4 kHz – dividiert. In meinem Fall ist das ein Offset von – 11,500 ppm. Den Feinabgleich kann man anschließend z. B. mit Hilfe eines 800-Hz-Tons durchführen. Der 40-MHz-Oszillator des ADALM Pluto wird dann so lange abgeglichen, bis das 800-Hz-Testsignal in der richtigen Tonlage auf der eigestellten Frequenz zu hören bzw. auf dem Display auf der 800-Hz-Linie zu sehen ist. Dieser Abgleichvorgang kann Online während des Funkbetriebs erfolgen, sollte aber nur bei der erreichten Betriebstemperatur durchgeführt werden.

Hinweis: Der Offsetwert wird unter Transmit Options / Adalm Pluto (oder dein gewählter Name) / Radio Configuration / Calibration in die SDR-Console eingegeben und dort permanent gespeichert.

Achtung: Damit der Wert von der SDR-Console übernommen wird, muss das Häkchen bei ENABLE gesetzt werden!

QSO-Betrieb via QO100

Zwischenzeitlich hatte mir Gerd, DG5BCR seine 24-dBi-Gridantenne angeboten. Nun konnte der QSO-Betrieb bei schönem Wetter mit der linear polarisierten Grid-Antenne (siehe Bild 4) beginnen.

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 festen Indoor-Konfiguration (siehe Bild 6) – die noch auf ein Metallgehäuse wartete – 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 abrupt 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 inzwischen in das TRX-Gehäuse integriert wurde. 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.

Der SAT-Abzweiger SAB 1-16 (5) wurde inzwischen durch einen Combiner GOOBAY 67054 ersetzt. Der Signal-/Rauschabstand konnte durch die Bandbegrenzung auf 860 MHz deutlich verbessert werden.

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 (ca. 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 optimal 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. Offensichtlich war das LNB noch mit einem DRO ausgestattet. 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

Informationen zum Eigenbau von POTY-Antennen

Eine POTY-Antenne ist bekanntermaßen eine Dual-Band-Antenne, die aus einer zirkular polarisierten Patch-Antenne auf 2400 MHz und einem in deren Zentrum integrierten Rundhohlleiter für 10500 MHz besteht. Der 10500 MHz-Hohleiter ist fertig, aber die Patch-Antenne muss noch sehr sorgfältig gefertigt werden.

Grundprinzip einer Patch-Antenne

Eine Patch-Antenne besteht einem metallenen Reflektor und dem ebenfalls metallenen frequenzbestimmenden Patch-Element. Die Größe des Patch-Elements wird erstens durch die Arbeitsfrequenz und zweitens durch das effektive er (epsilon r) des Materials bestimmt, das sich zwischen dem Patch und dem Reflektor befindet. Bei der POTY-Antenne ist das Luft mit dem er =1. Patch-Antennen aus PCB sind in ihren Dimensionen kleiner, weil das er oberhalb von 1 liegt (z.B. TEFLON er = 2,1).

Hinweis: Das wirksame oder effektive er eines Trägermaterials ist nur dann mit der Materialkonstante er identisch, wenn beide Metallflächen gleiche Abmessungen und einen konstanten Abstand voneinander haben. Dies ist bei einer Patch-Antenne und somit auch bei der POTY-Antenne nicht der Fall. Das aktuelle effektive er ergibt sich also aus den Geometrien der Flächen, den Abständen und den Materialdicken. Jegliche Veränderung von Abmessungen, Abständen und Materialdicken hätte eine Verstimmung der POTY-Antenne zur Folge.

Dies bedeutet, dass bei einem POTY-Bausatz und bei seiner Montage folgendes beachtet bzw. unbedingt eingehalten werden muss:

1. Die vorgegebenen Maße und Materialstärken der Einzelteile dürfen nicht verändert werden. Die Platten sind exakt parallel zueinander und rechtwinklig zum Hohlleiter (22-mm-Kupferrohr) zu verlöten. Hier ist der Abstand 3,0 mm zwischen dem Patch und dem Reflektor unbedingt einzuhalten! Der Speisepunkt muss ebenfalls exakt eingehalten werden.

2. Das elektrisch leitende Metall – die Auswahl ist sekundär (Kupfer oder Messing) – muss gut lötbar sein. Es ist jeweils eine saubere und durchgehende Lötnaht erforderlich. Es darf kein Lötzinn zwischen Patch und Reflektor laufen!

3. Aus HF-technischer Sicht ist es vorteilhaft, die Flanschbuchse für die Speisung mit dem Reflektor zu verlöten. Sollten Schrauben verwendet werden, so dürfen diese nicht in den Raum zwischen Patch und Reflektor hineinragen, d. h. diese müssen unbedingt plan mit der Reflektorinnenfläche abschliessen!

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 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.

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.

Hinweise zum Abgleichvorgang mit VNA

Die Arbeitsfrequenz einer Patch-Antenne liegt immer oben auf der „Impedanzschlaufe“ exakt in Opposition zum Kreuzungspunkt. Bei dieser Arbeitsfrequenz hat die POTY-Antenne eine reine Zirkularpolarisation – also bestes Axialratio – und die höchste Polarisationsentkopplung zwischen RHCP/LHCP.

Auf diese Arbeitsfrequenz (siehe roten Punkt in Bild 13 und Bild 14) muss die gewünschte Betriebsfrequenz der POTY-Antenne abgeglichen werden:

1. VNA kalibrieren, POTY-Antenne anschliessen und die gewünschte Betriebsfrequenz am VNA einstellen (Empfehlung 2400,25 MHz NB-Transponder (SSB etc.) oder 2406 MHz für den WB-Transponder (DATV)).

2. Sollte sich die Betriebsfrequenz (roter Punkt) nicht exakt gegenüber dem Kreuzungspunkt der Impedanzschlaufe befinden, so ein Abgleich der POTY-Antenne durchzuführen bis sich dieser dort befindet.

Hinweis: 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 eine möglichst kleine „Impedanzschlaufe“ einstellt.

Die Form des S11-Verlaufs wird durch die Lage der Impedanzschlaufe im Smith-Diagramm vorgegeben. Denn der S11-Verlauf ist nur eine andere indirekte Art der Impedanzdarstellung. Zeigt die Schlaufe mit der Arbeitsfrequenz (roter Punkt) zum Zentrum des Smith-Diagramms, so ist die maximal mögliche S11-Anpassung erreicht. Im Fall der optimalen Anpassung liegt dieser dann im Zentrum des Smith-Diagramm. Zeigt die Arbeitsfrequenz (roter Punkt) der Impedanzschlaufe nicht zum Zentrum des Smith-Diagramms, so ist je nach Lage der Impedanzschlaufe ein mehr oder weniger ausgeprägter W-förmiger S11-Verlauf zu erkennen. Dies bedeutet, dass die Arbeits-/Betriebsfrequenz im Bereich der schlechtesten Anpassung liegt, aber dennoch akzeptabel ist. Bei einem Abgleich mit einem SWR-Meter würde man nicht auf die Arbeitsfrequenz abgleichen, sondern zwangsläufig auf eines der beiden Minima oberhalb oder unterhalb der Arbeitsfrequenz abgleichen. Man hätte dann zwar die optimale Leistungs-Anpassung, aber eine suboptimale Zirkularpolarisation, die zu größeren Verlusten führen könnte.

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. 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 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).

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.

Hinweis: Eine rechteckige zirkular polarisierte Patch-Antenne – in diesem Fall unsere Poty-Antenne – ist nur dann optimal abgeglichen, wenn erstens die gewünschte Betriebsfrequenz exakt gegenüber dem Kreuzungspunkt in der „Impedanzschlaufe“ liegt (siehe roten Punkt (Marker) im Smith-Diagramm) und zweitens der rote Punkt exakt im Zentrum des Smith-Diagramms liegt. Nur in diesem Fall ist die Polarisation exakt zirkular und der Punkt der besten Anpassung (siehe grünen Punkt 0 (Marker) im S11- und VSWR-Verlauf) ist erreicht.

Diese Übereinstimmung, dass sich die Betriebsfrequenz abgleichen lässt (beste Zirkularpolarisation) und der rote Punkt sich dann auch noch im Zentrum des Smith-Diagramms (bester S11-Wert) befindet, ist sehr selten zu erreichen. Das Bestreben sollte deshalb darin bestehen, die POTY-Antenne zunächst zirkular optimal abzugleichen und dabei den roten Punkt auf der Schlaufe möglichst nahe an das Zentrum bringen. Wenn dies gelingt, ist der S11-Wert meistens besser als 20 dB!

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.

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. 0,66 haben einen -10-dB-Öffnungswinkel von ca. 70°. Hier ist die Überstrahlung durch die 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, also einen -10-dB-Öffnungswinkel > 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, diese 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 liegen könnte.

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

Zirkular polarisierte Patch-Antennen für 2400 MHz

In der Regel werden im Amateurfunk rechteckige bzw. quadratische Patche verwendet. Die zirkulare Polarisation eines rechteckigen Patches erreicht man durch eine Phasenverschiebung von 90° zwischen der horizontalen und vertikalen Komponente. Hier kann es wegen der vertikal und horizontal ausgerichteten Komponente zu Verkopplungen mit der Umgebung kommen, die einen negativen Einfluß auf die Patch-Eigenschaften haben. Eine leichte Verbesserung gibt es, wenn man den Patch von den horizontalen und vertikalen Strukturen der näheren Umgebung entkoppelt. Dies erreicht man, wenn man die Diagonalen des Patches in der horizontalen und vertikalen Achse ausrichtet, d. h. diesen auf die Spitze stellt (siehe hierzu auch Bild 12).

Es gibt unterschiedliche Maßnahmen, um die zirkulare Polarisation bei einem rechteckigen Patch zu erzeugen. Diese sind mehr oder weniger aufwändig.

1. Quadratischer Patch

Variante a.: Patch mit zwei Speisepunkten

Zwei um 90° verschobene Speiseleitungen, z. B. die Ausgänge eines 90°-Hybrid-Kopplers, werden zum Patch geführt. Je nach gewünschter Polarisationsrichtung wird die um 90° verschobene Leitung an die vertikale oder horizontale Kante des Patches und die 0°-Leitung rechtwinklig dazu angeschlossen. Dies ist eine aufwändigere Lösung, hat aber den Vorteil, dass die Zirkularpolarisation über einen großen Frequenzbereich annähernd zirkular bleibt.

Variante b.: Patch mit einem Speisepunkt

Es werden je nach gewünschter Polarisationsrichtung bei einer Diagonale die gegenüberliegenden Ecken abgeschnitten. Dadurch erhält man die Phasenverschiebung -45° und die ungekürzte Diagonale hat +45°, also insgesamt die erforderlichen 90° Phasenverschiebung. Die ideale Zirkularpolarisation hat man nur auf der Betriebsfrequenz. Unterhalb und oberhalb von dieser Frequenz wird die Polarisation immer elliptischer und geht im Extremfall in eine lineare Polarisation über, die eine Leistungseinbuße von -3 dB zur Folge hätte.

2. Rechteckiger Patch mit einem Speisepunkt

Bei dieser Variante sollte die zweite Seite des Patches maximal um 3% kürzer oder länger sein, damit die Zirkularität erhalten bleibt. Wählt man den Längenunterschied zu groß, so erhält man eine linear polarisierte Dual-Frequenz-Patch-Antenne. Eine Frequenz mit horizontaler und eine mit vertikaler Polarisation. Die erforderliche Phasenverschiebung erreicht man durch den Längenunterschied der Patchkanten. Die Speisung erfolgt je nach gewünschter Zirkularpolarisationsrichtung auf einer der beiden Patch-Diagonalen.

Abhängig von der benötigten Bandbreite und Realisierbarkeit entscheidet man sich für eine bestimmte Maßnahme. Im Amateurfunk hat sich überwiegennd die Variante 1b quadratischer Patch mit abgeschnittenen Ecken durchgesetzt, weil diese relativ einfach zu realisieren und für die vorgesehenen Anwendungen geeignet ist.

3. Zirkularer Patch

Etwas aufwändiger ist es, wenn man einen runden Patch für die Zirkularpolarisation verwendet. Hier gibt es zwei bewährte Methoden, um die zirkulare Polarisation zu erzeugen. Der Speisepunkt des zirkularen Patches liegt jeweils auf der 180°-Linie.

Variante a: Disk mit 2 Kurzschluss-Pins

Bei dieser Variante werden zwei Kurzschluss-Pins zwischen dem Patch und dem Reflektor gegenüberliegend auf einer Linie und symmetrisch zum Mittelpunkt gesetzt. Wenn man von vorn auf die Antenne schaut, sieht man bei LHCP oben einen Pin bei 315° und unten den zweiten Pin bei 135°. Für RHCP müssen die Winkelwerte entsprechend um +90° verändert werden.

