AMSAT-HB ist Kollektivmitglied der USKA

V3.4 Klassische Installation

Niveau: K5 Analysieren

Zeitbedarf: ca. 40 Minuten

Einstiegsfrage:
Wie viel Empfindlichkeit gewinnst du, wenn du vom Rundstrahler auf eine nachgeführte Richtantenne wechselst?

Das Konzept

Die klassische Satellitenstation arbeitet mit Kreuzyagis für 2 m und 70 cm. Beide sitzen auf einem gemeinsamen Azimut-Elevations-Rotor.

Ein Satelliten-TRX mit zwei Antennenausgängen speist beide Strecken. LNA, Endstufe und Sequencer sind wie in V3.3 angeordnet. In der 70-cm-Strecke sitzt zusätzlich ein Bandpass.

Prinzipschaltbild: klassische Installation mit Kreuzyagis und Rotor Ein Satelliten-TRX mit CAT-Schnittstelle speist zwei Strecken. 70 cm: Endstufe, Kabel, LNA, Bandpass und Kreuzyagi mit Lambda-Viertel-Umwegleitung. 2 m: Endstufe, Kabel, LNA und Kreuzyagi mit Lambda-Viertel-Umwegleitung. Beide Antennen sitzen auf einem Azimut-Elevations-Rotor. Ein PC mit Tracking-Software steuert über ein Rotor-Interface den Rotor und über CAT den TRX. Zwei Sequencer, ausgelöst durch die PTT, schalten Endstufen und LNAs. Satelliten-TRX mit CAT PA (optional) Kabel LNA PA (optional) Kabel LNA Bandpass λ/4 λ/4 70 cm 2 m Rotor Az/El PC Tracking-Software Rotor-Interface (Folie: LVB-Tracker) CAT Sequencer 70 Sequencer 2 m PTT HF Sequencer Daten/Rotor
Klassische Installation: Kreuzyagis für 2 m und 70 cm mit fester Rechtszirkular-Beschaltung über eine λ/4-Umwegleitung, Az/El-Rotor mit Rechnersteuerung, Sequencer und LNA am Mast. Eigene Darstellung nach Lipp (2017), Folie 23.

Feste Rechtszirkular-Beschaltung

Eine Yagi mit gekreuzten Elementen hat zwei Ebenen: vertikal und horizontal. Werden beide gleichphasig gespeist, entsteht eine lineare Polarisation unter 45°.

Speist du eine Ebene über eine zusätzliche Leitung von λ/4, kommt das Signal dort um 90° verzögert an. Der Feldvektor dreht sich dann im Kreis: zirkulare Polarisation.

Die Folie zeigt eine feste Beschaltung auf rechtszirkular (RHCP). Welcher Drehsinn tatsächlich entsteht, hängt davon ab, welche Ebene den Umweg erhält und wie die Antenne montiert ist. Prüfe ihn mit einer Messung oder an einem bekannten Signal.

Beim Parallelschalten der beiden Ebenen sinkt die Impedanz. Ein Anpassglied bringt sie wieder auf 50 Ω; Angaben dazu findest du in der Bauanleitung der Antenne.

Speisung einer Kreuzyagi über eine Lambda-Viertel-Umwegleitung Links: Vorderansicht der gekreuzten Dipole, ein vertikaler und ein horizontaler. Das Speisekabel teilt sich; der horizontale Dipol wird direkt gespeist, der vertikale über eine zusätzliche Leitung von einem Viertel der Wellenlänge, die das Signal um 90 Grad verzögert. Rechts: Der resultierende Feldvektor zu vier Zeitpunkten im Abstand einer Viertelperiode dreht sich im Gegenuhrzeigersinn auf einem Kreis. V-Dipol H-Dipol Vorderansicht (Blick auf die Antenne) vom LNA / Sender direkt (0°) λ/4-Umweg V-Ebene −90° H V t = 0 T/4 T/2 3T/4 Feldvektor dreht im Gegenuhrzeigersinn: zirkular
Die Umwegleitung verzögert die V-Ebene um eine Viertelperiode. Der Feldvektor läuft im Kreis, in dieser Vorderansicht im Gegenuhrzeigersinn; nach IEEE ist das rechtszirkular (RHCP). Erhält die andere Ebene den Umweg, kehrt sich der Drehsinn um. Prüfe den Drehsinn deiner Antenne mit einer Messung.

Der Vorteil: Ein zirkular empfangendes System kennt keine tiefen Schwunde durch die Lage einer linear polarisierten, taumelnden Satellitenantenne. Es verliert dabei konstant 3 dB.

Der Nachteil: Sendet der Satellit gegenläufig zirkular, entsteht Kreuzpolarisation mit starker Dämpfung. Umschalten lässt sich bei dieser Beschaltung nichts. Das löst V3.5.

Formeln: λ/4-Umwegleitung

Länge der Leitung, die 90° Phasenverschiebung erzeugt:

λ = c f l U = VF · λ 4
  • λ: Wellenlänge im freien Raum in m
  • c = 299 792 458 m/s: Lichtgeschwindigkeit
  • f: Frequenz in Hz
  • l U: mechanische Länge der Umwegleitung in m
  • VF: Verkürzungsfaktor des Kabels (Datenblatt, z. B. 0,66 bei Vollpolyethylen)

Phasenverschiebung:

Δ φ = 360 ° · l U VF · λ = 90 °
  • Δφ: Phasenverschiebung zwischen den Ebenen in Grad

Rotorsteuerung

Ein Rechner berechnet aus den Bahndaten laufend Azimut und Elevation. Ein Rotor-Interface setzt diese Werte in Steuerbefehle für den Az/El-Rotor um.

