Antena Turnstile UHF do obserwacji satelitarnych

Wstęp

Od dawna fascynował mnie kosmos, a zwłaszcza to co w nim się znalazło dzięki ludzkiej wiedzy i pracy. Po osiągnięciu istotnych kamieni milowych dla ludzkości jak: lądowanie człowieka na Księżycu, czy budowa Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), człowiek zaczął badać, komercjalizować i wykorzystywać kosmos na szerszą skalę. Okazuje się, że w bliskiej przestrzeni kosmicznej całkiem sporo się dzieje. Rozwój technologii spowodował, że ludzie zaczęli wysyłać na niską orbitę okołoziemską różnego typu satelity dokonujące pomiarów i świadczące dedykowane usługi, co zaowocowało tym, że mamy nad sobą całkiem gęstą siatkę przemieszczających się statków kosmicznych, komunikujących się z Ziemią przy pomocy fal radiowych przesyłając użyteczne dane i telemetrię.

Nie wszystkie dostępne dane są dekodowalne, jednak w sporej liczbie przypadków są to dane otwarte. Podróżujące informacje transmitowane są różnymi emisjami z różnymi mocami i pochodzą z różnych anten. Jest więc czym się zachwycić – zwłaszcza, że praktycznie każdy może samodzielnie “posłuchać” tego jak mówią do nas satelity…

W trakcie poszukiwań informacji z zakresu komunikacji z satelitami natknąłem się na projekt SatNOGS mający na celu stworzenie globalnej sieci naziemnych stacji odbiorczych umożliwiającej śledzenie czynnych satelitów z największą możliwą dostępnością. Możliwe to będzie wówczas, gdy międzynarodowa społeczność zasponsoruje budowę dużej ilości stacji odbiorczych rozsianych po całym globie. SatNOGS dostarcza rozwiązanie gromadzenia i przetwarzania danych, jednak by ta sieć działała trzeba do niej dostarczyć rzeczone dane. I tu zaczyna się przygoda z tytułową anteną, do budowy której inspirację zaczerpnąłem ze strony projektu z sekcji opisującej propozycje typów anten możliwych do wykonania samodzielnie.

Istnieją dwa sposoby na odbiór sygnałów docierających ze statków kosmicznych: przy pomocy anten nieruchomych, których charakterystyka powinna być taka by antena widziała to co dzieje się ponad nią w szerokim zakresie kątowym (co okupione jest niską czułością takich rozwiązań), oraz przy pomocy kierunkowych anten o wąskim kącie widzenia, lecz dużym zysku energetycznym (np. Yagi-Uda) wspomaganych instalacją mechaniczną pozwalającą na śledzenie obserwowanego obiektu w czasie jego wędrówki po nieboskłonie.

Ze względu na ułatwienie sobie wejścia w temat obserwacji satelitarnej postanowiłem zmierzyć się z budową prostszego wariantu – czyli anteny stałej. Po analizie materiałów dostępnych w literaturze i Internecie zdecydowałem się na budowę anteny typu Turnstile, która swą nazwę zawdzięcza sposobie jej wykonania. Antena wygląda bowiem jak… bramka-kołowrotek, jakie widuje się w różnych miejscach o ograniczonym dostępie. Spośród dwóch wersji tej anteny wybrałem wersję z polaryzacją kołową – dedykowaną do obserwacji satelitarnych.

Antena składa się z części aktywnej złożonej z dwóch dipoli półfalowych zasilanych kwadraturowo (przesunięcie fazowe sygnału pomiędzy nimi o 90[o]), oraz części pasywnej montowanej poniżej w osi anteny w odległości 1/4 lambda od radiatorów. Część aktywna połączona jest elektrycznie tak, by antena była czuła na sygnał rotujący w prawą stronę. Część pasywna to nie stykające się ze sobą reflektory półfalowe ustawione względem siebie prostopadle. Dzięki takiej konstrukcji otrzymujemy antenę kierunkową o szerokim kącie widzenia w górę, pracującą z kołową polaryzacją sygnału – umożliwiającą odbiór informacji z przemieszczających się i rotujących satelitów.

Zważając na rozmiary konstrukcji zdecydowałem się na budowę wersji UHF gdzie odbierane sygnały zawierają się w przedziale częstotliwości: 435-438[MHz]. Postanowiłem celować w częstotliwość środkową 436.50 [MHz] i zobaczyć co uda mi się osiągnąć.

Budowa

Po analizie materiałów i przygotowaniu pliku Excell, gdzie wykonywałem obliczenia długości elementów konstrukcji, wybrałem się na zakupy. Zależało mi na tym, by promienniki części aktywnej były o średnicy 2,5-3,5[mm] in nie były aluminiowe ponieważ nie da się tego ani sensownie lutować, ani łączyć mechanicznie z przewodami miedzianymi (w sensie bardzo amatorskim). W sklepie znalazłem rurki mosiężne o średnicy 3[mm] i postanowiłem je zakupić. Na reflektory zaplanowałem rurki aluminiowe o średnicy 4[mm] – nie są elektrycznie podłączane do okablowania więc ta opcja wydała się rozsądna budżetowo. Do tego rury PP (fi 32[mm], dł. 30 i 100[cm]), garść dodatkowych elementów i powrót do domowego warsztatu.

Na pierwszy ogień poszła rurka mosiężna, którą przyciąłem na cztery odcinki po 16,3[cm]. Przy tej długości promienników i zakładanym współczynniku skrócenia fali Vf = 0.95 miałem wstrzelić się w okolicę rezonansu dipola przy częstotliwości 436.5[MHz].