Das Gap bei 270° dient zur Blindwiderstands-Kompensation und Feinabstimmung der runden Patch-Antenne.

Variante b: Disk mit zwei Gaps am Rand

Hier werden gegenüberliegend auf einer Linie zwei Aussparungen am Rand der Patch-Disk eingearbeitet. Wenn man auf die Antenne schaut, sieht man bei LHCP oben ein Gap bei 315° und unten das zweite Gap bei 135°. Für RHCP müssen die Winkelwerte entsprechend um +90° verändert werden.

Das Gap bei 270° dient zur Blindwiderstands-Kompensation und Feinabstimmung der runden Patch-Antenne.

Meine POTY-Antennen-Sammlung

Die folgenden Bilder zeigen die modifizierten POTY-Antennen mit zirkularem Patch. Diese arbeiten alle nach dem gleichen Prinzip (siehe oben) und sehr zufriedenstellend. Auf ein variables Abstimmelement wurde bewusst verzichtet, weil durch die damit einhergehende Abstandsreduzierung erstens die maximale Sendeleistung der POTY-Antenne begrenzt wird und zweitens die Antenne durch Umwelteinflüsse (Vibration, Schmutz etc.) leichter verstimmt werden könnte.

Dieses Projekt konnte nur deshalb realisiert werden, weil mich unser OVV Dieter, DK2AM bei den mechanischen Arbeiten, wie Bohren, Drehen, Fräsen und Biegen, hilfreich unterstützt hat.

Es wurden diverse alternative Abstimmvarianten (verstellbare Abstimmkapazität, Loch im Patch oder Reflektor, Steg am Reflektor etc.) untersucht, aber das Gap bei 270° hat sich als die praktikable Lösung herausgestellt.

Das folgende Bild 1 zeigt die 2-PIN-POTY-Antenne mit den beiden gelöteten Kurzschluss-Pins. Die beiden Pins stabilisieren zwar den Patch zusätzlich, erschweren aber gleichzeitig den Abgleich der POTY-Antenne durch leichtes Verbiegen des Patches. Auch müssen die Bohrungsmaße der Kurzschluss-Pins sehr exakt sein. Weiterhin ist davon auszugehen, dass im Laufe der Zeit sich die Lötungen durch Witterunseinflüsse (Vibrationen, Korrosion etc.) verändern könnten.

Bild 1: Prototyp der 2-PIN-POTY-Antenne für LHCP von DL6YCL

Das folgende Bild 2 zeigt meine 2-GAP-POTY-Antenne mit den beiden Gaps am zirkularen Patch-Rand für LHCP. Diese Lösungsvariante ist mein Favorit, weil erstens im Laufe Zeit keine gravierenden Veränderungen durch Witterungseinflüsse zu erwarten sind und zweitens das Patch-Design je nach Montage sowohl für LHCP als auch RHCP geeignet ist, weil sich der Speisepunkt auf der Symmetrieachse befindet. Diese Variante hat eine höhere Polarisationsentkopplung als die originale POTY-Antenne. Die Herstellung ist wesentlich unkritischer als bei der 2-PIN-Variante. Ohne Abgleich erreichte ich eine „Punktlandung“ hinsichtlich der Arbeitsfrequenz und der Rückflussdämpfung/SWR wie die Messkurve in Bild 3 zeigt. Nach dem Abgleich erreichte die Rückflussdämpfung S11 einen Wert von  > 30dB.

Bild 2: Prototyp der 2-GAP-POTY-Antenne für LHCP von DL6YCL

Bild 3: Messkurve des Prototypen der 2-GAP-POTY-Antenne

Untersuchungen an der 2-GAP-POTY-Antenne

Nach über einem Jahr Betrieb habe ich die 2-GAP-POTY-Antenne aus dem Parabolreflektor entfernt und mit dem VNA nachgemessen. Das Bild 3a zeigt den Impedanzverlauf der 2-GAP-POTY-Antenne ohne Parabolreflektor.

Bild 3a: S11-Messkurve der 2-GAP-POTY-Antenne ohne Parabolreflektor

Der S11-Verlauf ist annähernd gleich geblieben (siehe Bild 3), d. h. die Mechnik bzw. der Abgleich an der Mechanik der 2-GAP-POTY-Antenne hat sich trotz der wetterbedingten Vibrationen nicht verändert. Weiterhin habe ich diese Gelegenheit genutzt, um den Einfluß des Parabolreflektors auf die Eingangsimpedanz der 2-GAP-POTY-Antenne zu untersuchen. Dazu wurde das Antennenkabel vor der Kalibrierung am Verstärkerausgang entfernt und an den VNA angeschlossen. So wurde es mit in die VNA-Kalibrierung einbezogen.

Nach der Kalibrierung wurde am anderen Kabelende die im Parabolreflektor montierte 2-GAP-POTY-Antenne wieder angeschlossen und erneut eine Impedanzmessung durchgeführt. Das Ergebnis dieser Messung zeigt das Bild 3b.

Bild 3b: S11-Messkurve der 2-GAP-POTY-Antenne mit 95-cm-Parabolreflektor

Wie erwartet, erfolgt aufgrund der relativ großen Entfernung zum Parabolreflektor keine Verstimmung der 2-GAP-POTY-Antenne. Aber ein geringer Einfluß des Parabolreflektors auf die Eingangimpedanz ist schon zu erkennen. Der S11-Wert reduziert sich um ca. 3 dB von ca. 28 dB auf ca. 25 dB. Das ist immer noch eine hevorragende Anpassung.

Auswirkungen von mechanischen Veränderungen bei einer POTY-Antenne

In der Zwischenzeit wurden diverse Simulationen an der 2-GAP-POTY-Antenne durchgeführt und das Verhalten der Antennen-Parameter bei mechanischen Modifikationen untersucht. Die 2-GAP-POTY-Antenne hat zwar einen runden Patch, aber die Ergebnisse sind ohne weiteres auf die POTY-Antenne übertragbar, da die absoluten Werte keine Relevanz haben.

Es wurden an einem Referenzmodell mit der Arbeitsfrequenz 2397 MHz aus 1 mm Messingblech und einem 106-mm-Reflektor jeweils die Auswirkungen der Reflektor-Grösse, Reflektor-Dicke und die Patch-Dicke untersucht. Die Ergebnisse werden in den Tabellen A, B und C zusammengefasst.

Einfluss der Reflektorgröße

Die Reflektorgröße hat zunächst wie bei jeder anderen Antenne Auswirkungen auf den Antennengewinn, Anpassung und auf das Vor/Rück-Verhältnis. Der Gewinn steigt proportional zur Reflektorgröße an, die LHCP/RHCP-Polarisationsentkopplung und das V/R-Verhältnis verbessern sich. Wie man anhand der S11-Werte erkennen kann, verändert sich die Impedanz nur geringfügig. Die zunehmende anteilige Aperturblockierung kann vernachlässigt werden. Bei kleinen Parabol-Reflektoren solle man dies untersuchen. Also nur positive Effekte.

Bei Patch-Antennen führt jegliche Veränderung der Geometrien zur Beeinflussung des effektiven er. Eine Vergrößerung des Reflektors hat ein höheres effektives er zur Folge, das eine Veringerung der Arbeitsfrequenz zur Folge hat und bei einer Reflektorverkleinerung umgekehrt. Diese relativ geringen Frequenzabweichungen von wenigen MHz lassen sich durch einen erneuten Abgleich der Arbeitsfrequenz korrigieren.

ReflektorDickeGain-3-dB-WinkelArb. FrequenzS11 Arb. Frequ.LHCP/RHCPV/R-Verhält.Impedanz
mmmmdBicGradMHzdBdBdBOhm
92,01,08,961,82407-40,019,523,749,6
100,01,09,260,62400-44,020,828,650,2
106,01,09,459,72397-39,025,831,451,2
112,01,09,558,82394-33,134,332,852,2
120,01,09,657,72392-36,652,233,951,3

Tabelle A: Einfluss der Reflektor-Größe auf die Antennen-Parameter

Fazit: Geringe Modifikationen am Reflektor verursachen keine relevanten Parameter-Veränderungen! Man muss den Reflektordurchmesser nicht so exakt einhalten und kann auch mal eine Kante abschneiden, sollte aber die Auswirkungen berücksichtigen.

Einfluß der Patch- und Reflektordicke

Eine Modifikation der Reflektordicke verändert die Antennengeometrien nicht gravierend. Die Dickenänderung des Reflektors zeigt nur marginale Veränderungen der Antennen-Parameter (siehe Tabelle B) und eine Frequenzverschiebung erfolgt ebenfalls nicht. Diese Modifikation kann also ohne nachträglichen Abgleich der POTY-Antenne erfolgen. Ganz anders sieht es bei der Patchdicke aus. Das Patchblech ist das frequenzbestimmende Element einer Patch-Antenne. Die Arbeitsfrequenz des Patches wird durch die Abmessungen und das aktuelle effektive er bestimmt.

Durch die Dickenänderung des Patches wird das effektive er erheblich beeinträchtigt. Dies führt zwangsläufig zu der relativ großen Verstimmung der POTY-Antenne.

Refl-DickePatch-DickeGain-3-dB-WinkelArb. FrequenzS11 Arb. Frequ.LHCP/RHCPV/R-Verhält.Impedanz
mmmmdBicGradMHzdBdBdBOhm
1,01,09,459,72397-39,025,831,451,2
1,02,09,459,2237028,124,430,854,0
1,00.59,460,1241536,236,229,248,6
2,01,09,460.62397-40,024,431,451,0

Tabelle B: Einfluss der Patch- und Reflektor-Dicke auf die Antennen-Parameter

Fazit: Bei der Verwendung von dickeren HF-Kabel ist ein dickerer Reflektor sinnvoll und hilfreich. Die untersuchten Antennen-Parameter werden durch einen dickeren Reflektor nicht gravierend verändert!

Die Patch-Dicke darf nicht verändert werden, da dies zu gravierenden Frequenzänderungen führt! Diese hohen Abweichungen von ca. +/- 20 MHz sind nur durch mechanische Anpassungen zu beseitigen!

Einfluss des Patchabstands

Die Tabelle C zeigt die Auswirkungen, die eine Abweichung vom 3-mm-Patchabstand zur Folge hat. Die Abstandsvariation hat auch hier eine Veränderung des effektiven er zur Folge. Bei größerem Abstand wird das effektive er erhöht und verursacht eine tiefere Arbeitsfrequenz und bei kleinerem Abstand ist dies umgekehrt. Die Parameter LHCP/RHCP-Entkopplung und V/R-Verhältnis werden ebenfalls beeinträchtigt.

Patch-AbstandReflektorGain-3-dB-WinkelArb. FrequenzS11 Arb. Frequ.LHCP/RHCPV/R-Verhält.Impedanz
mmmmdBicGradMHzdBdBdBOhm
2,8106,09,359,92407-40,019,523,748,9
2,9106,09,359,92400-44,020,828,651,0
3,0106,09,459,72397-39,025,831,451,2
3,1106,09,459,02394-33,134,332,854,4
3,2106,09,359,92392-36,652,233,955,6

Tabelle C: Einfluss des Patchabstands auf die Antennen-Parameter

Fazit: Der geforderte 3-mm-Abstand sollte möglichst einghalten werden. Kleinere Abweichungen von +/- 0,1 mm können eventuell mit dem Abgleich der Arbeitsfrequenz kompensiert werden.

Dualband CAN-Feed

Eine weitere Variante der 2-GAP-POTY-Antenne ist das CAN-Feed. Diese Variante ist ebenfalls ein Duoband-Feed, das speziell für tiefere Primärfokus-Parabolreflektoren konzipiert wurde. Der Prototyp des CAN-Feed hat einen Lambda/4-Kragen am Reflektorrand (siehe Bild 4). Dadurch wird im Vergleich zur originalen POTY-Antenne der 10-dB-Öffnungswinkel von ca. 110° auf ca. 140° erweitert. Dies müsste bei tiefen Primärfokus-Reflektoren mit einem f/D <= 0,4 zu einer besseren Ausleuchtung im 13-cm-Uplink führen und sich dann als Leistungsanstieg im Downlinksignal bemerkbar machen.

Das Ergebnis steht im Widerspruch zu den bisherigen Erfahrungen mit anderen Reflektor-Antennensystemen und Lambda/4-Kragen. Aber der signifikante Unterschied zur POTY-Antenne ist sicherlich darin begründet, dass diese im Gegensatz zur POTY-Antenne auch ohne Reflektor funktionieren. Bei diesen kommt es durch die höhere Nebenzipfeldämpfung üblicherweise zu einem geringen Gewinnanstieg in der Hauptkeule, der einen geringeren Öffnungswinkel zur Folge hat.

