Satelliet Antennes enige Tips


Enige tips in verband met het koppelen van lineaire antennes ter verkrijging van circulaire polarisatie, berekening van de 1/4 Lamba delen en de bevestiging en bepaling van de richting van de draaing.

KOPPELEN VAN LINEAIRE ANTENNES : R/L-HCP

Daar ik nog enige ( lineaire ) antennes liggen had vroeg ik mij af of ik geen combinatie kon maken ermee ( bestemd voor toepassing circulaire polarisatie ).
Al zeer snel bleek mij dat dit uitstekend kan ( ARRL antenne handboek - Rothammel ).

ELEKTRISCH : KEUZE VAN DE KABEL IMPEDANTIE

De impedanties van de twee toegepaste antennes in het voedingspunt moeten parallel worden gedacht, voor twee antennes met een impedantie van 52 ohm elk komt men nu uit op 26 ohm. Echter op dit punt van 'samenkomst' moet men juist 52 ohm vinden.
Met betrekking tot de aanpas leidingen ( 1/4 lambda of ONEVEN veelvoud ) geldt nu dat we impedantie transformatie toepassen met een uitkomst van 104 ohm. Immers parallel gedacht geeft dit een impedantie van 52 ohm.

We kunnen dan bijvoorbeeld RG 11/U gebruiken ( 75 ohm ) want er geldt : Zk kwadraat = Zin . Zuit ( afgeleide van : Zin = Zk kwadraat / Zuit : formule 1/4 lambda coax trafo ) !
Zin = 52 ohm, Zuit = 104 ohm => Zk kwadraat = 5408 ohm => Zk = 73.5 ohm ~ 75 ohm .....

Een en ander is gemakkelijk met onderstaand JS te berekenen :

uitvoer

In de invoervakken 2 en 3 mag een vak worden opengelaten ( leeg vak na muisklik )

Uit 1 en 2 wordt 4 berekend. Uit 1 en 3 wordt 5 berekend

1 Zin
2 Zuit = impedantie fase leiding
3 Zk = kabel impedantie
4 Zk = kabel impedantie : wordt vastgehouden tot nieuwe berekening volgt voor Zin en Zuit
5 Zuit = impedantie fase leiding : wordt vastgehouden tot nieuwe berekening volgt voor Zin en Zk

Voor de 104 ohm fase leiding ( 1/4 lambda ) kan je eventueel RG 133/U gebruiken ( 95 ohm ).
Merk op dat de theoretische impedantie van deze fase leiding eigenlijk geen 104 ohm maar 108 ohm zou moeten zijn omdat er immers voor de aanpas leidingen 75 ohm coax in plaats van 73.5 ohm coax wordt toegepast waardoor de impedantie Zin = 52 ohm ( antenne voetpunt impedantie ) wordt getransformeerd naar 108 ohm hi.

Indien men dus echt nauwkeurig te werk wil gaan dan moet in plaats van 95 ohm juist 104 ohm ( Zk aanpassing = 73.5 ohm ) of zelfs 108 ohm
( Zk aanpassing = 75 ohm ) coax worden aangewend voor de fase leiding. Bij gebruik van RG 133/U levert de misaanpassing in het ontstane stootpunt een SWR verhouding op van 104 / 95 = 1:1.09 ( 108 / 95 = 1:1.14 ).
Een coax met een karakteristieke impedantie van 104 ohm of zelfs 108 ohm is overigens niet verkrijgbaar en ook niet perse noodzakelijk.
Zou je eventueel RG 63/U ( 125 ohm ) toepassen dan is de SWR verhouding in het ontstane stootpunt nog net iets hoger. Let ook op de verkortingsfactor die nu 0.85 bedraagt.

Opmerking : er zijn ook RG 59 typen met een Zk van 72 ohm ..... wat dus in bovenstaande wel van pas zou komen hi. De karakteristieke impedantie van de fase leiding zou nu ( uitgaande van een 52 ohm antenne voetpunt impedantie ) 100 ohm moeten zijn, de SWR verhouding in het ontstane stootpunt is dan slechts 100 / 95 = 1:1.05 .....

Wil je zeer nauwkeurig te werk gaan dan kan dit vrij gemakkelijk gerealiseerd worden. Gewoon een 1/4 lambda ( metalen ) pijp met binnengeleider en aan de uiteinden twee N chassis delen inelkaar solderen.

