Antennen für Es’Hailsat-2

Antennen-Konzepte Teil 1:

Frontgespeiste Parabolantennen

Der geostationäre Satellite Es’Hailsat 2 wird zwei Amateurfunktransponder beherbergen. Damit werden Amateurfunkverbindungen über den ganzen sichtbaren Teil der Erde möglich. Funkverbindungen vom Nordkap bis zur Neumayer-Station und von Rio de Janeiro bis Banda Aceh werden realisierbar.

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Abbildung 1: Sichtbereich aus dem geostationären Orbit auf 26° Ost. Bild-Quelle: Google Earth

Leider wird der Starttermin immer wieder verschoben. Zurzeit wird Q3 in 2017 2018 angestrebt. Das gibt aber allen Amateurfunkern, die diese faszinierenden Möglichkeiten nutzen möchten, etwas mehr Zeit sich mit der Thematik vertraut zu machen und das nötige Equipment bereitzustellen.

Wichtige Elemente einer Satelliten-Funkstrecke sind die Bodenstationsantennen. Verschiedene Antennenkonzepte sind für die Realisierung der 2.4GHz (Uplink) Sendeantenne möglich. Eine Reflektorantenne ist für den Empfang auf 10GHz  (Downlink) sicher am besten geeignet.

Für einen Schmalband-Uplink im 13cm Amateurfunkband auf 2.4GHz wird ein Antennengewinn von 23.6dBi empfohlen mit einer zirkularen, rechtsdrehenden Polarisation [Tabelle 1]. Mit diesem Antennengewinn sind dann 10W Sendeleistung ausreichend, um eine SSB-Verbindung zu realisieren.

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Tabelle 1: Link-Budget Es’hail-2

Wegen der zirkularen Polarisation bietet sich als Sendeantenne eine Helix-Antenne an. Viele Dimensionierungsrichtlinien basieren auf experimentellen Daten von J. D. Kraus [2]. Die daraus abgeleiteten empirischen Formeln für den Antennengewinn sind aber oft sehr optimistisch und können bis zu 4dB zu hoch liegen. Mit einer einzelnen Helix dürfte darum der geforderte Gewinn von 23.6dBi nur schwer erreichbar sein. Ein Array, bestehend aus mehreren Helix-Antennen, kann aber durchaus ein zielführender Lösungsansatz sein [3].

Als Alternative können Reflektorantennen eingesetzt werden. Mit einfachen, frontgespeisten Parabolantennen, die mit geeigneten Erregersystemen ausgeleuchtet werden, sind Flächenwirkungsgrade von 60-80% realisierbar. Um beispielsweise mit 65% Wirkungsgrad einen Antennengewinn von 23.6dBi zu realisieren, ist ein minimaler Apertur-Durchmesser von 0.75m notwendig.

EsHail Formel1a

mit

Es_Hail Formel1b

Das Prinzip der Reflektorantenne basiert auf strahlenoptischen Überlegungen. Ein 0.75m Parabolreflektor hat bei einer Wellenlänge von 0.125m jedoch nur 6 Wellenlängen Durchmesser, was zu starken Beugungseffekten führt. Wie im Folgenden aufgezeigt wird, ist eine 0.75m Reflektorantenne als S-Band-Sendeantenne etwas grenzwertig.

Dual-Mode-Horn

Zuerst muss ein geeignetes Speisesystem, auch Feed genannt, gewählt werden. Ein Dual-Mode-Horn [1] verspricht einen hohen Flächenwirkungsgrad.

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Abbildung 2: Optimiertes Dual-Mode-Horn

Das Dual-Mode-Horn von Abbildung 2 ist für einen rotationssymmetrischen Parabolspiegel mit einem f/D (Fokusabstand / Durchmesser) von 0.35 optimiert. Der einfach aufgebaute Hornstrahler erzeugt ein interessantes Strahldiagramm für die Ausleuchtung einer frontgespeisten Parabolantenne (Primefokus-Antenne).

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Abbildung 3: Dual-Mode-Horn Strahldiagramm

Das Strahldiagramm weist zwei Maxima neben der Hauptstrahlrichtung auf. Dadurch wird die ideale Ausleuchtfunktion angenähert. Durch eine phasenrichtige Kombination von zwei Wellentypen (Moden) ist das optimale Diagramm allerdings auf einen schmalen Frequenzbereich begrenzt. Für unsere schmalbandige Anwendung stellt das aber kein Problem dar. Bei einer zirkular polarisierten Primefokus-Antenne ist auch darauf zu achten, dass das Speisehorn eine orthogonale Polarisation zur gewünschten Polarisation aufweisen muss. Um ein rechtsdrehendes Sendesignal zu erzeugen, muss das Feed deshalb linksdrehend polarisiert sein.