Das kurze Stück „Rohr/Hohlleiter“ wird durch den 2-GAP-Patch offensichtlich als TE11-Wellenleiter angeregt. Dosenstrahler für 2400 MHz arbeiten bei richtiger Dimensionierung als TE11-Wellenleiter und haben ebenfalls einen -10-dB-Öffnungswinkel von ca. 140°.

Bild 4: Prototyp des CAN-Feed von DL6YCL

Weitere Untersuchungen ergaben zunächst, dass die Randhöhe in bestimmten Grenzen mehr oder weniger frei gewählt werden kann und dadurch der -10-dB-Öffnungswinkel des CAN-Feeds im Bereich von ca. 110° bis ca. 140° über die Randhöhe variiert werden kann. Dies bedeutet, dass das CAN-Feed für ein bestimmtes f/D-Verhältnis eines tiefen Primärfokusreflektors optimiert werden kann. Die folgende Tabelle 1 zeigt die Veränderung der Kenndaten, wenn man nur die Randhöhe des CAN-Feeds reduziert.

  Randhöhe      [mm] Gewinn   [dBi] Vor-/Rück-  Verhältnis       [dB] -3-dB-Winkel       [Grad] -10-dB-Winkel       [Grad]   RHCP     vs   LHCP   [- dB]    S11     [- dB]
328,445701383430
208,845671282532
169,039651252028
109,129631191523
Ref.:POTY9,329601101717

Tabelle 4-2: Öffnungswinkel des CAN-Feeds als Funktion der Randhöhe

Bei einer Randhöhe oberhalb von Lambda/4 waren nur noch marginale Winkelerweiterungen zu erkennen. Für optimale Ergebnisse müsste die Patch-Geometrie an die jeweilige Randhöhe angepasst werden. Als Referenz wurden die ermittelten Kenndaten einer originalen POTY-Antenne gegenüber gestellt.

2-Wdg.-CAN-Helix für 2400 MHz

Das Optimieren und der Nachbau des CAN-Feeds ist sehr zeitintensiv und mechanisch anspruchsvoll. Da tiefere PFR oft nur für den QO100-Uplink genutzt werden, habe ich über eine einfache Monoband-Antenne nachgedacht und die aktuelle Lösung ist der CAN-Helix mit 2 Windungen. Die Abmessungen des TE11-Wellenleiters (Dosenstrahler) sind die gleichen wie beim CAN-Feed. Oder anders ausgedrückt: Eine 2 Wdg.-Helix (Design nach W1GHZ) mit 3 mm Abstand zu einem 0,8 x Lambda-Reflektor wurde mit einem Lambda/4-Rand versehen.

Auch hier wurde die Erweiterung des Öffnungswinkels – in diesem Fall wie erwartet – festgestellt. Mit diesem Erregersystem lässt sich der -10-dB-Öffnungswinkel bis ca. 131° aufweiten. Ohne Rand hat die 2-Wdg.-Helix einen -10-dB-Öffnungswinkel von ca. 118°. Für einen 1,8-m-Primefocus-Reflektor wurden 31,5 dBic (70%) Gewinn ermittelt,

RandhöhemmGaindBic-3-dB-WinkelGrad-10-dB-WinkelGradAxial-RatiodB
31,28,7469,0131,2<1,2
308,7968,8130,5<1,2
258,9468,0127,41,7
209,0866,9124,02,2

Tabelle 4-3: Öffnungswinkel des 2-Wdg.-CAN-Helix als Funktion der Randhöhe

Meine „POTY-Antenne“ für den Portabelberieb via QO100

Die Grundidee war eine minimale und kleine Antennenanlage ohne Parabolreflektor für den Portabelbetrieb via QO100 zu konzipieren. Im Februar 2022 wurde der Sendeteil für den 13-cm-Uplink meiner neuen POTY-Antenne fertiggestellt und im QSO-Betrieb zufriedenstellend getestet. Ohne die bewährte und hilfreiche Unterstützung durch unseren OVV Dieter, DK2AM hätte ich auch dieses Projekt nicht realisieren können. Diese Antenne basiert auf der bewährten 2-GAP-POTY-Antenne, die hier RHCP-polarisiert designt und mit 2 zusätzlichen Direktoren ausgestattet wurde. Der theoretische Gewinn beträgt 12,3 dBic, sodass man von ca. 12 dBic in der Praxis ausgehen kann. Dieser Gewinn entspricht dem einer Helix-Antenne mit 7 Windungen, die aber ungefähr die doppelte Länge hätte.

Mit ca. 5 Watt Sendeleistung an dieser POTY-Antenne ist das Signal zwar sehr leise – aber schon verständlich – auf dem QO100-Transponder zu hören. Eine Verdoppelung der Sendeleistung auf ca. 10 Watt erzeugte ein gut lesbares Signal mit einem SNR von ca. 10 dB. Dies wurde von vielen OM während der QSO bestätigt.

Das folgende Bild 5 zeigt den 13-cm-Sendeteil der modifizierten POTY-Antenne. Meine erste Idee zum Ausbau des Empfangsweg für den 10-GHz-Downlink musste ich aufgrund eines konzeptionellen Fehlers leider verwerfen. Dazu sollte an dieser POTY-Antenne hinten ein LNB angeflanscht und vorn die konische Linse durch einen ca. 200 mm langen dielektrischen Stielstrahler mit ca. 17,5 dB Gewinn ersetzt werden. Der erwartete Gewinn von 17,5 dBi sollte einen Parabolreflektor mit ca. 40 cm Durchmesser ersetzen. Dies ist leider nicht der Fall, da ich Äpfel mit Birnen verglichen habe. Bei 10,5 GHz ist die Frequenz um den Faktor 4,37 höher als bei 2,4 GHz bzw. die Wellenlänge um den Faktor 4,37 kleiner. Dies hat auf 10,5 GHz einen Gewinnzuwachs von 12,8 dB zur Folge, den ich anfänglich übersehen habe. Es soll nun ein separates konisches Horn mit ca. 30 dB Gewinn oder eine andere geeignete kompakte Antenne für den 10-GHz-Empfang verwendet.

Bild 5: Modifizierte „POTY-Antenne“ für den portablen Einsatz via QO100

Wissenswertes über Parabolreflektoren

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 beim Satellitenempfang 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 % – 60 %. Das f/D-Verhältnis ist meistens <= 0.50, dies 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 zusätzliche „Freiraumdämpfung“ zum oberen Reflektorrand verhält sich konstant zum f/D-Verhältnis, d. h. das Verhältnis der Wegunterschiede bleibt unabhängig von der Reflektorgröße konstant, und beträgt bei 2400 MHz für Offset-Parabolreflektoren (f/D=0.66) ca. 4 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. Wird ein Erregersystem für diesen Ausleuchtwinkel definiert, so belegt er den unteren Rand mit einem 4 dB stärkeren Leistungspegel als den öberen Reflektorrand. Wenn man diese Belegungsdifferenz mittelt, d. h. am unteren Rand -8 dB statt -10 dB (leichte Überstrahlung) und am oberen Reflektorrand -12 dB statt -14 dB (leichte Unterstrahlung) belegt, müsste ein Helixerreger einen -10-dB-Öffnungswinkel von ca. 80° entsprechend ca. 5,5 Windungen haben.

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 beim Satellitenempfang 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 etwas größer haben, wenn dieser voll ausgeleuchtet werden soll.

Wenn die Original-LNB z. B. in großen Primärfokus-Parabolreflektoren mit einem f/D-Verhältnis <= -10-db-öffnungswinkel 0.5 daraus einem resultierenden und 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-Empfangs-Frequenzbereich. Mit diesen höheren Gewinnangaben bei 10.7 bis 12.7 GHz können wir nichts anfangen, da wir im Uplink von QO100 auf ca. 2400.25 MHz senden. Die Gewinnangabe für 2400.25 MHz benötigen wir für unsere Pegelbilanz. Anhand dieser Pegelbilanz können wir den erforderlichen Aufwand (Reflektorgröße/Sendeleistung) für einen gewünschten Transponder-Signalpegel bestimmen.

Der mögliche Gewinn auf 2,4 GHz lässt sich anhand einer einfachen Faustregel relativ einfach und genau bestimmen. Die Frequenz 2,4 GHz ist um den Faktor 4,37 geringer als 10,5 GHz bzw. die Wellenlänge um den Faktor 4,37 größer. Nach unten stehender Berechnungsformel für den maximalen Gewinn geht dieser Faktor quadratisch ein und hat eine Gewinnreduzierung von 12,8 dB zur Folge.

Faustformel für 2,4 GHz: Den dB-Wert der10.7 GHz Gewinnangabe im Hersteller-Datenblatt um 13 dB reduzieren!

Ein Parabolreflektor allein – also ohne Erregersystem – ist ein unvollständiges Antennensystem, das nur aus einem Reflektor besteht und deshalb keinen Gewinn hat. Erst zusammen mit dem Erregersystem hat der Parabolreflektor einen Gewinn, der durch das Erregersytem und die Reflektorgröße bestimmt wird. Der mögliche 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 maximal möglichen Gewinn auch nach der bekannten Formel berechnen:

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

Hinweis: Bei ovalen TV-Offset-Reflektoren ist der kleinere Durchmesser der Breite für die Berechnung zu verwenden.

Der Wirkungsgrad von Parabolreflektoren wird u. a. durch das Erregersystem und die Reflektortiefe beeinflusst. Ein tiefer Reflektor hat ein kleines f/D-Verhältnis und ein flacher Reflektor hat ein großes f/D-Verhältnis. Flache Reflektoren lassen sich besser ausleuchten als tiefe Reflektoren. Bei Primärfokus-Reflektoren sollte das f/D-Verhältnis im Bereich von ca. 0,35 bis 0,50 liegen, wenn man gute Wirkungsgrade erzielen möchte.

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. Der Wirkungsgrad wird maßgeblich durch die Ausleuchtung des Parabolreflektors bestimmt. Dies bedeutet, dass der Öffnungswinkel des Erregersystems optimal auf das f/D-Verhältnis des verwendeten Parabolreflektor abgestimmt werden muss, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Bei einem Wirkungsgrad von 50% (halbe Leistung) ist der Gewinn eines Parabolreflektors um 3 dB geringer als der maximal mögliche Gewinn von 100%. Wenn man bei Offset-Reflektoren einen Wirkungsgrad von 55% annimmt, dann ist man auf der sicheren Seite.

Durchmesserin cmGewinn (50%)in dBiGewinn (55%)in dBiGewinn (60%)in dBiGewinn (70%)in dBiGewinn (100%)in dBi
3014,515,015,316,017,5
3515,916,316,717,318,9
4017,017,417,818,520,0
4518,118,518,919,521,1
5019,019,419,820,422,0
5519,820,220,621,322,8
6020,621,021,322,023,6
6521,321,722,022,724,3
7021,922,322,723,424,9
7522,522,923,324,025,5
8023,123,523,824,526,1
8523,624,024,425,026,6
9024,124,524,925,527,1
9524,525,025,326,027,5
10025,025,425,826,528,0
12026,627,027,428,029,6
14027,928,328,729,430,9
16029,129,529,930,532,1
18030,130,530,931,633,1
20031,031,431,832,534,0
30034,535,035,336,037,5

Tabelle 1: Gewinnangaben von Parabolreflektoren auf 2400 MHz bei unterschiedlichen Wirkungsgraden

Hinweis: Der theoretisch maximal mögliche Antennengewinn eines Antennensystems mit Parabolreflektor ergibt sich aus der verwendeten Reflektorgröße (Gewinn beim Wirkungsgrad 100%). In der Amateurfunkpraxis werden – je nach verwendetetem Reflektor-/ Erregersystem – Wirkungsgrade zwischen 50 % (-3 dB) und 70 % (-1,5 dB) erreicht.

Achtung: Keinesfalls errechnet sich der theoretisch maximal mögliche Antennengewinn eines Parabolantennensystems aus der Addition des Antennengewinns des Erregersystems und dem maximal möglichen Gewinn des Parabolreflektors, auch wenn man dies hin und wieder in bekannten Amateurfunk-Publikationen findet!

Untersuchung und Bewertung von Primär-Fokus-Reflektorantennen (PFR) auf 2400 MHz

Anhand von drei verschiedenen Primär-Fokus-Reflektorantennen – diese haben unterschiedliche Durchmesser und f/D-Verhältnisse (siehe Tabelle) – werden mit bekannten Erregersystemen Untersuchungen durchgeführt und die erreichbaren Gewinnwerte dieser Parabolantennensysteme ermittelt.

Die Erregersysteme werden so auf der Fokusachse plaziert, dass sich jeweils der maximale Systemgewinn ergibt. Für diesen Fall beziehen sich die Abstandswerte auf die Reflektorebene der jeweiligen Erregersysteme und stimmen deshalb nicht immer zwingend mit der Brennweite der Reflektoren überein.

