Dualband Feed-Vergleich

QO-100 ist seit Mitte Februar offiziell in Betrieb und wird rege genutzt. Für viele Amateurfunker ist der Betrieb über QO-100 die erste technische Auseinandersetzung mit den Mikrowellenbändern.

Die Entwicklung eines Dualband-Feeds ist eine interessante technische Herausforderung. Im Folgenden werden drei Feed-Konzepte vertieft untersucht und verglichen.

In einem Gedankenexperiment kann durch Variation der Spiegelkrümmung die optimale Reflektorgeometrie für das entsprechende Feed analysiert und festgelegt werden.

0.25 <= f/D <= 0.8

Ist der Reflektor in Bezug zur Wellenlänge genügend gross (D >> 10 λmax) sind die berechneten Wirkungsgrade unabhängig von der Reflektorgrösse.

S/X-Band Feed nach DJ7GP

Das Dualband-Feed von DJ7GP wird schon von vielen Funkamateuren erfolgreich eingesetzt.


S/X-Band Feed nach DJ7GP [1]

Durch den einfachen Aufbau kann das Feed günstig hergestellt werden. Auch für den Selbstbau ist das einfache Konzept gut geeignet. In [1] wurde dieses S/X-Band Feed ausführlich beschrieben.

Der X-Band Strahler basiert auf einem offenen Rundhohlleiter. Ein runder Patch wird für das S-Band eingesetzt. Der S-Band-Strahler ist nahezu linear polarisiert (leicht elliptisch). Da der Uplink rechtsdrehend zirkular polarisiert ausgelegt ist, hat dieses Feedkonzept ca. 2.7dB Polarisationsverlust im Uplink zur Folge. Das lässt sich aber einfach durch eine etwas höhere Sendeleistung ausgleichen.

Die folgenden Betrachtungen beziehen sich im S-Band auf ein zirkular polarisiertes Signal (Feed linksdrehend, Antenne rechtsdrehend). Aus diesem Grund erscheint der resultierende S-Band-Wirkungsgrad etwas bescheiden.

S-Band Berechnungen für das DJ7GP-Feed

CST-Modell mit 3D S-Band Strahldiagramm (LHCP)
S-Band LHCP & RHCP Strahldiagramm-Schnitte

Die koaxiale Einspeisung und der Abstimmzapfen verursachen eine Asymmetrie im Strahldiagramm.

S-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach DJ7GP in einem 2m Reflektor

X-Band Berechnungen für das DJ7GP-Feed

CST-Modell mit 3D X-Band Strahldiagramm (lin V)
X-Band Co & Cross Strahldiagramm-Schnitte
X-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach DJ7GP in einem 2m Reflektor

Aus den berechneten Daten ist ersichtlich, dass das S/X-Band Feed nach DJ7GP den höchsten Wirkungsgrad in einem Reflektor mit einem f/D im Bereich von 0.4 bis 0.45 erzielt.

S/X-Band Feed nach OM6AA

Das koaxiale S/X-Band Feed nach OM6AA wurde in [2] ausführlich beschrieben.

S/X-Band Feed nach OM6AA [2]

Auch hier wird das X-Band Feed mit einem Rundhohlleiter realisiert. Eine Rille (Choke) am Ende des Rundhohlleiters sorgt für ein rotationssymmetrisches X-Band Strahldiagramm und minimiert die Rückstrahlung in das S-Band Feed.

Das S-Band Feed wird mit einem koaxialen Rundhohlleiter realisiert. Vier 90° versetzte Einspeisungen ermöglichen die Anregung von zwei orthogonalen Wellentypen. Für eine zirkulare Polarisation müssen die vier Eingänge phasen- und amplitudenrichtig gespiesen werden. Die Qualität der zirkularen Polarisation hängt deshalb im Wesentlichen von der Amplituden-Balance und den korrekten Phasenbeziehungen zwischen den einzelnen Komponenten ab. Die notwendigen Phasenverschiebungen können beispielsweise durch unterschiedliche Kabellängen erreicht werden. Für die Signalaufteilung braucht es dann noch einen Vierfach-Leistungsteiler.