Der Aussendurchmesser des vorgestellten S-Band Horns beträgt mehr als zwei Wellenlängen. Eingesetzt in einen rotationssymmetrischen Parabolspiegel mit 1m Durchmesser (8 Wellenlängen) wird das Missverhältnis zwischen Abblockung und freier Fläche deutlich. Zudem braucht es noch Stützen, um das Horn zu befestigen, was die Abschattung noch zusätzlich vergrössert. In Abbildung  4 ist das Problem der Abblockung mit Hilfe optischer Strahlen verdeutlicht. Die hellblauen Strahlen links im Bild 4 werden alle zurück ins Horn reflektiert. Das hellgrüne Strahlenbündel rechts im Bild 4 zeigt exemplarisch die Reflexionen an einer der Streben.

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Abbildung 4: Reflexionen zurück ins Horn links und Reflexionen an einer Strebe rechts

Berechnet man das Sekundärstrahldiagramm der 1m Antenne ohne Abschattung, erhält man ein ganz passables Strahldiagramm mit einem sehr guten Flächenwirkungsgrad von mehr als 78%. Berücksichtigt man die Reflexionen am Horn und an den Streben, verschlechtert sich das Resultat aber signifikant. Der Flächenwirkungsgrad sinkt um dramatische 21% auf einen Gesamtwirkungsgrad von nur noch 57%. Auch das Strahldiagramm leidet deutlich sichtbar unter den erheblichen Reflexionen. Die erste Steitenkeule steigt um nahezu 5dB an. Im 45° Schnitt (grüne Kurve in Abbildung 5) ist auch der negative Einfluss der Streben deutlich sichtbar.

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Abbildung 5: Strahldiagramme ohne Abschattungen links und mit Abschattungen rechts

Die 3D-Strahldiagramme zeigen die Problematik noch deutlicher auf. Ohne Abschattung durch das Feed und die Streben resultiert ein anschauliches, rotationssymmetrisches Strahldiagramm mit einem Gewinn von 26.9dBi. Die ausgeprägten Reflexionen stören das Strahldiagramm erheblich und der Gewinn sinkt auf 25.6dBi.

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Abbildung 6: 3D-Strahldiagramm einer 1m Antenne, links ohne und rechts mit Abschattungen

Abbildung 7 zeigt die Oberflächen-Ströme im Antennensystem. Da alle Ströme das Strahldiagramm beeinflussen, gibt das Bild einen guten Eindruck von der Problematik.

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Abbildung 7: Oberflächen-Ströme bei 2.4 GHz

Trotz den aufgezeigten Einschränkungen wird mit der vorgestellten 1m Antenne ein Gewinn von mehr als 25dBi erreicht. Als Sendeantenne für SSB-Funkverbindungen wäre diese Antenne gut geeignet. Bei diesen Simulationen wurde der Polarisator als verlustlos angenommen.  Mit dem erzielten Gewinn sind aber genügend Reserven vorhanden, um noch kleine Zusatzverluste zu verkraften.

Für den Breitband-Uplink (DATV) wird eine 2.4m Antenne vorgeschlagen. Abbildung 8 zeigt das Dual-Mode-Horn in einem 2.4m Reflektor.

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Abbildung 8: Dual-Mode-Horn in einem 2.4 Reflektor

Bei dieser Antenne ist das Verhältnis zwischen Abschattung und freier Fläche wesentlich günstiger. Die Reflexionen zurück ins Horn sind in Abbildung 8 dargestellt. Die Streben verursachen auch in dieser Antenne ähnliche Effekte, wie im ersten Beispiel. Die minimalsten Störungen verursachen die Stützen dann, wenn sie am Reflektor-Rand befestigt werden. Das ist nicht auf den ersten Blick nachvollziehbar. In diesem Rahmen kann dieser Sachverhalt aber nicht weiter vertieft werden.

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Abbildung 9: Strahldiagramme ohne Abschattungen links und mit Abschattungen rechts

Die Auswirkungen der Abschattungen werden bei der 2.4m Antenne im Wesentlichen durch die Streben verursacht. Besonders gut erkennbar ist das in den 3D-Pattern.

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Abbildung 10: 3D-Strahldiagramme der 2.4m Antenne, links ohne und rechts mit Abschattungen

Die 2.4m Antenne erreicht mit dem Dual-Mode-Horn einen guten Wirkungsgrad von 71.3%, was einen Gewinn von 34.1dBi bei 2.4GHz ergibt. Ein frontgespeister 2.4m Reflektor mit einem f/D von 0.35 ergibt zusammen mit dem vorgestellten Dual-Mode-Horn eine sehr gute Uplink-Antenne für DATV-Übertragungen.