Anhand der Reflektor-Öffnungswinkel kann man schon jetzt sagen, dass ein POTY-Erreger (110°) den besten Wirkungsgrad im Beispiel 1 und den schlechtesten im Beispiel 2 haben wird. Der Wirkungsgrad sagt aber nichts über den absoluten Gewinn aus, denn der wird maßgeblich durch die Reflektorgröße bestimmt.

ReflektorTypf/D-VerhältnisDurchmesser mmBrennweite mmTiefe mmÖffnungswinkel GradMaximale Gain in dBi
Beispiel 1 PFR 0,43160068823312132,1
Beispiel 2PFR0,29300087064716337,5
Beispiel 3PFR0,375120045020013529,6

Im Vergleich zu den überwiegend bei QO100 verwendeten Offset-Parabolreflektoren, die sich hervorragend für Helix-Erregersysteme eignen, sind die untersuchten Parabolreflektoren sehr tief und haben einen relativ großen Öffnungswinkel. Aus diesem Grund sind hier Helix-Erregersysteme weniger geeignet, weil diese bei sehr tiefen Reflektoren einen schlechten Wirkungsgrad haben und deshalb in der Regel Gewinneinbußen von mehreren dB bringen.

Beispiel 1: Ein OM hat einen Primärfokus-Parabolreflektor (PFR) mit 160 cm Durchmesser und einem f/D-Verhältnis von 0,43. Daraus ergibt sich eine Brennweite von 68,8 cm und einen Öffnungswinkel von ca. 121°.

Er betreibt diesen Parabolreflektor mit einer Helixantenne, weil er der Meinung ist, dass eine POTY-Antenne weniger gut für diesen Parabolreflektor geeignet sei. Die Helixantenne mit 3,75 Windungen hat einen -10-dB-Öffnungswinkel von ca. 92° und die POTY-Antenne hat einen von ca. 110°. Anhand des Öffnungswinkels des Parabolreflektors von ca. 121° kann man sofort erkennen, dass beide Erregersysteme (< 121°) den Parabolreflektor nicht optimal ausleuchten werden. Aber die Auffassung des OM, dass ein Erreger mit ca. 92° Öffnungswinkel diesen Parabolreflektor besser ausleuchten soll als einer mit  ca. 110°, erschliesst sich mir nicht, weil sich das nicht mit der mir bekannten Physik deckt.

Anhand von Simulationen wurde nachgewiesen, dass es doch nur eine Physik gibt und diese auch wie erwartet funktioniert. Mit dem 3,75-Wdg.-Helix-Erreger wurde ein maximaler Gewinn von 29,2 dBic ermittelt und mit einem POTY-Erreger wären es 30,0 dBic. Mit einer POTY-Antenne könnte der OM einen Gewinnzuwachs von 0,8 dB erzielen! Aber ein Erregerwechsel ist nicht zwingend notwendig, denn bereits durch eine Reduzierung der Windungszahl von 3,75 auf 3 Windungen steigt der Gewinn um 0,4 dB auf 29,6 dBic und bei 2 Windungen auf 29,8 dBic. Die POTY-Antenne brächte dann im Vergleich nur noch einen Gewinnzuwachs von 0,2 dB.

Aber auch bei einer Überstrahlung mit dem Prototypen des CAN-Feed (138°, Rand 33 mm) wird sogar ein Gewinnzuwachs von 1,2 dB gegenüber der 3,75 Wdg. – Helixantenne erreicht. Mit einem optimierten CAN-Feed (128°, Rand 20 mm) ließe sich der Gewinn um weitere 0,2 dB auf maximal 30,6 dBic steigern. Dieser Gewinnwert liegt nur 1,5 dB unterhalb des thoeretisch maximal möglichen Gewinns von 32,1 dB, der mit diesem Parabolreflektor zu erreichen wäre.

Fazit: Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Öffnungswinkel der einzelnen Erregersysteme umgekehrt proportional zu deren Antennengewinn verhalten. Denn der Antennengewinn ist ja nichts anderes als die Bündelung der Sendeenergie in die gewünschte Richtung. Weiterhin wird nachgewiesen, dass eine moderate Überstrahlung eines Parabolreflektors nicht zwangsläufig zu hohen Gewinneinbußen von mehreren dB führt, wie man in immer wieder einigen Publikationen nachlesen kann. Im Vergleich zur moderaten Unterbeleuchtung – bei dieser ist der -10-dB-Winkel des Erregersystems kleiner als der Öffnungwinkel (121°) des Parabolreflektors – ergibt sich hier sogar ein möglicher Gewinnzuwachs von 0,6 bis 1,2 dB.

Beachte: Der für einen POTY-Erreger ermittelte Gewinnzuwachs von 0,8 dB gegenüber den des aktuellen Helixerregers ist für den Betrieb auf dem NB-Transponder des QO100 nicht relevant. Aber bei einer DATV-Übertragung auf dem WB-Transponder kann dieser Gewinnzuwachs – abgesehen von anderen Vorteilen des POTY-Feeds –  schon über Go oder NoGo einer DATV-Übertragung entscheiden.

Erreger-SystemKennwertGain in dBic-3-dB-Winkel Grad-10-dB-Winkel GradGain in dBic mit 1600 mm ParabolWirkungsgrad in %
Helix-Antenne3,75 Wdg.10.4549229.252
Helix-Antenne3 Wdg.9.65810429.657
Helix-Antenne2 Wdg.8.96611929.859
2-Gap-POTYohne9.36011030.062
CAN-FeedPrototyp mit Rand 33 mm8.47013830.468
CAN-FeedOptimiert mit Rand 20 mm8.86712830.671

Tabelle B1: Möglicher Gewinn einer 1600-mm-Parabolreflektor-Antenne mit einem f/D-Verhältnis von 0.43

Beispiel 2: Ein OM hat einen Primärfokus-Parabolreflektor (PFR) mit 300 cm Durchmesser und einem f/D-Verhältnis von 0,29. Daraus ergibt sich eine Brennweite von 87,0 cm und ein Öffnungswinkel von ca. 163°.

In einer Simulation mit einem tiefen Parabolreflektor, der ein f/D = 0,29 hat, zeigte die POTY-Antenne einen Wirkungsgrad von 41% und das CAN-Feed einen von 64%. Dies bedeutet, dass bei Parabolreflektoren mit einem f/D-Verhältnis von 0,29 der Antennengewinn mit dem CAN-Feed-Erreger um ca. 1,9 dB höher ist, als bei einem POTY-Antennen-Erregersystem. Bei zunehmendem f/D-Verhältnis eines Parabolreflektors reduziert sich der Antennengewinn mit dem CAN-Feed-Erreger wieder, bis er letztendlich bei flachen Reflektoren sogar geringer ist, als der eines POTY-Erregersystems. Mit einem 2-Wdg.-Helixerreger steigt der Gewinn bereits um 0,9 dB gegenüber einer POTY-Antenne an. Eine POTY-Antenne ist bei einem sehr tiefen Parabolreflektor also die schlechtere Lösung.

Mit einem optimalen Feed-System erreicht man im Amateurfunk einen maximalen Wirkungsgrad von ca. 70 %. Dies bedeutet, dass man mit einem gut auf den Parabolreflektor abgestimmten Antennensystem maximal einen Gewinn erreicht, der  1,5 dB unterhalb des theoretisch maximal möglichen Gewinn eines Parabolreflektors liegt.

Erreger-SystemKennwertGain in dBic-3-dB-Winkel Grad -10-dB-Winkel GradSystem Gain in dBic   mit 3000 mm ParabolreflektorSystem Wirkungsgrad    %
Optimales Feedideal6,58316336,070
Helix-Antenne2 Wdg.8,96611934,651
POTY- AntenneQuadrat. Patch9,36011033,741
2-GAP-FeedRunder Patch9,36011033,741
Prototyp CAN-FeedRefl. 99 mm Rand 33 mm8,47113835,664

Tabelle B2: Vergleich von Erreger-Systemen in einem tiefen 3000-mm-Primärfokus-Parabolreflektor mit f/D = 0,29

Beispiel 3: Ein OM hat einen Primärfokus-Parabolreflektor (PFR) mit 120 cm Durchmesser und einem f/D-Verhältnis von 0,375. Daraus ergibt sich eine Brennweite von 45,0 cm und einen Öffnungswinkel von ca. 135°.

Er möchte seinen Parabolreflektor mit einem POTY-Erregersystem ausstatten, weil ihm bekannt ist, dass ein 3-Wdg.-Helix-Erreger noch schlechtere Ergebnisse bringen würde. Die Lösung mit einem 2-Wdg.-Helixerreger zieht er nicht in betracht.

Erreger-SystemKennwertGain in dBic-3-dB-Winkel Grad-10-dB-Winkel GradGain in dBic mit 1200 mm ParabolWirkungsgrad in %
Helix-Antenne3 Wdg.9.65810427.055
Helix-Antenne2 Wdg.8.96611927.359
2-Gap-POTYPatch rund9.36011027.258
CAN-FeedPrototyp mit Rand 33 mm8.47013827.866

Tabelle B3: Möglicher Gewinn einer 1200-mm-Parabolreflektor-Antenne mit einem f/D-Verhältnis von 0.375

Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass ein 3-Wdg.-Helix-Erreger nicht verwendet werden sollte, weil dieser den möglichen Gewinn um 0,2 dB gegenüber der POTY-Antenne reduziert. Bei einem 2-Wdg-Helixerreger liegt der Gewinn mit 27,3 dBic (59%) um 0,1 dB oberhalb der POTY-Antenne. Der POTY-Erreger bringt einen stattlichen Wirkungsgrad von 58%. Das CAN-Feed bringt zwar 0,6 dB mehr Gewinn als die POTY-Antenne, aber dies hat auf dem NB-Tranponder des QO100 (siehe hierzu Beispiel 1) keine signifikante Relevanz.

Fazit: Das prognostizierte Ergebnis mit der POTY-Antenne ist zwar nachgewiesen, liegt aber nur sehr knapp über dem Beispiel 3. Zwar wird in beiden Fällen der Reflektor nicht vollstandig beleuchtet, aber die größere Öffnungswinkel-Differenz von 15° zwischen Reflektor 1 und 3 macht sich kaum noch bemerkbar, weil das Antennendiagramm des POTY-Erregers in diesem Winkelbereich nur noch wenig Energie aufzeigt. Beim Öffnungswinkel 121° beträgt die Sendeleistung des POTY-Erregers nur -13 dB (1/20) und ist bei 135° bereits um Faktor 100 geringer und beträgt nur noch -23 dB (1/200) der Maximalleistung. Deshalb ist oberhalb von 121° Öffnungswinkel (Reflektor 1) keine signifikante Unterstrahlung mehr zu erwarten. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass die Aperturblockierung durch die konstante Reflektorfläche des POTY-Erregers beim kleineren Reflektor anteilig um ca. 78% steigt und sich negativ beim Wirkungsgrad bemerkbar macht.

Gewinn von 1-m-Parabolreflektoren mit unterschiedlichem f/D-Verhältnis

Mit den folgenden Simulationen werden 1-m-Parabolreflektoren mit unterschiedlichem f/D-Verhältnis – d. h. diese haben verschiedene Öffnungswinkel (W) und sind unterschiedlich tief – verglichen. Es wird das Verhalten von zwei vergleibaren Erregersystemen zusammen mit diesen Reflektoren untersucht:

Eine 2-Wdg.-/3-Wdg.-Helix (Design nach W1GHZ) und eine POTY-Antenne mit rundem Patch (Design nach DL6YCL).

Theoretisch ist bei allen 1-m-Parabolreflektoren ein maximaler Gewinn von 28,0 dBi bei einem Wirkungsgrad von 100 % möglich. Der erreichbare Gewinn wird maßgeblich durch das jeweilige Erregersystem und dessen Eignung für den Parabolreflektor bestimmt. Die Ergebnisse dieser akademischen Betrachtungsweise werden in der folgenden Tabelle gegenüber gestellt.

 Erreger-  System Kenndaten f/D = 0,30 W = 159°f/D = 0,35 W = 142°f/D = 0,43 W = 121°f/D = 0,50 W = 106°f/D = 0,78 W = 71°
Gain dBicGain %Gain dBicGain %Gain dBicGain %Gain dBicGain %Gain dBicGain %
Helix-Antenne3 Windungen W = 105°24.34325.15126.16426.26625.759
Helix-Antenne2 Windungen W = 119°25.05025.75926.46926.46925.252
POTY-AntennePatch, rund  W = 110°24.64625.15125.96226.16425.252

Tabelle: Möglicher Gewinn von 1-m-Parabolreflektoren (PFR) mit Helix oder POTY als Erregersystem

Die höchsten Gewinnwerte/Wirkungsgrade werden erzielt, wenn der -10-dB-Öffnungwinkel des Erregersystems mit dem Öffnungswinkel des Parabolreflektors übereinstimmt. Dies ist für diesen Fall beim f/D-Verhältnis 0,50 (bei 3 Wdg.) bzw. 0,43 (bei 2 Wdg.) mit einem Öffnungswinkel von 106° bzw. 121°. Hier hat die 2-Wdg.-Helix-Antenne mit 119° die höchste Übereinstimmung und somit den theoretisch höchsten Gewinn von 26,4 dBic – also noch 0,2 dB bzw. 0,3 dB oderhalb des 3-Wdg.-Helixerregers. Die POTY-Antenne mit 110° hat einen maximalen Gewinn von 26,1 dBic.