Je kan de impedantie erg precies bepalen door middel van een eenvoudige formule : Zk = 138 log D / d ( het dielektricum is lucht ).

Zie ook het extra schrijven met enige tips en foto's over hoe zo'n pijp te berekenen en te construeren ( fase pijp ).

Vanwege het gebruik van een fase pijp is er ook wat meer vrijheid ontstaan in de keuze van de noodzakelijke impedanties.

In mijn geval had ik voor de 146 MHz sat band nog twee Hy-Gain antennes liggen met een impedantie van 200 ohm elk ( swr 1:1.1 tussen 145.825 en 145.975 MHz : de antennes waren getuned door middel van het op maat brengen van de dipooltjes ).
De genoemde SWR verhoudingen bestaan indien de antennes zijn voorzien van een balun ( gemaakt van 52 ohm coax ).

Je kan trouwens een of meerdere relais bij de nu ontstane antenne combinatie monteren en dan RHCP of LHCP schakelen en zelfs HOR of VERT ..... ( als je geen 45 graden mount toepast, zie ook verder : SKEWED orientatie ).

In mijn geval had ik voor deze antennes meestal alleen RHCP nodig, wilde tevens al een en ander voorbereid hebben voor een relais aansluiting en soldeerde dus alles in elkaar volgens de beschreven configuratie ( inclusief twee N chassis delen ), resultaat perfecte werking.

Dus : twee 1/4 lambda ( of oneven veelvouden ) delen naar de respectievelijke antennes en aan de andere kant een 1/4 lambda deel ( faseleiding ) ertussen, de voedingskabel aangesloten aan DAT aankoppelpunt ( tussen aanpas en fase deel ) waardoor er sprake kan zijn van RHCP ( er zijn dus twee aankoppelpunten, zonder relais kan je nu toch gemakkelijk ompluggen met behulp van connectors ).

Er is nog een andere methode als je uitsluitend RHCP wil toepassen, de tip komt van Hugo ON6HN, in plaats van het gebruik van 95 ohm coax ( of een te solderen pijp ) is het dan beter, gemakkelijker om de fase leiding ( nu gewoon met een karakteristieke impedantie van 52 ohm ) DIRECT met een van de twee dipooltjes ( beiden hier dus uitgevoerd met 52 ohm aansluitingen ) te verbinden, aan de andere kant ervan EN aan het andere dipooltje komen nu de twee 75 ohm impedantie transformatoren : 1/4 lambda coax ( denk ook aan de verkortingsfactor ) of veelvouden. Let op : deze veelvouden mogen uitsluitend ONEVEN zijn !

Immers, kiest men een even veelvoud, dan bestaat de gewenste trafo werking in het geheel niet meer, het tweede 1/4 lambda deel in de 1/2 lambda sectie transformeert dan weer exact terug. Zijn er meerdere veelvouden dan zal steeds in ELK veelvoud opnieuw sprake zijn van dit terug transformeren ! Dus : ofwel 1/4 lambda toepassen ofwel bijvoorbeeld 3/4, 5/4, 7/4 lambda etcetera.

De SWR verhouding in de stootpunten is nu bijna ideaal te noemen.

Ook nog waard te vermelden dat je bij het gebruik van een lineaire antenne, of meerdere gestackte antennes ( lineaire combinatie ), een winst boekt van circa 3 dB ten opzichte van een circulair systeem ( indien er dan wel sprake is van een zogenaamde type 1 link bij gebruik van de lineaire antenne of combinatie : zie satelliet handboek ).

Het stacken opzichzelf levert overigens bij elke verdubbeling van het aantal antennes een winst op van 3 dB ( lineaire combinatie ).

Echter met circulair gepolariseerde antennes moet je bij een lineair gepolariseerd signaal ALTIJD ten opzichte van de hierboven beschreven situatie een verlies van circa 3 dB in acht nemen.....Toch zijn er vele situaties waarin circulaire polarisatie absoluut de voorkeur verdient ( zie verder onder polarisatie verschillen ).

Ook voor de 436 MHz sat band werden twee gekoppelde lineaire antennes toegepast. Daar het nu antenne voetpunt impedanties van 50 ohm betrof, werd ook hier gekozen voor 75 ohm aanpas delen, later werd hiervoor 73 ohm coax kabel gebruikt in combinatie met een fase pijp. Voor berekeningen zie aldaar.