S-Band Berechnungen für das OM6AA-Feed

CST-Modell mit 3D S-Band Strahldiagramm (LHCP)
S-Band LHCP & RHCP Strahldiagramm-Schnitte
S-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach OM6AA in einem 2m Reflektor

X-Band Berechnungen für das OM6AA-Feed

CST-Modell mit 3D X-Band Strahldiagramm (lin V)
X-Band Co & Cross Strahldiagramm-Schnitte
X-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach OM6AA in einem 2m Reflektor

Auch das S/X-Band Feed nach OM6AA erzielt den höchsten Wirkungsgrad in einem Reflektor mit einem f/D im Bereich von 0.4 bis 0.45.

S/X-Band Feed nach HB9PZK

Mein Feedkonzept basiert auch auf einem koaxialen Ansatz und wurde hier auf diesem Blog schon im Detail vorgestellt.

S/X-Band Feed nach HB9PZK

Das X-Band Feed besteht aus einem Rundhohlleiter mit einem dielektrischen Strahler. Gegenüber einem offenen Rundhohlleiter hat der dielektrische Strahler den Vorteil, dass das Strahldiagramm mehr gebündelt werden kann, ohne dass der Durchmesser vergrössert werden muss. Damit kann das Strahldiagramm einfach für einen Einsatz in einem Offsetspiegel optimiert werden.

Das S-Band Feed wird durch vier Dipole in einem offenen Resonator gebildet. Auch diese vier Dipole müssen amplituden- und phasenrichtig gespeist werden.

S-Band Berechnungen für das HB9PZK-Feed

CST-Modell mit 3D S-Band Strahldiagramm (LHCP)

S-Band LHCP & RHCP Strahldiagramm-Schnitte
S-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach HB9PZK in einem 2m Reflektor

X-Band Berechnungen für das HB9PZK-Feed

CST-Modell mit 3D X-Band Strahldiagramm (lin V)
X-Band Co & Cross Strahldiagramm-Schnitte
X-Band Wirkungsgrade mit einem Feed nach HB9PZK in einem 2m Reflektor

Aus den berechneten Daten lässt sich herauslesen, dass das S/X-Band Feed nach HB9PZK den höchsten Wirkungsgrad in einem Reflektor mit einem f/D im Bereich von 0.6 bis 0.65 erzielt.

Vergleich der S/X-Band Feeds in 1.2m Reflektoren

S/X-Band Feed nach DJ7GP in einem Reflektor mit einem Durchmesser von 1.2m

Mit dem DJ7GP-Feed wird der beste Wirkungsgrad in einem rotationssymmetrischen Reflektor mit einem f/D im Bereich von 0.4 bis 0.45 erzielt.

S/X-Band Feed nach DJ7GP in einem 1.2m Reflektor

Da das DJ7GP-Feed das S-Band nur leicht elliptisch polarisiert abstrahlt, sind die Sekundärdiagramme kaum zirkukar polarisiert. Die Unterschiede zwischen RHCP und LHCP sind deshalb gering. Eine zirkular polarisierte Betrachtung liefert aus diesem Grund einen eher kleinen Gewinn im S-Band.

1.2m Reflektor mit DJ7GP-Feed
S-Band Strahldiagramm

Das resultierende X-Band Strahldiagramm und der resultierende Gewinn sind einwandfrei.

1.2m Reflektor mit DJ7GP-Feed
X-Band Strahldiagramm

S/X-Band Feed nach OM6AA in einem Reflektor mit 1.2m Durchmesser

Auch das OM6AA-Feed Feed eignen sich für den Einsatz in einem rotationssymmetrischen Reflektor mit einem f/D im Bereich von
0.4 bis 0.45.

S/X-Band Feed nach OM6AA in einem 1.2m Reflektor

Für die Simulation wurde eine perfekte Reflektorkontur ohne Oberflächenfehler angenommen. Ebenso sind keine Phasen- und Amplitudenfehler für die Speisung der vier S-Band-Ports angesetzt. Aus diesem Grund liegen die 0° und 90° Diagramm-Schnitte exakt aufeinander.

1.2m Reflektor mit OM6AA-Feed
S-Band Strahldiagramm

Im 45° Diagrammschnitt (grün) macht sich der Einfluss der Streben bemerkbar.

1.2m Reflektor mit OM6AA-Feed
X-Band Strahldiagramm

S/X-Band Feed nach HB9PZK in einem Offsetreflektor mit 1.2m Durchmesser

Für das HB9PZK-Feed beträgt der optimale Ausleuchtwinkel hingegen 84°. Dieses Feed ist daher gut geeignet für den Einsatz in einem Offsetreflektor.