Im Bereich von f/D = 0,35 bis f/D = 0,50 – dieser f/D-Bereich sollte bei der Auswahl des Parabolreflektors möglichst nicht unter- oder überschritten werden – zeigen beide Erregersysteme ein mehr oder weniger gleiches Ausleuchtungs- und Gewinnverhalten. Aber an der unteren Grenze bei einem f/D-Verhältnis von 0,35 ist der erzielbare Gewinn aufgrund der Unterbelegung für beide Erregersysteme bereits um ca. 1 dB geringer. Hier wirkt sich der Vorteil des 2-Wdg.-Helixerregers aus, der hier nur ca. 0,2 dB verliert und ca. 0,7 dB mehr Gewinn als die anderen Erregersysteme zeigt.

Unterhalb des empfohlenen f/D-Bereichs bei f/D = 0,30 ist die Ausleuchtung des tiefen Reflektors noch geringer, was einen weiteren Gewinnrückgang zur Folge hat. Aufgrund des etwas größeren -10-dB-Öffnungswinkel hat die POTY-Antenne bei tiefen Parabolreflektoren einen leichten Gewinnvorteil gegenüber einer 3-Wdg.- Helix-Antenne. Der 2-Wdg.-Helixerreger hat einen um ca. 10° größeren -10-dB-Öffnungswinkel als die POTY-Antenne und leuchtet den tiefen Reflektor noch besser aus, als eine POTY-Antenne.

Oberhalb bei einem f/D = 0,78 – dies ist ein flaches Äquivalent für einen Satelliten-TV-Offset-Parabolreflektor mit einem f/D = 0,66 – ist die Überstrahlung des extrem flachen Parabolreflektors durch beide Erregersysteme sehr groß, die einen Gewinnrückgang von ca. 0,7 dB zur Folge hat. Aufgrund des etwas kleineren -10-dB-Öffnungswinkel hat die 3-Wdg.-Helix-Antenne bei flachen 1-m-Parabolreflektoren einen leichten Gewinnvorteil von ca. 0,5 dB gegenüber der POTY-Antenne. Bei einem 35-cm-Parabolreflektor wird der Gewinnvorteil der 3-Wdg.-Helixantenne noch größer und steigt um mehr als 1 dB.

Fazit: Die Ergebnisse anhand des 1-m-Parabolreflektors zeigen eindeutig, dass die Über- oder Unterstrahlung von Parabolreflektoren mit dem Durchmesser des Parabolreflektors nichts gemein hat!

Allein das f/D-Verhältnis bestimmt, ob ein bestimmtes Erregersystem den Parabolreflektor optimal ausleuchtet. Das ist im obigen Vergleich der Reflektor mit dem f/D-Verhältnis = 0,5, der bestens für den 2-Wdg.-/3-Wdg.-Helix-Erreger bzw. für die POTY-Antenne geeignet ist.

Auch ein Reflektor mit kleinerem Durchmesser (z. B. 35 cm) wird bei diesem f/D-Verhältnis = 0,5 optimal ausgeleuchtet. Der Wirkungsgrad wird in diesem Fall etwas geringer ausfallen, da die Aperturblockierung durch die konstanten Dimensionen der Erreger-Systeme in Relation zur Reflektorgröße bei einem kleineren Reflektordurchmesser zunimmt.

Untersuchungen mit Offset-Parabolreflektoren auf 2400 MHz

Nach langer Suche ist es mir endlich gelungen, die relevanten Informationen über Offset-Reflektoren im Internet zu finden. Diverse Gespräche mit anderen OM brachten in den letzten Monaten keinen informativen Fortschritt.

Im Rahmen meiner weiteren Recherchen bin ich auf die sehr interessanten Internet-Seiten von Willi, HB9PZK gestossen: https://rfantennas.wordpress.com/

Nach der Kontaktaufnahme mit HB9PZK habe ich von Willi – an der Stelle noch einmal recht vielen Dank dafür, Willi – wertvolle Tips und Hinweise bekommen. Unter anderem habe ich den wertvollen Hinweis auf die kostenlose Studentversion von dem Profitool „GRASP“ bekommen. Dieses Programm ist besonders geeignet für die Berechnungen mit Reflektor-Antennen. Unter Youtube kann man einige Tutorials zu diesem Programm finden.

Unter anderem habe ich auf Willis Seiten eine Gleichung zur Berechnung der Offsethöhe gefunden. Nun bin ich in der Lage ein hinreichend genaues Modell von Offset-Reflektoren zu erstellen und kann auf mein idealisierte Äquivalent-Modell verzichten. Zum Schluss dieser Untersuchungen werde ich einen Vergleich anstellen, der hoffentlich aufzeigt, dass die bisherigen Untersuchungen mit dem Äquivalentmodell hinreichend genau waren.

Erste Berechnungen habe mit meinem OP100 von Gibertini angestellt. Dazu habe ich alle Erregersysteme zunächst mit deren Reflektor im berechneten Brennpunkt positioniert. Mit einer 5-Wdg.-Helix (W1GHz-Design di=38,8 mm, s=27 mm) als Erregersystem wird der maximale Antennengewinn erreicht. Nach dem Design meiner CAN-Helix mit 2 Windungen (siehe weiter oben) war ich erstaunt über das gute Axialratio dieser 2-wdg.-Helixantenne, zumal man in vielen Publikationen nur Gegenteiliges lesen kann.

Gerd, DC5HN hat meine Simulationsergebnisse zuvor in der Praxis nachgewiesen. Nein, korrekterweise muss dies heissen: Das was Gerd durch seine Messungen und fachtechnischen Tüfteleien herausgefunden hat, habe ich per Simulation bestätigen können. Gerd hatte die Helix-Antenne von Hans, DK7LG nachgebaut. Die Anpassungmethode mit dem Fähnchen – diese wurde mir von Gerd und Hans detailliert beschrieben – finde ich genial. In der folgenden Tabelle werden die ersten Ergebnisse zusammengefasst dargestellt. Als Referenz wurde die POTY-Antenne mit einem 106 mm Reflektor hinzugefügt. Der bisher anhand des Äquivalentmodells festgestellte leichte Gewinnvorteil der 3-Wdg.-Helixantenne gegenüber der POTY-Antenne konnte hier nicht bestätigt werden.

Helix-ErregerGewinn in dBicdi=38,8 mms=27 mmReflektor106 mmWirkungsgrad in %Gewinn in dBicdi=38,8 mms=27 mmReflektor 125 mmWirkungsgrad in %Gewinn in dBicdi=49,0 mms=34,1 mmReflektor 106 mmWirkungsgrad in %
POTY24,652
2 Wdg.24,55024,75324,955
3 Wdg.24,65224,85423,439
3,5 Wdg.24,75324,95522,431
4 Wdg.24,95525,05721,827
5 Wdg.25,26025,36120,520

Tabelle: Gewinn von Helixerregern im Offset-Parabolreflektor OP100

Fazit: Beim Einsatz von Helix-Antennen zusammen mit Parabolreflektoren darf das Umfang/Lambda-Verhältnis nicht beliebig vergrössert werden. Im Beispiel für die 2-Wdg.-Helix wurde die Design-Frequenz 1900 MHz verwendet. Dies ist nur für 2-Wdg.-Helix optimal und führt bei Erhöhung der Windungszahl zu extremen Gewinneinbußen. Der erreichte Antennengewinn der 2-Wdg.-Helix entspricht dem einer 4-Wdg.-Helix nach W1GHZ-Design, also schon ziemlich optimal. Wenn man es sich leisten kann, bringt die Vergrösserung des Helix-Reflektors auf 1 x Lambda geringe Gewinnzuwächse. Diese Erkenntnisse sind durchaus – unter Berücksichtigung der äquivalenten Gewinnreduzierungen – auf kleinere Offset-Reflektoren übertragbar, wenn man sich mit dem Erregersystem ausserhalb des reaktiven Bereichs befindet. Hierzu wird demnächst eine weitere Untersuchung mit meinem 35-cm-Offset-Parabolreflektor erfolgen.

Untersuchungen mit dem 35-cm-Offset-Reflektor

Im Portabelbetrieb via QO100 benutze ich die erste Satelliten-Antenne, die für das Wohnmobil beschafft wurde, als Sendeantenne für den Uplink. Inzwischen gibt es für den Satellitenempfang einen 60-cm-Offset-Parabolreflektor, der auch für den Empfang von QO100 (siehe ganz vorn Bild 1) verwendet wird. Bisher habe ich diesen erfolgreich mit 10 Watt an einer POTy-Antenne betrieben.

Über diesen 35-cm-Offset-Reflektor habe ich keine Herstellerdaten. Aber die wirksame Reflektorfläche beträgt in der Breite 350 mm und in der Höhe 380 mm. Als Tiefe habe ich 31 mm gemessen. Wenn man davon ausgeht, dass die Projektion des Reflektors auf die Cosinusebene ein Kreis ist, dann kann man den Offsetwinkel des Reflektors nach der folgenden Gleichung ermitteln:

Offsetwinkel = arctan ( Breite / Höhe)

Für diesen Reflektor ergibt sich ein Offsetwinkel von 22.9°, also ~23°. Nun kann ich nach der Gleichung von John Legon die Fokuslänge bestimmen.

Brennweite = Reflektor-Breite / 16 x Tiefe x Reflektor-Höhe

Oder für den TV-SAT-Reflektor ein mittleres f/D von 0,65 unterstellen. Beide Methoden liefern eine identische Brennweite von ca. 228 mm. Anschliessend kann ich nach den Gleichungen von HB9PZK die Offsethöhe und den Brennpunktwinkel bestimmen und letztendlich mein Simulationsmodell erstellen. 

Für die in der folgenden Tabelle dargestellten Ergebnisse wurden Reflektoren ohne LNB-Öffnungen benutzt. Diese Löcher können zu leichten Gewinnreduzierungen führen, dies ändert aber nichts an den tendenziellen Ergebnissen. Die Reflektoren aller Erregersysteme wurden im Fokuspunkt des 35-cm-Offset-Reflektors positioniert.

Helix-ErregerGewinn in dBicdi=38,8 mms=27 mmReflektor106 mmWirkungsgrad in %Gewinn in dBicdi=49,0 mms=34,1 mmReflektor 75 mmWirkungsgrad in %Gewinn in dBicdi=49,0 mms=34,1 mmReflektor 106 mmWirkungsgrad in %
POTY15,546
2 Wdg.15,54616,35515,950
3 Wdg.15,24314,637
3,5 Wdg.15,14213,932
4 Wdg.15,44514,637

Tabelle: Gewinn von Helixerregern im 35-cm-Offset-Parabolreflektor 

Bewertung: Mit den Helix-Antennen (W1GHZ-Design) wird auch hier bereits bei 2 Windungen der maximale Gewinn mit 15,5 dBic erreicht, der aber identisch mit dem Gewinn einer POTY-Antenne ist. Die Helix-Antenne mit 3,5 Windungen schneidet erstaunlicherweise am schlechtesten ab. Dies wird wohl an der ungünstigeren Defokussierung liegen. Die 2-Wdg.-Helix (1900-MHz-Design) mit Innendurchmesser 49 mm und der Steigung 34,1 mm erzielt mit 15,9 dBic den höchsten Gewinn. Dieser konnte noch durch eine Reduzierung des Reflektordurchmessers auf 0,6 x Lambda um weitere 0,4 dB auf 16,3 dBic erhöht werden.

Fazit: Bei kleinen Offset-Reflektoren – hier ein 35-cm-Offset-Reflektor – befindet man sich mit längeren Helixstrukturen öffensichtlich im reaktiven Bereich und kann mit der Reflektorenposition im Brennpunkt keinen optimalen Gewinne erzielen. Zwischen beiden Reflektoren kommt es offensichtlich zu nicht definierbaren Interaktionen bzw. sind die Phasenzentren der jeweiligen Helixerreger sehr verschieden. Dies gilt es weiter zu untersuchen.

In diesem Fall hat die POTY-Antenne mit einer Phasenfront – die Ergebnisse zeigen dies – einen gravierenden Vorteil: Also kleine Offset-Reflektoren erzielen mit POTY-Antennen als Erregersystem höhere bzw. mindestens gleiche Gewinne als mit Helixerregern nach W1GHZ-Design!