Tot slot 1 : houd het aantal veelvouden zo BEPERKT mogelijk ( omdat de SWR bandbreedte anders nogal kan afnemen ..... ). Natuurlijk is men vrij in de keuze ervan indien er GEEN sprake is van impedantie transformatie .....
Bij normaal gebruikelijke montage zal alles goed functioneren.

Het probleem van het gebruik van een ( te ) groot aantal veelvouden dient men niet te onderschatten ! Een van de antenne boeken ( ARRL ) geeft een maximum aan van zeven 1/4 lambda delen ..... het betreft een 31 3/8 inch
435 MHz coax transformator in een skewed design. Uitgegaan wordt van een verkortingsfactor van 0.66 voor de toegepaste coax.
Ook voor de fase leidingen wordt er in het voorbeeld een maximum gegeven, namelijk vijf 1/4 lambda delen, wat 450 graden fase verschuiving oplevert .

Tot slot 2 : de 2M antennes waren oorspronkelijk al uitgerust met een balun waardoor de impedanties in de aansluitpunten op circa 52 ohm uitkwamen, ze waren gestackt ( boven elkaar ) en het resultaat 90 graden gekanteld waardoor verticale polarisatie ontstond. De verkregen afstraling was zeer typisch indien de ontstane antenne combinatie op een bepaalde hoogte boven de grond, de vloer werd geplaatst ( dit in verband met experimenteel onderzoek naar sat spin en dergelijke ). Er liepen twee 75 ohm fase leidingen naar het voedingspunt dat hier circa 54 ohm bedroeg vanwege de antenne voetpunt impedanties van 52 ohm, deze waarden betreffen uiteraard getransformeerde impedanties ( balun toepassingen ).

Interessant is nog dat de WERKELIJKE antenne voetpunt impedanties dus eigenlijk 4 maal 52 ohm is 208 ohm zouden moeten zijn zonder balun.
De factory, deliverer zal het afgerond hebben ofwel betreft het respectievelijk exacte 50 ohm ( antenne aansluitpunten via balun ) en 200 ohm antenne impedanties voor die situaties.

MECHANISCH : KEUZE IN DE MANIER VAN MONTEREN

Bij het mechanisch koppelen van de antennes zijn er enkele belangrijke regels.

Op de eerste plaats moet een en ander zodanig gemonteerd worden dat een perfecte evenwichts toestand existeert ( rotoren ! ). Ongeacht de stand van de elevatie rotor moet er steeds van een volledig mechanisch evenwicht sprake zijn ! Zowel in het horizontale als ook in het verticale vlak dus.
Bovendien moeten de antennes op een bepaalde manier ten opzichte van elkaar gemonteerd worden, zie verder. De invloeden van wind moeten zo klein als mogelijk zijn : soms is de manier van plaatsen mede van belang.
In mijn geval moesten er twee 2M antennes maar ook nog eens twee 70 CM antennes bevestigd worden. Hierbij zijn de posities van de GEKOPPELDE antennes ten opzichte van elkaar van groot belang. Voor andere antennes is het minder kritisch ( niet gekoppelde antennes ).

De te koppelen antennes worden onder een hoek van 90 graden ten opzichte van elkaar gemonteerd : de verlengden van de elementen ( denkbeeldige lijnen ) van de antennes maken dus een hoek van 90 graden ten opzichte van elkaar. De geadviseerde onderlinge afstand tussen de antenne dragers bedraagt EEN ( 1 ) lambda.

De toe te passen fysieke offset *1/4 lambda voor beide antennes is niet noodzakelijk in verband met het feit dat er een fase leiding toegepast wordt, wel is het nu belangrijk dat de impedantie Zk daarvan zoveel mogelijk overeenkomt met de berekende waarde daar er anders te veel verlies van het circulaire effect op zal gaan treden, houd de eventueel toegepaste veelvouden in aantal zo beperkt mogelijk !

De 70 CM antennes kunnen tussen de 2M antennes geplaatst worden ! De 2M antennes zijn dus aan de buitenkant van het systeem geplaatst.