S/X-Band Feed nach HB9PZK in einem 1.2m Offsetreflektor

Zirkular polarisiert Signale verursachen in einem Offsetreflektor eine geringe Strahlschwenkung gegenüber der optischen Achse. Dieser Effekt ist im S-Band-Strahldiagramm erkennbar.

1.2m Offsetreflektor mit HB9PZK-Feed
S-Band Strahldiagramm

Im linear polarisierten X-Band sind die Maxima der Kreuzpolarisation in einem Offsetreflektor höher, als in einem rotationssymmetrischen Reflektor. Die Feed-Streben stören in der Offsetantenne kaum noch, obwohl sie im Randbereich noch teilweise den Strahlengang abdecken.


1.2m Offsetreflektor mit HB9PZK-Feed
X-Band Strahldiagramm

Zusammenfassung

Die Tabelle unten zeigt eine Übersicht der berechneten Direktivitätswerte. In der praktischen Anwendung kommen noch einige störende Einflüsse hinzu, die in den gemachten Betrachtungen nicht berücksichtigt wurden. Die wichtigsten sind Oberflächentoleranzen der Reflektoren, Abweichungen vom Fokuspunkt und nicht zu vergessen die ohmschen Verluste. Werden diese Einflüsse auch berücksichtigt, erhält man den zu erwartenden Antennengewinn.

S-Band
2.4 GHz RHCP
X-Band
10.5 GHz lin V
DJ7GP22.7 dBi40.9 dBi
OM6AA27.8 dBi41.2 dBi
HB9PZK28.0 dBi41.3 dBi

Das weit verbreitete S/X-Band Feed wurde von DJ7GP experimentell entwickelt und bewusst einfach gehalten, um kleine Herstellungskosten zu realisieren. Dieses einfache Feedkonzept bietet auch Raum für eigene Experimente, beispielsweise durch den Einsatz einer dielektrischen Linse für die Gewinnoptimierung beim Einsatz in einem Offsetreflektor. Eine Modifikation für Zirkularpolarisation im S-Band dürfte ohne die Hilfe moderner Simulations- und Optimierungstools eher schwierig sein.

Das koaxiale Feed nach OM6AA eignet sich sehr gut für rotationssymmetrische Reflektoren. Allerdings sollte der Spiegeldurchmesser grösser als 1m sein, da sonst die Interaktionen zwischen Feed und Reflektor störend werden. Für den Schutz vor Wettereinflüssen sollte die Feedöffnung noch durch eine RF-transparente Folie abgedeckt werden.

Das S/X-Band Feed nach HB9PZK kann gut in einem Offsetreflektor eingesetzt werde. Das bietet die Möglichkeit, Transverter und Vorverstärker direkt hinter dem Feed zu platzieren, ohne dass der Strahlengang zusätzlich gestört wird.

S/X-Band Feed in einem 1m Offsetreflektor

Durch die kurzen Verbindungskabel und geringen Verluste können mit diesem Konzept die Systemeigenschaften optimiert werden.

Quellen

[1] Peter-Jürgen Gödecke – DJ7GP, Selbstbau einer Duoband-Antenne für 2.4 GHz und 10 GHz, FA 5/16 & FA 6/16

[2] Rastislav Galuscak – OM6AA, Pavel Hazdra, Milos Mazanek, A Simple S/X Dual-Band Coaxial Feed for Satellite Communication, DUBUS Technik XVI

2 Gedanken zu “Dualband Feed-Vergleich

  1. Wiederum eine wunderschöne und nützliche wissenschaftliche Arbeit von dir, lieber Willi!

    Für meine QO-100 Versuche habe ich zwei DJ7GP-Feeds gekauft. Mit 112 Gramm auf der Küchenwaage kann ich es ohne weiteres am Telestar 60 Offsetspiegel (f/D=0.62) montieren. Aufgrund deiner Zahlen werde ich für den Uplink etwas Zusatzleistung disponieren 🙂 .

    60cm-Offsetspiegel: Ist ausser der Gewinnreduktion noch mit weiteren erheblichen Nebenwirkungen zu rechnen?

    73 de Hansjörg HB9EWH

  2. Seems like a great article, is there somewhere an English version of it? Or in the work?

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