Auch hier zeigt sich, dass die festgestellten Erkenntnisse der 2-Wdg.-Helix (1900-MHz-Design) im Zusammenhang mit Parabolreflektoren auch hier ihre Gültigkeit haben!

Unter üblichen Bedingungen sind Gewinnzuwächse von mehreren dB gegenüber den üblichen Helixerregern (W1GHz-Design) sind auch mit diesem 2-Wdg.-Helix-Erregersystem nicht möglich, weil beide der gleichen Physik unterliegen.

Wenn anstelle der POTY-Antenne ein 2-Wdg.-Helixerreger (1900-MHz-Design) verwendet wird, dann lässt sich mit einem optimierten Helix-Reflektor (D=75 mm) der Antennengewinn um weitere 0,4 dB auf 16,3 dBic steigern!

Dieses Ergebnis motiviert mich, für meine Portabelstation eine 2-Wdg.-Helix zu bauen und in der Praxis mit der POTY-Antenne zu vergleichen!

Wissenswertes über Helixantennen

Die Helixantenne ist eine Wendelantenne mit einem Reflektor, die überwiegend in den oberen Frequenzbereichen des Amateurfunks eingesetzt wird, um eine zirkulare Polarisation zu erzeugen. Die Polarisationsrichtung wird durch den Wickelsinn des Helixdrahtes bestimmt. Schaut man vom Reflektor in Richtung der Helixwendel, so ist bei linksdrehender zirkularer Polarisation (LHCP) der Wickelsinn des Helixdrahtes links herum. Bei rechtsdrehender zirkularer Polarisation (RHCP) ist dem entsprechend der Wickelsinn des Helixdrahtes rechts herum.

Die Eingangsimpedanz einer Helixantenne verhält sich weit unterhalb der Arbeitsfrequenz prinzipiell wie eine Hochfrequenzleitung im Leerlauf, das heisst, dass sich niederohmige Serienresonanzen und hochohmige Parallelresonanzen des Helixdrahtes mit steigender Frequenz abwechseln, bis die Helixantenne dann irgenwann – das ist ca. 30 % unterhalb der designten Arbeitsfrequenz – in den stabilen Axialmode übergeht und dann axial zirkular abstrahlt. 

Helixantennen haben eine sehr grosse Bandbreite ca. +/- 30 % der Arbeitsfrequenz bei der die Eingangsimpedanz niederohmig und annähernd konstant ist.

            G (dBic) = 10*log [15 *(Umfang/Lambda)*Windungszahl *Steigung/Lambda

Alle Helix-Kalkulatoren im Internet und viele Afu-Fachpublikationen (Rothammel etc.) – manchmal auch bekannte Antennenhersteller – benutzen diese Formel, um den Gewinn von Helixantennen zu bestimmen. Auch ältere realisierte Helixantenne-Projekte geben viel zu hohe Gewinne nach dieser Formel an.

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 die meisten zeigen alle viel zu hohe Gewinne an und ganz besonders für längere Helixantennen. Seriösere Berechnungstools begrenzen die Eingabe der Windungszahl auf maximal 20 Windungen. Früher habe ich mich darüber gewundert, aber inzwischen weiss ich, dass dies sinnvoll ist (siehe hierzu auch Tabelle 1a). 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.

Auch ich habe vor ca. 40 Jahren den Gewinnangaben dieser Formel vertraut und mir eine 28-Wdg.-Helixantenne gebaut (siehe Bild 3), die ich inzwischen aber auf 18 Windungen gekürzt habe.

Mechanische Kenngrößen von Helixantennen

Wendelumfang / Wendeldurchmesser

Der Umfang der Helixwendel soll Lambda x Pi x Verkürzungsfaktor sein, also ungefähr Lambda x Pi. Daraus resultiert ein Wendeldurchmesser von ca. 0,31 x Lambda. Bei 2400 MHz sind das ca. 38,8 mm (W1GHZ-Design). Es soll ein Wendelumfang bis zu 1,25 x Lambda zulässig sein. Dies entspricht einem maximalen Wendelinnendurchmesser von ca. 49 mm bei 1 mm Drahtstärke.

Wenn man den Wendeldurchmesser vergrößert, steigt der Gewinn der Helix-Antenne. Wie sich dies im Zusammenhang mit einem Parabolreflektor auswirkt, müsste für jeden Einzelfall untersucht werden.

Steigungswinkel

Der Steigungswinkel bestimmt den Wicklungsabstand. Dieser soll zwischen 12° und 15° betragen. Zugelassen sind 6° bis 24° und üblich sind 14° entsprechend 0,24 x Lambda. Bei 2400 MHz sind das ca. 30 mm.

Reflektordurchmesser

Der Reflektordurchmesser einer Helixantenne soll mindestens 0,5 x Lambda bzw. 2 x Innendurchmesser des Wendels betragen. Bei 2400 MHz wären das ca. 62.5 mm für Lambda/2 bzw. 2 x 38,8 mm = 77,6 mm (Wendeldurchmesser nach W1GHZ-Design). Also wird der minmale Reflektordurchmesser durch den Wendeldurchmesser bestimmt. Ein großer Reflektor erhöht den Gewinn einer Helixantenne, ist aber im Zusammenhang mit Parabolreflektoren wegen der zunehmenden Aperturblockierung eher hinderlich. Für den jeweiligen Parabolreflektor – besonders bei kleineren Reflektoren – sollte jeweils das Optimum ermittelt werden. Ohne Reflektor funktioniert eine Helixantenne nicht.

Drahtdurchmesser

Der Wendeldrahtdurchmesser soll nach einigen Publikationen mindestens 0,01 x Lambda und nach anderen mindestens 0,02 x Lambda sein, also mindestens 1,5 mm bis 2,5 mm bei 2400 MHz betragen. Meine Helix-Antenne mit 2 mm Drahtdurchmesser funktioniert hervorragend. Auch dünnere Drahtdurchmesser haben sich in anderen Applikationen bewährt.

Elektrische Kenngrößen von Helixantennen

Die elektrischen Kenngrößen einer Helixantenne werden durch die mechanischen Kenngrößen vorgegeben. Der Nachbau einer Helix-Antenne selbst ist ziemlich unkritisch. Den Drahtdurchmesser, die Helixsteigung, den Helixdurchmesser und den Reflektordurchmesser kann man durchaus variieren. Man sollte aber wissen bzw. untersuchen, welche Auswirkungen dies zusammen mit Parabolreflektoren haben könnte. Wenn man aber eine Helixantenne mit bestimmten Kenndaten haben möchte, sollten die Design-Vorgaben schon eingehalten werden.

Eingangsimpedanz von Helixantennen

Helixantennen haben im Axialmode – das ist der Mode in dem wir sie betreiben – eine sehr große Bandbreite von ca. +/- 30 %, das heißt z. B. bei einer Mittenfrequenz 2400 MHz mindestens von 1700 MHz bis 3100 MHz. In diesem großen Bandbreitebereich ist die Einganzimpedanz relativ konstant und bewegt sich ab 3 Windungen bei einem 3-mm-Draht ca. 3 mm über dem Reflektor in diesem Frequenzbereich von 60 Ohm (VSWR 1,2) bis ca. 160 Ohm (VSWR 3,2). Dies bedeutet, dass eine Anpassung erforderlich ist, die in den meisten Fällen die hohe Bandbreite der Helixantenne reduziert. Es gibt viele Anpassungsvarianten, aber überwiegend wird die breitbandige Lambda/4-Leitungstransformation in unterschiedlichen konstruktiven Ausführungen benutzt.

Der Kurvenverlauf der Eingangsimpedanz wird bei Helixantennen mit mehr als 2 Windungen in erster Linie durch die Drahtlänge der Wendel bestimmt (siehe Bild 1). Obwohl 2400-MHz-Helixantennen mehrere hundert MHz Bandbreite haben, wird der selektive S11-Verlauf, der durch die frequenzabhängige Lambda/4-Transformationsleitung verursacht wird, in diversen Publikationen fälschlicherweise als „Resonanzfrequenz“ oder „Resonanzpunkt“ der Helixantenne bezeichnet.

Es handelt sich hierbei lediglich um den Anpassungsverlauf. Dieser sollte mit seinem Maximum selbstverständlich auf der gewünschten Arbeitfrequenz liegen. Ist das nicht der Fall, so hat dies keinen negativen Einfluß auf das Verhalten der Helixantenne, weil nur die Anpassung nicht optimal ist. Der S11-Wert sollte möglichst hoch sein, hat aber keinen negativen Einfluß auf die Helix-Kennwerte, wenn dieser z. B. nur 20 dB statt 24 dB beträgt.

Hinweis: Die Anpassung der Eingangsimpedanz – es gibt im breitbandigen Axialmode keine „Resonanzpunkte / Resonanzfrequenzen“ – einer Helixantenne sollte deshalb immer nur am Speisepunkt bzw. an der Lambda/4- Transformationsleitung oder anderen Anpassungselementen erfolgen!

Die Eingangsimpedanz einer Helixantenne hängt im Axialmode von vielen Faktoren (u. a. Wendeldurchmesser, Steigung, Reflektorgröße etc.) ab, aber hauptsächlich wird diese durch die Drahtstärke des Wendels und dessen Abstand zum Reflektor bestimmt.

Die durchgeführten Untersuchungen beziehen auf Helixantennen mit 38,8 mm Durchmesser, 12,5° Steigung, 3 mm Drahtstärke und 0,8 x Lambda Reflektordurchmesser. Das folgende Bild 1 zeigt, dass die 3-Wdg-Helix bereits ein „Sonderfall“ ist und ein etwas abweichendes Impedanzverhalten als die anderen Helixantennen zeigt. Noch extremer verhält sich die Eingangsimpedanz einer 2-Wdg.-Helixantenne. Aber ab 4 Windungen zeigt der Verlauf der Eingangsimpedanz ein bestimmtes Verhalten. Pro zusätzlicher Windung wird die Wendellänge einer Helixantenne um 1 x Lambda verlängert.

Die ganzzahligen Windungszahlen – hier 4 und 6 Windungen – zeigen bei 2400 MHz ein nahezu gleiches Impedanzverhalten, dessen Wert dann maßgeblich durch den Drahtabstand zum Reflektor bestimmt wird (siehe hierzu auch Bild 2). Das gleiche Impedanzverhalten zeigten auch die ungradzahligen Windungszahlen – hier 5 und 7 Windungen -, aber insgesamt ca. 20 Ohm niederohmiger. Der Blindwiderstand hat einen vergleichbaren Verlauf und ist im relevanten Frequenzbereich kapazitiv und hat je nach Drahtabstand Werte zwischen ca. 15 Ohm und 35 Ohm. 

Dieses tendenzielle Verhalten der Eingangsimpedanz von Helixantennen wurde nur auf einer weiteren Frequenz – selbstverständlich mit anderen Impedanzwerten – ebenfalls nachgewiesen. Eine allgemeine Gültigkeit dieses Verhaltens von Helixantennen wurde nicht untersucht.

Bild 1: Verlauf der Eingangsimpedanzen von 2400-MHz-Helixantennen mit 3 mm Drahtstärke und 1 mm Abstand

Das folgende Bild 2 zeigt beispielhaft, dass z. B. der Impedanzverlauf einer 4-Wdg.-Helixantenne mit 3 mm Drahtdurchmesser, dieser wird ja maßgeblich durch Wendellänge / Windungszahl bestimmt, auch bei verschiedenen Abständen erhalten bleibt. Die Eingangsimpedanz einer Helixantenne steigt proportional mit dem Drahtabstand zum Reflektor.

Die anderen Helix-Kennwerte, wie z. B. der Gewinn und der Öffnungswinkel, werden durch die Abstandsvariation nicht beeinflusst!

Man kann also durch mechanische Höhenveränderungen (Abgleich) die passende Eingangsimpedanz für die Lambda/4-Transformationsleitung finden, um die gewünschten 50 Ohm an der Anschlussbuchse der Helixantenne zu erhalten.

Bild 2: Eingangsimpedanz einer 4-Wdg.-Helix für 2400 MHz bei verschiedenen Drahtabständen zum Reflektor

Gewinn und Öffnungswinkel von Helixantennen

Der Gewinn und der Öffnungswinkel einer Helixantenne im Axialmode wird maßgeblich durch die Windungszahl = Drahtlänge, den Wendeldurchmesser und die Steigung der Wendel bestimmt. Der Öffnungswinkel verhält sich reziprok zum Antennengewinn. Bei steigender Windungszahl erhöht sich der Gewinn bei gleichzeitiger Reduzierung des Öffnungswinkels.