De vorm van circulaire polarisatie nu verkregen werkt erg goed en doet niet onder voor een kruisyagi indien alles goed is aangesloten EN de squint hoeken gunstig zijn ( interferometer effecten ! ). Met andere woorden, met de juiste antenna pointings functioneert het systeem goed, in andere gevallen heeft de kruisyagi ( single boom systeem ) de voorkeur. Bovendien is er nu ongeacht de positie van de antennes sprake van een perfect mechanisch evenwicht ( rotoren ) !

* voor als het eens actueel mocht zijn ( kruisyagi ) : fysieke offset in mm ( invoervak midden ) en de faseverschuiving in graden ( uitvoervak ), het eerste invoervak betreft de werkfrequentie in MHz en het laatste de verkortingsfactor. Natuurlijk kun je dit JS ook gebruiken voor berekening van de faseverschuiving van een coax lengte .. Vergeet dan vooral niet de verkortingsfactor in te vullen !

uitvoer

1 fC = werkfrequentie in MHz
2 l =
fysieke offset in mm
3 V = verkortingsfactor
4
V = verkortingsfactor, bevestiging van de invoer
5 phi = faseverschuiving in graden

CIRCULAIRE POLARISATIE : RHCP OF LHCP

RHCP of LHCP : uiteraard afhankelijk van de satelliet die men wil werken. Overigens is het hier erg simpel om de draairichting te bepalen : kijk vanaf de reflector zijde van de antennes welke antenne via de fase leiding gevoed wordt, is dit de rechtse antenne : RHCP, is het juist de linkse antenne : LHCP ! Makkelijk nietwaar ? Zie ook tekening 1 en 2 ( antenne koppeling1 en 2 ). Je kan ze vinden via het sub menu.

Ik heb ook enige ( meer algemene ) tekeningen gemaakt als hulpmiddel om steeds gemakkelijk de richting te kunnen bepalen, ( zie sub menu : tekeningen ). Lees ook de bijgevoegde tekst van de betreffende plaatjes.

Kijk eerst bij welke antenne het 0 graden punt ligt, kijk dan bij welke antenne het 90 graden punt ligt.

Het 0 graden punt vind je bij DIE antenne waar de voeding DIRECT is. Het 90 graden punt vind je bij de andere antenne die gevoed wordt via de FASELEIDING. Als nu dit 90 graden punt rechts van het 0 graden punt ligt, gezien vanaf de achterzijde van de antenne combinatie, is er sprake van RHCP.

Het moge duidelijk zijn dat de genoemde 0 en 90 graden punten een aansluiting ( dipoolhelft ) van de bedoelde antenne betreffen .. zie de tekeningen ( rode en groene aansluitingen ).

Bij een kruisyagi hoef je maar te kijken waar de coax kernen worden aangesloten. Je ziet ook meteen dat een antenne die in de afstraal richting RHCP oplevert, in de tegenovergestelde richting LHCP signalen produceert. Met betrekking tot het reilen en zeilen van de AO-40 in het verleden ( 2001, 2002 ) is dit nogal een actueel onderwerp geweest ..... ( onder meer ook ten aanzien van het kiezen voor de juiste polarisatie richting van de toegepaste belichter in een schotel antenne : RHCP in de hierboven bedoelde situatie ).

Jammer genoeg komt het maar al te vaak voor dat het RHCP 'overgaat' in LHCP of LIN .....

Als je beide vormen van circulaire polarisatie wil toepassen denk ik dat je met voordeel een coax relais boven bij de antennes plaatst, dat geeft je de mogelijkheid om met slechts een coax van, naar de shack te werken.
Er is dan slechts een twee standen relais nodig. Voor niet te veel geld zijn er goed functionerende relais ( en bedrijfszeker bovendien ) verkrijgbaar. De lengten van de coax ( 52 ohm ) leidingen afkomstig van het relais gaande naar de knooppunten van de aanpas delen ( indien nodig ) en de fase leiding zijn niet kritisch ( in de meeste gevallen toch ..... ).

Voor eventuele experimenten en metingen adviseer ik echter met nadruk het gebruik van 1/2 lambda lengten ! Je weet nooit waar dat goed voor is ..... hi. Ook kan men het het relais rechtstreeks ( dus zonder 52 ohm coax leidingen ) aansluiten op de betreffende knooppunten indien dat beter uitkomt.