Viele heutige Rotor-Interfaces verstehen das Yaesu-Protokoll GS-232 und lassen sich so von gängiger Tracking-Software ansteuern.Mehr zu Rotoren und Automatisierung folgt in V3.6.

Simulator-Aufgabe: Konzept D

Ersetze im Orbit- und Linkbudget-Simulator den Rundstrahler durch eine 70-cm-Kreuzyagi. Rechne einmal mit und einmal ohne LNA. Bahn, Standort und Zeitpunkt bleiben wie in V3.2.

Simulator-Eingaben: Konzept D (Kreuzyagi mit LNA) und D' (Kreuzyagi ohne LNA)

Schritt und Feld D D'
1 bis 3: Orbit, Locator, Satellit, Zeitpunkt wie in V3.2 wie in V3.2
Downlink: Antennengewinn 13 dBi 13 dBi
Downlink: Polarisation unverändert unverändert
Antennenrauschtemperatur (gesamt) 60 K 60 K
Kabel 1 (Bandpass und Umwegleitung) 0,6 dB 0,6 dB
Vorverstärker 1: Gewinn / NF 20 dB / 0,6 dB 0 dB / 0 dB (weggelassen)
Kabel 2: Typ / Länge Times LMR-400 / 20 m Times LMR-400 / 20 m
Vorverstärker 2: Gewinn / NF 0 dB / 0 dB 0 dB / 0 dB
Kabel 3 0 dB 0 dB
Empfänger: NF / Bandbreite 6 dB / 2500 Hz 6 dB / 2500 Hz

Annahmen für den Vergleich: Die Richtantenne ist genau auf den Satelliten ausgerichtet und sieht deshalb vor allem kalten Himmel (60 K); der Rundstrahler sieht auch den warmen Boden (150 K). [PRÜFEN: Feldbezeichnungen im Simulator]

Richtwerte: Die Kreuzyagi mit LNA erreicht rund −9 dB/K, also etwa 13 dB mehr als der Rundstrahler. Ohne LNA verliert sie rund 10 dB.

Erwartete Ergebnisse (aus Formeln berechnet, im Simulator zu prüfen)

Grösse D D' Toleranz
Systemrauschtemperatur T sys 169 K 1767 K ± 3 %
G/T −9,3 dB/K −19,5 dB/K ± 0,3 dB
Down-SNR im Vergleich zu A (V3.2) +12,7 dB +2,6 dB ± 0,3 dB

Fasse jetzt alle Konzepte zusammen. Die Tabelle enthält die Sollwerte aus V3.2 bis V3.4; trage deine Simulatorwerte daneben ein.

Zusammenfassung: Empfangskette 70 cm der Stationskonzepte im Vergleich

Konzept Lektion Antenne LNA T sys G/T Down-SNR zu A Bemerkung
A V3.2 2 Rundstrahler ja 252 K −22,0 dB/K 0 dB Vollduplex mit TRX und SDR
B V3.2 1 Rundstrahler mit Weiche ja 235 K −21,7 dB/K +0,3 dB nur mit zusätzlichen Filtern betriebssicher («!?»)
B' V3.2 1 Rundstrahler mit Weiche nein 1951 K −30,9 dB/K −8,9 dB sicher, aber unempfindlich
C V3.3 2 Rundstrahler ja 250 K −22,0 dB/K 0,0 dB zwei TRX, getrennte Strecken
D V3.4 Kreuzyagi 70 cm ja 169 K −9,3 dB/K +12,7 dB Rotor und Nachführung nötig
D' V3.4 Kreuzyagi 70 cm nein 1767 K −19,5 dB/K +2,6 dB Gewinn der Antenne trägt, LNA fehlt

Alle Werte für 435,5 MHz, 2500 Hz Bandbreite und die Annahmen aus den Eingabetabellen; aus Formeln berechnet, im Simulator zu prüfen.

Kontrollfrage

Die Kreuzyagi ohne LNA (D') ist noch 2,6 dB besser als der Rundstrahler mit LNA (A). Der LNA bringt an der Kreuzyagi aber zusätzlich über 10 dB. Was folgt daraus für die Planung?

Lösung anzeigen
  • Der grösste Hebel ist der Antennengewinn zusammen mit der tieferen Antennenrauschtemperatur: rund 12,7 dB zwischen A und D.
  • Der LNA ist an jeder Antenne der zweitgrösste Hebel: 10,2 dB an der Kreuzyagi, 8,9 dB am Rundstrahler.
  • Die Kreuzyagi verlangt aber Rotor, Mast und Nachführung. Wer das nicht bauen kann, holt mit LNA und gutem Kabel am Rundstrahler das Maximum heraus.
  • Eine Richtantenne ohne LNA verschenkt einen grossen Teil ihres Vorteils.

Merksatz:
Die λ/4-Umwegleitung macht aus einer Kreuzyagi eine zirkular polarisierte Antenne. Antennengewinn und LNA sind die grössten Hebel für den Empfang, Rotor und Nachführung sind der Preis dafür.

Mini-Selbsttest

Weiterführend

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