Auch der Wendeldurchmesser hat einen nicht unerheblichen Einfluß auf den Gewinn einer Helixantenne. Nach der Gewinnformel von Kraus geht das Verhältnis Umfang / Wellenlänge quadratisch in die Berechnung ein. Somit können zwei Helix-Antenne mit gleicher Windungszahl, aber unterschiedlichem Wendeldurchmesser durchaus einen unterschiedlichen Gewinn aufzeigen. Proportional zum Wendeldurchmesser steigt der Gewinn bei gleichzeitiger Reduzierung des Öffnungswinkels. Diesen Sachverhalt sollte man im Zusammenhang mit der Anwendung in Parabolreflektoren unbedingt berücksichtigen.

Auch die Reflektorform und Reflektorgröße haben einen nicht unerheblichen Einfluß auf den Gewinn.

– wird fortgesetzt –

Helix-Antenne mit 2 Windungen

In der einschlägigen Fachliteratur über Helixantennen kann man immer wieder lesen, dass die Eingangsimpedanz einer Helixantenne ca. 136 Ohm x Umfang/Wellenlänge (Rothammel) bzw. 140 Ohm x Umfang/Wellenlänge (Wikipedia) beträgt. Dieses nahezu konstante Verhalten der Eingangimpedanz gilt annähernd nur für eine Helix mit 2 Windungen.

Bei allen anderen Helixantennen mit mehr als 2 Windungen gilt, dass die Eingangsimpedanz wellenförmig als eine Funktion der Frequenz verläuft und diese Impedanzwerte nur die halbe Wahrheit sind. Denn diese beziehen sich nur auf bestimmte dazugehörige Drahtstärken und Abstände zum Reflektor und führen eventuell für das eigene Design zu weniger optimalen Lambda/4-Transformationsimpedanzen von 82,5 Ohm bzw. 83,7 Ohm. Meistens hat man keine Berechnungsformel für die Leitungsimpedanz und kennt nur die Lambda/4-Leitungslänge. Bewährt hat sich für 2400 MHz ein kleines Transformations-Blech mit ca. 32 mm x 9 mm.

Auch kann man immer wieder lesen, dass eine Helix-Antenne mindestens 3 Windungen haben sollte. Untersuchungen haben ergeben, dass dies für eine gute zirkulare Abstrahlung nicht erforderlich ist!!!

Die Forderung nach mindestens 3 Windungen basiert nach meinen Recherchen darauf, dass nur dann die Design-Formeln nach Kraus ihre Anwendbarkeit behalten. Da diese Formeln bekanntermassen von der realen Physik abweichen, können wir getrost diese Forderung nach mindestens 3 Windungen missachten.

Hinweis: Eine 2-Wdg.-Helixantenne hat ein wesentlich besseres und breitbandigeres Axialratio als die POTY-Antenne!!!

Bild 3: Eingangsimpedanz einer 2-Wdg.-Helix

Achtung: Man findet im Internet und bekannten Afu-Publikationen Hinweise und Anleitungen, dass die Anpassung von Helixantennen über eine Veränderung der Wendellänge optimiert wird. Selbstverständlich lässt sich die Anpassung bei einer Helixantenne ab 3 Windungen über die Veränderung der Wendellänge in gewissen kleinen Grenzen variieren (siehe Bild 1), aber dies sollte man unterlassen, weil dann auch die spezifizierten Kennwerte der Helixantenne ebenfalls verändert werden!!!

Axialratio der Zirkularpolarisation

Das Axialratio von zirkular polarisierten Antennen beschreibt die Form des Antennendiagramms bei Zirkularpolarisation. Das ideale Antennendiagramm der Zirkularpolarisation ist kreisrund. Mathematisch wird dies durch das logarithmische Verhältnis der Hauptachse / Nebenachse beschrieben.

AR = 20 x log (Hauptachse (Major) / Nebenachse (Minor))

Bei einem kreisförmigen Antennendiagramm sind beide Achsenwerte gleich, also mit Ergebnis 1 entsprechend 0 dB. Bei einem Wert von 6 dB hat die Nebenachse nur noch die halbe Amplitude. Man spricht dann auch von elliptischer Polarisation. Bei sehr hohen dB-Werten kann man eher von linearer Polarisation sprechen.

Die folgende Tabelle zeigt das simulierte Axialratio von einigen Erregersystemen für Q0100 für deren jeweiligen -3-dB-Winkel. Es ist zu erkennen, dass Helix- Antennen ein sehr gutes Axialratio aufzeigen und dies wesentlich breitbandiger als bei Patch-Antennen ist.

ErregersystemGaindBic-3-dB-WinkelGrad-10-dB-WinkelGradAR(dB)@2350 MHzAR(dB)@2400 MHzAR(dB)@2450 MHz
POTY-Antenne9,3601108,25,410,8
2-GAP-POTY9,4601107,42,29,1
CAN-Feed8,4711402,60,74,9
2-Wdg.-Helix8,7661191,11,01,1
3-Wdg.-Helix9,6581053,13,03,2

Tabelle 3a: Axialratio von Erregersystemen bei der 3-dB-Halbwertsbreite

RHCP-Helixantennen für den QO100-Uplink

Soll eine Helixantenne ohne Parabolreflektor verwendet werden, dann sollte der Helix-Reflektor möglichst groß sein, damit ein optimaler Antennengewinn und ein hohes Vor-/Rückverhältnis erzielt werden kann. 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 annähernd vergleichbar. Mit einer 4er-Helixgruppe können ca. 18 dBic erreicht werden.

Hinweis: Einzelne Helixantennen mit üblichen Reflektoren (0.75 bis 1 x Lambda) und mit Gewinnangaben >= 18 dBic können getrost der Kategorie „Wunderantennen“ zugeordnet werden und deren Erwerb/Nachbau sollte man deshalb nicht in Erwägung ziehen. Die Helixantenne in Bild 3 (28 Windungen) habe ich vor ca. 35 Jahren nach den verfügbaren Literaturangaben gebaut. Mit den aktuellen Erfahrungen/Kenntnissen würde ich dieses Projekt nicht mehr realisieren. Inzwischen wurde diese Eigenbau-Helixantenne ohne erkennbare Gewinneinbuße auf 18 Windungen reduziert.

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
4016.91428-6.5ca. 1250ca. 10

Tabelle 1a: Gewinn von RHCP-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, 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.

Gedankenspiele zur Anwendung von Helix-Erregern in Parabolreflektoren

Aufgrund der vielfältigen f/D-Verhältnisse sind die Formen von Parabolreflektoren sind sehr unterschiedlich ausgeprägt. Bei Prime-Focus-Reflektoren (PFR) ist das f/D-Verhältnis mit einem bestimmten Öffnungswinkel verknüpft. Der -10-dB-Öffnungswinkel des verwendeten Helix-Erregersystems sollte mit diesem Öffnungswinkel übereinstimmen oder etwas größer sein, wenn ein Parabolreflektor optimal ausgeleuchtet werden soll und der größtmögliche Gewinn erreicht werden soll.

Bei TV-Offset-Reflektoren sind die Unterschiede nicht so stark, das diese zusammen mit den LNB (Erregersystem) aller Hersteller funktionieren müssen. Hier betragen die Öffnungswinkel der Offset-Reflektoren im Mittel ca. 75°. Für diesen Wert sind Helix-Erregersysteme optimal geeignet, da diese u, a. über die Windungszahl und den Wendeldurchmesser darauf optimiert werden können.

Beispiel: Ein OM möchte die Aperturblockierung seines LNB von ca. 2 dB durch den Helixwendel reduzieren. Er hat ein Helix-Erregersystem mit 3 Windungen (W1GHZ-Design) und 3 mm Drahtstärke.

Er beschliesst den Drahtdurchmesser von 3 mm auf 2 mm zu reduzieren und den Durchmesser seines Wendels von ca. 39 mm auf ca. 45 mm zu erhöhen. Als die modifizierte Helix-Antenne im Antennensystem getestet wird, stellt er zu seiner Freude fest, dass die Aperturblockierung sich kaum noch bemerkbar macht und zu seiner Überraschung stellt er ebenfalls fest, dass sein Sendesignal via QO100 ein wenig stärker geworden ist.

Erklärung: Ein 3-Wdg.-Helix-Erregersystem hat einen -10-dB-Öffnungswinkel von ca. 104° (W1GHZ-Design), das den Offset-Parabol mit ca. 75° Öffnungswinkel weit überstrahlt. Nun wurde der Wendeldurchmesser von ca, 39 mm auf ca. 45 mm erhöht. Dies hat eine Gewinnerhöhung und eine damit einhergehende Reduzierung des -10-dB-Öffnungswinkels zur Folge, d. h. der Offset-Parabolreflektor wird besser augeleuchtet, obwohl das Helix-Erregersystem weiterhin 3 Windungen hat.

Fazit: Stellt man nach der Vergrößerung des Wendeldurchmessers des Helix-Erregersystems fest, dass das eigene Sendesignal via QO100 stärker zurück kommt, so kann man getrost davon ausgehen, dass dieses Erregersystem für den Offset-Reflektor nicht optimal war. In diesem Fall sollte man es mal mit einer Windung mehr probieren.

Wenn nach einer Vergrößerung des Wendeldurchmessers des Helix-Erregersystems feststellt wird, dass das eigene Sendesignal via QO100 schwächer zurück kommt, so kann man getrost davon ausgehen, dass dieses Erregersystem für den Offset-Reflektor nicht optimal bzw. nur mit dem vorherigen Wendeldurchmesser optimal war. In diesem Fall sollte man es mal mit einer  Windung weniger probieren.

Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft die Kenndaten einer 2-Wdg.-Helixantenne mit 3 mm Drahtstärke und einem 106 mm Reflektor für drei verschiedene Wendeldurchmesser. Diese Abmessungen entsprechen den Design-Frequenzen 1800 MHz, 2000 MHz und 2400 MHz. Die Kenndaten wurden für die Arbeitsfrequenz 2400 MHz ermittelt.

 Design-  FrequenzMHzInnen-Durchmessermm Steigung mmArbeits-FrequenzMHz Gain dBic-3-dB-WinkelGrad-10-dB-   Winkel GradÄquival.   f/D-       Verhältnis  
240038,827,024008,9~63~1200,44
200046,632,424009,4~67~1120,47
180051,736,624009,9~57~1010,53

Tabelle 1: Kenndaten eines 2-Wdg.-Helixerregers für 2400 MHz bei verschiedenen Durchmessern

Ob sich dieses Verhalten bei der Ausleuchtung von Prime-Focus-Reflektoren (PFR) oder Offset-Parabolreflektoren widerspiegelt, muss für den Einzelfall noch untersucht werden.

Inzwischen wurden erste Simulationen mit Offset-Parabolreflektoren durchgeführt. Auch an dieser Stelle möchte ich mich noch einmal bei Willi, HB9PZK bedanken, der mir mit seinen Informationen ermöglicht hat, Offset-Parabolreflektoren zu modellieren. Zunächst möchte ich vorab die Ergebnisse zusammenfassend darstellen:

Achtung: Man darf den Durchmesser von Helixerregern für Parabolreflektoren mit mehr als 2 Windungen abweichend von den Design-Regeln (z. B. nach W1GHZ) nicht beliebig vergrössern!

Die erstem Simulationen wurden zusammen mit einem OP100-Modell durchgeführt. Es wurde nicht auf das jeweilge „Phasenzentrum“ der Helixerreger optimiert, sondern es wurde jeweils der Helixreflektor im Brennpunkt positioniert.

Der maximale Gewinn für diesen Offset-Reflektor wurde mit einem Helixerreger von 5 Windungen (W1GHZ-Design) ermittelt. Wird der Wendelinnendurchmesser abweichend von den Design-Regeln (W1GHZ) auf ca. 50 mm erweitert, so wird der maximale Gewinn nur mit 2 Windungen erreicht. Dieser liegt ca. 0.2 dB unterhalb des maximalen Gewinns und entspricht dem eines Helixerregers mit 4 Windungen. Bei Helixerregern mit ca. 50 mm Innendurchmesser geht oberhalb von 2 Windungen der Gewinn letztendlich bei 5 Windungen um ca. 5 dB vom erreichbaren maximalen Gewinn zurück.

– wird fortgesetzt – 

LHCP-Helixantennen als Erregersystem für Parabolreflektoren

Soll eine Helixantenne als Erregersystem für einen Parabolreflektor verwendet werden, dann sollte der Helix-Reflektor möglichst klein sein, damit die Aperturblockierung des Parabolreflektors möglichst gering ist.

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 2 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 u.a. 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-Öffnungswinkel 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 2 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-Winkelin Grad-10-dB-Winkelin GradÄquivalentes f/D-Verhältnisbezogen auf PFR
POTY9,3601100.48
28.966119~0,44
39,6581040,51
410,55491~0,6
511,249810,66
611,746760,72
712,243710,78
812,741650,85

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

Theoretische 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 für PF-Reflektoren 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 Design-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. 2 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.