BESLUIT

In bovenstaande heb ik uitsluitend tot uitdrukking willen brengen hoe simpel het is om met behulp van een beetje rekenen en enige kennis van transmissie systemen iets op te bouwen, zaken die men anders gewoon zou laten liggen.
Ongetwijfeld zal een en ander ook wel enige geld besparing opleveren .....
Wat echter het meest belangrijk is : de mogelijkheid benutten tot het opbouwen van een goed werkend systeem uit bijvoorbeeld gelagerde componenten.

GERAADPLEEGDE LITERATUUR

ROTHAMMEL druk 7
ARRL ANTENNE BOEK druk onbekend, uitgave rond 1980
SATELLIET HANDBOEK ARRL druk 1 ( 0-87259-658-3 )

NASCHRIFT MONTAGE ANTENNES

Men kan uitgaan van een zijdelingse afstand van EEN ( 1 ) lambda tussen de twee antenne elementen dragers, antenna booms. Los van het feit dat er een bepaalde afstand ( FREE SPACE distance ) tussen de beide antennes dient te bestaan moet men uiteraard ook goed opletten dat er voldoende tussenruimte is, dit zal zeker het geval zijn voor de beschreven afstand, indien niet, dant dient men een andere afstand te kiezen, bijvoorbeeld TWEE ( 2 ) lambda, wat theoretisch al minder goed is ( L2 - L1 = +/- d sin alpha : formule met betrekking tot : the polarization interferometer effects ..... ). In de formule is d de free space distance ( in lambda ) tussen de antenne dragers ( D in de tekening ).

Free space afstanden van een halve ( 0.5 ) lambda zou ik niet toepassen, is er iemand die dat wel heeft gedaan ? Ik heb er enige proeven mee uitgevoerd, deze waren weinig succesvol .....

Hoe dan ook : er moet sowieso nog een ruimte existeren tussen de uiteinden van de antenne elementen in verband met het feit dat deze anders in contact met de mast zouden kunnen komen bij het eleveren .....
Bovendien zijn er tussen de 2M antennes nog de 70 CM antennes geplaatst.

In verband met vragen over de constructie hierbij nog enige info.

De beschreven antennes ( de onderlinge hoek is dus 90 graden ) zijn met een hoek van 45 graden gemonteerd ( de zogenaamde SKEWED orientatie ) ten opzichte van de fiberglas pijp ( mag ook pvc zijn als de constructie dit toelaat ).
De skewed configuratie kan eventueel bepaalde problemen voorkomen indien de antennes laag bij de grond, de bodem komen ( met eleveren ) waardoor bepaalde vervormingen ( waaronder afwijkingen in de polarisatie etcetera ) in iets mindere mate kunnen optreden .....

In verband met het gewenste evenwicht zijn de antenne combinaties ten
opzichte van elkaar 'om en om' gemonteerd op de glasfiber pijp. Eventueel
kan men afstands delen toepassen ( indien noodzakelijk ).

De fiberglas pijp heeft een lengte van circa 2 meter 25 en wordt door de elevatie rotor aangedreven ( axiaal ).
De 2M antennes zijn zodanig gemonteerd dat de onderlinge afstand circa 2 meter 06 bedraagt ( 1 lambda FREE SPACE ).

Tot slot : past men om een of andere reden deze antenne combinatie toe zonder gebruik te maken van een fase leiding dan dient men een zogeheten fysieke offset van 1/4 lambda toe te passen, dit houdt in dat in de lengte richting ( boom richting ) de beide antennes voor de genoemde waarde verschoven zijn ten opzichte van elkaar, dus ideaal toepasbaar bij kruisyagi's.

Met betrekking tot het fenomeen INTERFEROMETER effecten optredend bij de iets grotere squint hoeken ( hier van belang in verband met het toegepaste CROSS BOOM systeem ) verwijs ik naar het satelliet handboek ( ARRL ) .....

Echter bij een goede antenna pointing heeft men er minder of geen last van, realiseer je bovendien dat deze effecten ook aan de satelliet zijde kunnen optreden of worden veroorzaakt ( soms zelfs nogal vaak ..... ).

Bij de kruisyagi tenslotte, dus een antenne met een SINGLE ( CONCENTRIC ) BOOM configuratie, zal de fysieke 1/4 lambda offset toch de voorkeur genieten. Vaak treft men hier trouwens een offset aan die niet overeenkomt met een 90 graden faseverschil .. In zo'n geval wordt met een apart coaxkabeltje gecompenseerd. Zie bijvoorbeeld dit JS ( 'Similar Coax Length' ).