 Cavity-Backed Dipole-Feed

Ein Feed-Konzept, dass besser für sehr kleine Reflektor-Antennen geeignet ist, basiert auf einem modifizierten ‚Cavity Backed Dipole‘ Ansatz [1]. In einem Resonanztopf werden vier Dipole an geeigneten Stellen platziert. Die Dipole müssen so zusammengeschaltet werden, dass eine linksdrehende, zirkulare Polarisation entsteht. Der Resonanztopf ist ca. eine Wellenlänge lang und hat einen Durchmesser von ebenfalls einer Wellenlänge.

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Abbildung 11: Zirkular polarisiertes Cavity-Backed_Dipole Feed

Das Feed könnte auch mit einem Kreuzdipol realisiert werden. Die Modifikation mit vier Dipolen hat aber den Vorteil, dass im Zentrum eine Stütze für die Feed-Befestigung angebracht werden kann. Elektrisch hat diese zentrale Stütze einen viel geringeren Einfluss, als vier seitlich angebrachte Stützen.

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Abbildung 12: Cavity-Backed-Dipole Feed Strahldiagramm

Das Erregersystem hat ein typisches gaussförmiges Strahldiagramm. Die hervorragende Rotationssymmetrie des Stahldiagramms führt zu einem sehr tiefen Kreuzpolarisationsanteil. Da der Feed-Durchmesser nur etwa eine Wellenlänge beträgt, eignet sich dieses Konzept auch gut für elektrisch sehr kleine Reflektorantennen mit einem f/D von 0.44.

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Abbildung 13: 0.75m Reflektor mit Cavity-Backed-Dipole Feed

Das resultierende Sekundärstrahldiagramm ist durch den symmetrischen Aufbau auch fast perfekt rotationssymmetrisch.

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Abbildung 14: Strahldiagramm der 0.75m Antenne

Auch mit dem sehr kleinen Reflektordurchmesser von 0.75m wird noch ein guter Wirkungsgrad von 66.6% erreicht. Das ergibt dann bei 2.4GHz einen Gewinn von 23.7dBi, womit der Zielwert knapp erreicht wird.

Zusammenfassung

Eine frontgespeiste Reflektorantenne ist die einfachste Form einer Parabolantenne. Die Grösse des Erregersystems hängt nur von der Wellenlänge und dem optimalen Gewinn des Feedes ab. Je kleiner das Verhältnis des Reflektordurchmessers zur Wellenlänge ist, umso stärker wirken sich die unvermeidlichen Abblockungen auf die elektrischen Eigenschaften der Antenne aus. Als Faustregel gilt ein Verhältnis von 10 als sinnvolles Minimum. Mit einem geschickten Feed-Design kann diese Grenze noch etwas nach unten verschoben werden.

 

Literatur

[1] A. D. Olver, P. J. B. Clarricoats, A. A. Kiskk and L. Shafai, “MICROWAVE Horns and Feeds” IEE Electromagnetic Waves Series 39

[2] D. Kraus and R.J. Marhefka, “Antennas for all applications”, McGraw-Hilll

[3] P. Tonak DL3JIN, “Aufbau und Messung einer Helixantenne für 13cm (1)”, Funk Amateur Aug.  2016

Spezifikationen

Frequencies narrow band (NB) transponder (bandwidth 250kHz):

Es Hail_Tabelle2

Frequencies wide band (WB) transponder (bandwidth 8.0MHz):

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Setup for SSB communications:

Es Hail_Tabelle4

Setup for DATV (DVB-S2) communications:

Es Hail_Tabelle5

4 Gedanken zu “Antennen für Es’Hailsat-2

  1. Hallo Willi

    Super Bericht! Sehr informativ und klar kommuniziert. Wäre eine Dual Band Parabolantenne denkbar, welche beide Frequenzenbänder für Up- und Downlink abdeckt?

    Besten Dank. Hoffen wir, dass der Satellit erfolgreich in Betrieb kommt.

    73, Peter – HB9PJT

    • Hallo Peter
      Dual- und Multiband-Feedsysteme gehören zur Königsdisziplin beim Feed-Design. Ich arbeite noch an einem Konzept, welches mit einfachen Mitteln realisierbar ist. Ich hoffe, dass ich das im Teil 3 dann beschreiben kann.
      73, Willi – HB9PZK

  2. Danke Willi

    für diesen sehr interessanten Artikel.
    Für den Uplink könnte man alternativ etwas mehr Power machen, dann käme man vermutlich mit einer Einzelwendel zurecht.
    Auf Ebay sind seit Jahren günstige Spectrian Module zu finden, die etwa 80W machen. Diese 9dB mehr würden die Uplink-Antenne soweit verkleinern, dass Satelliten-Funk von jedem Balkon aus möglich wäre. Die Antenne für 10Ghz geht ja eh als TV-Schüssel durch 😉
    http://www.ebay.com/itm/75W-Spectrian-Linear-RF-Amplifier-Board-2-3-2-35-GHz-18dBg-24-26V-/222221158392?hash=item33bd69c7f8:g:XWoAAOSwMtxXsv8G

    73 de Anton HB9ASB

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