1. Nachtrag: Meine Simulationen haben inzwischen ergeben, dass an einem PFR-Äquivalent für einen Offset-Parabolreflektor mit f/D=0.78 mit 94 cm Durchmesser ein Helixerreger mit 5,5 Windungen (W1GHZ-Design) den maximalen Antennengewinn bringt. Dies Ergebnis liegt schon sehr nahe an dem obigen theoretischen Ergebnis mit 6 Windungen!

2. Nachtrag: Nun konnte erstmals mit einem OP100-Offset-Modell simuliert werden. Der maximale Antennengewinn wurde bei 5 (pragmatische Betrachtung) bzw. 5,25 (sehr akademische Betrachtung) Windungen (W1GHZ-Design) erreicht. Das Ergebnis zeigt, das für diesen Fall die Verwendung eines PFR-Äquivalents hinreichend genau war.

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 optimal designter 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

Antennengewinn und Wirkungsgrad von Parabolreflektor-Antennensystemen

Inzwischen habe ich u. a. einige Untersuchungen an unterschiedlichen Helixantennen- und POTY-Antennen-Konfigurationen zusammen mit einem äquivalenten Primärfokus-Parabolreflektor durchgeführt. Es wurde das PFR-Äquivalent (f/D = 0.78) eines Gibertini OP100 Offsetreflektors (f/D = 0.66) mit einer Brennweite F = 733 mm und einem Durchmesser von 940 mm verwendet. Dieses Äquivalentmodell entspricht vom Reflektordurchmesser und der Reflektortiefe einem Offsetreflektor. Der Unterschied besteht darin, dass dieser eine Aperturblockierung hat und die Kanten symmetrisch beleuchtet werden.

Ich gehe davon aus, dass dieses Modell hinreichend genaue Ergebnisse liefert. Diese sind auf alle Reflektorgrößen mit einem f/D = 0,66 mit ihren Relationen übertragbar. Die Erreger-Systeme wurden jeweils in der Nähe der theoretischen Brennweite so positioniert, dass sich zusammen mit dem Parabolreflektor der maximale Antennengewinn ergab.

Das PFR-Äquivalent mit 940 mm Reflektordurchmesser hat einen theoretisch maximalen Antennengewinn von 27,5 dBi bei einem Wirkungsgrad von 100 %. In der Amateurfunkpraxis geht man davon aus, dass mit den verfügbaren Erregersystemen zusammen mit einem PFR-Reflektor in der Regel ein Wirkungsgrad von ca. 55 % (hier ca. 25 dBi) erreicht wird.

Bei Offset-Parabol-Reflektoren ist aufgrund der nicht vorhandenen Aperturblockierung durch das Erregersystem und deren Halterungs-Mechanik deshalb von höheren Wirkungsgraden bis ca. 70 % (hier ca. 26 dBi) auszugehen.

Antennengewinn und Wirkungsgrad mit Helix-Erregern

Es wurden Helix-Antennen mit 3, 4, 5 und 6 Windungen auf Basis der W1GHZ-Empfehlungen (3 mm Drahtdurchmesser, Windungsbeginn 4 mm oberhalb des Reflektors, Steigung 12,5° etc.) modelliert. Ein Modell wurde für 2200 MHz (di = 42,3 mm) – mit der Hoffnung und Erwartung, dass die Aperturblockierung des LNB ein wenig reduziert wird – und ein zweites für 2400 MHz (di = 38,8) designed. Es zeigten sich keine signifikanten Unterschiede bei den Gewinnwerten.

wird fortgesetzt …

Vergleich POTY-Antenne vs 3-Wdg-Helixerreger

Aufgrund der vielen sich zum Teil widersprechenden und physikalisch nicht möglichen Gewinn-Differenzen zwischen einer POTY-Antenne und einer 3-Wdg-Helixantenne wurden diese zusammen mit dem PFR-Äquivalent untersucht.

Grundsätzliches: Es kann in der Praxis vorkommen, dass ein OM einen mehrere dB höheren Gewinn bei einer Helixantenne beobachtet, als bei einer POTY-Antenne oder umgekehrt. Dies möchte ich niemanden absprechen, obwohl in den meisten Fällen diese Werte indirekt durch Vergleiche ermittelt, aber nicht wirklich gemessen wurden. Aber allein schon deshalb daraus abzuleiten und zu propagieren, dass eine 3-Wdg-Helixantenne zusammen mit dem Parabolreflektor z. B. einen 3 dB einen höheren Gewinn habe als eine POTY-Antenne, ist erstens unzulässig – weil unseriös – und zweitens physikalisch gar nicht möglich.

Merkwürdigerweise wird in fast allen Vergleichen von vielen OM der Wert 3 dB genannt. Wenn ich diesen Wert höre, dann „klingelt“ es bei mir sofort, weil ich weiss, wie zirkulare Patch-Antennen funktionieren.

Auch wenn ich mich vielleicht wiederhole, möchte ich dennoch an dieser Stelle noch einmal darauf hinweisen:

Eine POTY-Antenne kann super angepasst, aber dennoch suboptimal abgeglichen sein! Im Extremfall wird die gesamte Leistung entweder nur von der horizontalen oder nur von der vertikalen Komponente, also linear polarisiert abgestrahlt. Da wir im QO100-Uplink zirkular polarisiert sein sollten, zeigt sich in dieser Situation ein theoretischer Signalverlust von -3 dB. In der Praxis kann dieser Wert bei einer gut oder schlecht abgeglichenen POTY-Antenne irgendwo zwischen 0 dB (optimal) bis -3 dB (suboptimal) liegen.

Haarsträubend finde ich das Argument, in dem diese 3-dB-Differenz mit der größeren Überstrahlung der POTY-Antenne begründet wird. Ein 3-Wdg-Helix-Erreger hat einen -10-dB-Öffnungswinkel von ca. 104° und die POTY-Antenne einen von ca. 110°. Wie soll in einem Bereich von 6°, in dem die Strahlungsleistung bereits auf ein Zehntel (-10 dB) zurückgegangen ist, noch die Hälfte der Strahlungsleistung (-3 dB) am Parabolreflektor vorbeigestrahlt werden können? Das ist physikalisch nicht möglich, also sind diese Angaben erstens irreführend und zweitens nicht korrekt.

Die folgende Tabelle zeigt – wie erwartet und schon immer gesagt – dass ein Helix-Erreger bei den simulierten Gewinnwerten einen kleinen Vorteil von 0,5 dB gegenüber der POTY-Antenne hat. Dieser ist aber weit von den „legendären“ 3 dB entfernt.

Diese Differenz ist aufgrund der Pegelschwankungen bei einem Pegelvergleich via Web-SDR nicht wirklich feststellbar!

Erreger-System-10-dB-Öffnungswinkel in GradSimulierte Gain in dBiWirkungsgradGain-Differenz in dBi
POTY-Antenne110°24,854 %-0,5
3-Wdg-Helix104°25,360 %0

Tabelle: Vergleich POTY-Antenne versus 3-Wdg-Helix-Erreger im PFR-Äquivalent mit f/D = 0,78 und Gmax = 27,5 dBi

Nachtrag: Erste Simulationen mit einem OP100-Offset-Modell zeigen, dass die Gewinnwerte für die POTY-Antenne und ein 3-Wdg.-Helixerreger vergleichbar sind. Es wurden jeweils die Reflektoren der Erregersysteme im Brennpunkt positioniert.

Welches Erregersystem ist für meinen Parabolreflektor optimal geeignet?

Eine generelle Antwort lautet: Alle Erregersysteme, die die Fläche des Parabolreflektors voll ausleuchten sind geeignet!

Es gibt zunächst Primärfokus-Reflektoren und TV-Offset-Reflektoren. Alle Offset-Reflektoren haben annähern ein f/D-Verhältnis von ungefähr 0,65, das einem Beleuchtungswinkel von ca. 70° entspricht. Ein Erregersystem mit >= 70°- Öffnungswinkel ist somit für alle TV-Offset-Reflektoren geeignet. Der beste Systemwirkungsgrad wird bei Übereinstimmung der Öffnungswinkel erreicht.

Bei den Primärfokus-Reflektoren ist der Sachverhalt schon ein wenig komplexer: Es gibt sehr tiefe Reflektoren mit kleinem f/D-Verhältnis (z. B. 0,29), die für die optimale Ausleuchtung ein Erregersystem mit einem Öffnungswinkel von 163° benötigen und flachere Reflektoren mit großem f/D-Verhältnis (z. B. 0,50), die ein Erregersystem mit einem kleineren Öffnungswinkel von ca. 106° erfordern. Hier sollte bei der Auswahl eines Parabolreflektors schon darauf geachtet werden, ob für das f/D-Verhältnis ein geeignetes Erregersystem verfügbar ist bzw. eines selbst hergestellt werden kann.

Beispiel: Ein OM hat einen 2-m-Offset-Reflektor mit einer POTY-Antenne als Erregersystem, die einen Systemwirkungsgrad von 60 % hat, der ein Antennensystemgewinn von 31,8 dB bedeutet. Er kann nun kostenlos einen tiefen 3-m-Primärfokus-Reflektor (f/D = 0,29) bekommen. Theoretisch betrachtet, ermöglicht der größere Reflektor einen maximalen Gewinnzuwachs von ca. 3,5 dB, wenn der Wirkungsgrad von 60 % erhalten bleibt oder mehr als 3,5 dB, wenn der Wirkungsgrad mit einem geeigneteren Erregersystem erhöht werden kann.

In Ermangelung eines geeigneten Erregersystems möchte er den 3-m-Parabolreflektor (erforderlicher Öffnungswinkel 163°) zunächst weiterhin mit seiner POTY-Antenne (Öffnungswinkel 110°) ausleuchten. Man kann schon anhand der großen Differenz der Winkelwerte erkennen, dass der Reflektorrand des 3-m-Reflektors nicht mehr ausreichend beleuchtet wird. Der Systemwirkungsgrad sinkt dadurch auf 39 %, der einen Antennensystemgewinn von nur 33,4 dB zur Folge hat. Statt der möglichen 3,5 dB gibt es einen Gewinnzuwachs von 1,6 dB. Dieser Antennengewinn hätte auch mit einem 2,4-m-Offset-Reflektor erreicht werden können.

Wird ein kleiner Parabolreflektor überstrahlt?

Die Frage, ob mein vorhandenes Erregersystem, z. B. eine POTY- oder Helix-Antenne, einen kleineren Parabolreflektor mehr als einen größeren überstrahlt oder ein größerer Parabolreflektor nicht mehr vollständig ausgeleuchtet wird, stellt sich so nicht! Denn wenn das f/D-Verhältnis eines Parabolreflektors gleich bleibt, ist der Durchmesser des Reflektors für ein geeignetes Erregersystem nicht relevant.

Hinweis: Ein für das f/D-Verhältnis des aktuellen Parabolreflektors optimiertes bzw. geeignetes Erregersystem wird alle anderen Reflektorgrössen mit diesem f/D-Verhältnis mit dem gleichen Wirkungsgrad ausleuchten!

Dies bedeutet, dass der Antennengewinn analog zum Durchmesser-Verhältnis bei größeren Reflektoren zunimmt und bei kleineren abnimmt. Eine durch das Erregersystem eventuell verursachte Unter- oder Überstrahlung der Reflektoren bleibt ebenfalls anteilig gleich.

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 Offset-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- und Rückstrahlungs-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 18) 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

Seit dem Einzug der 3D-Drucker nutzen einige OM diesen auch für die Herstellung von dielektrischen Linsen für die Poty-Antenne. Die Ergebnisse sind weitaus besser als man erwarten würde. Das liegt sehr wahrscheinlich daran, dass beim 3D-Druck mikroskopisch kleine Luftblasen eingeschlossen werden und diese dann das effektive er reduzieren, aber keinen bzw. nur einen marginalen Einfluss auf die Strahlenbrechung haben.

Ob die gedruckten Linsen unter Wettereinflüssen – ABS hat z. B. eine sehr niegrige UV-Resistenz – ihre Kennwerte behalten, wird die Zeit zeigen.

Typische Materialien für die 3D-Druck-Filamente sind u. a. PE, PET, PLA und ABS. Unter der Voraussetzung, dass die o. g. Daten einer Internet-Recherche stimmen, müsste man mit PE eigentlich die besten Ergebnisse erhalten, wenn der Einfluss der Lufteinschlüsse nahezu materialunabhängig ist.

PA6 und PETG sollte man allein schon wegen der hohen dielektrische Verluste nicht verwenden, denn diese wirken sich u. a. erkennbar negativ auf den Gewinn der Linse aus.

– in Bearbeitung, wird fortgesetzt –

Einfachte 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 eine S-Stufe (6 dB) leiser als die CW-Bakensignalpegel. Für diesen geringen und preiswerten Aufwand schon ein stattliches Signal.

Hinweis: Bei linearer Polarisation ist die Pegelangabe der Sendeleistung um 3 dB zu reduzieren!

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