Niestety nie dotarłem do źródła publikującego współczynnik skrócenia dla mosiądzu więc założyłem bezpiecznie, że pójdę w wartość przeznaczoną dla miedzi, ponieważ mosiądz zawiera jej procentowo dość dużo. Plan zakładał późniejszy pomiar gotowego dipola i ew. docięcie promienników do wymaganej długości.

Po przeglądnięciu zasobów warsztatowych odkryłem, czekającą na swoje pięć minut, szczelną puszkę instalacyjną (80x80x60[mm]), którą postanowiłem przeznaczyć na aktywną część anteny – głownie ze względu na to, że ustabilizowanie promienników, oraz możliwość ich elektrycznego połączenia jest w takiej puszce łatwiejsza niż w rurze (mającej stanowić szkielet anteny) o stosunkowo małym przekroju. Związane to jest oczywiście z dostępną przestrzenią i łatwością dostępu do niej.

W wieczku puszki wykonałem centralny otwór o średnicy 10[mm], przez który do jej wnętrza przeprowadzona będzie linia zasilająca. Puszka będzie mocowana “do góry nogami” ze względu na późniejsze specyficzne wykorzystanie jej głębokości, ale o tym w dalszej części.

Następnie w ściankach bocznych wieczka wykonałem centralnie po jednym otworze o średnicy 3[mm] przez które do wnętrza dostaną się końce najważniejszej części anteny – promienników.

Następnie przyszedł czas na przygotowanie mocowania dla promienników wewnątrz puszki. Do tego celu wykorzystałem kostkę elektryczną pozwalającą na skręcanie drutów o średnicach do 4[mm].

To najlepszy pomysł na jaki wpadłem podczas zakupów, na które nie przeznaczałem zbyt dużo czasu. Zależało mi na tym, by nie łączyć z miedzią aluminium więc połączenie kostka + mosiądz wydawało się być OK.

Wstępna przymiarka pokazała, że należy trochę rozwiercić otwory w wieczku by swobodnie przetykać promienniki przezeń i kostkę. Dodam tu, iż przy oznaczaniu miejsca wiercenia otworów w ściankach wieczka uwzględniałem fakt późniejszej instalacji segmentów kostek by nie okazało się, że mimo możliwości wprowadzenia rurki mosiężnej nie udałoby się jej włożyć do kostki. Wykonanie potrzebnych pomiarów byłoby dość trudne bez użycia suwmiarki.

Ostateczne mocowanie czterech segmentów śrubowych do wieczka puszki instalacyjnej zostało wykonane przy pomocy kleju na gorąco. Ten szybki i tani sposób umożliwił solidne ustabilizowanie mechanizmu połączeniowego.

Po zainstalowaniu promienników dipoli pojawił się problem związany z nie przemyślanym miejscem wklejenia segmentów kostki elektrycznej. Otóż, aby podłączyć kabel koaksjalny w celu wykonania pomiaru parametrów dipola musiałem przedłużyć jego promienniki odcinkami drutu miedzianego. Gdyby śrubunki wklejone zostały bliżej środka wieczka bez problemu wkręciłbym kabel sygnałowy bezpośrednio do nich, a tak prawdopodobnie dodałem właśnie nadmiarowe odcinki promiennika…

Pomiar impedancji zespolonej i SWR, wykonanej świeżo skalibrowanym NanoVNA, oraz kablem EK-H155 o długości około 10[cm] (celem uniknięcia okolicy ćwiartki długości fali) ujawnił, że przy planowanej częstotliwości pracy anteny raczej nie ma co myśleć o zadowalającej efektywności. SWR na poziomie 2 to coś co powinno się dać łatwo poprawić w przypadku dipola…

Szerszy pomiar ujawnił, że antena jest po prostu za długa i minimum SWR wypada dużo poniżej zakładanej częstotliwości pracy anteny, bo przy 369[MHz].

Sytuacja taka jest potwierdzeniem, iż dodanie odcinków drutu miedzianego ułatwiającego montaż feedera miało wpływ na efektywną długość elementów anteny. Jednocześnie zacząłem zastanawiać się nad poprawnością założonej wartości współczynnika skrócenia dla mosiądzu oraz nad tym w jaki sposób zasilam budowaną antenę.

Po przeanalizowaniu wykresów i dokonaniu pomiarów rzeczywistych rozmiarów elementów anteny doszedłem do następujących wniosków:

  • zasilanie anteny kończy się, a promienniki zaczynają w miejscu, gdzie oplot kabla koncentrycznego oddzielony jest od izolacji żyły środkowej,
  • długość promienników należy liczyć, w przypadku tej konkretnej konstrukcji, od środka wieczka, nie zaś od miejsca skręcenia rurek mosiężnych w kostce,
  • przy promienniku przyciętym na 16.3[cm] całkowita długość od środka wieczka do krańca promiennika wyniosła 18.5[cm] co daje dodatkową powierzchnię promieniującą o długości 22[mm] na ramię dipola.

Postanowiłem przeliczyć otrzymane dane by uzyskać poprawiony współczynnik skrócenia fali, dzięki któremu miałem wyliczyć nową długość promienników.

    \begin{equation*}\frac{\lambda_E}{4} = 18.5cm => \lambda_E = 74cm\end{equation*}\begin{equation*}\lambda_E = \frac{c}{f}*V_f => V_f = \frac{\lambda_E * f}{c}\end{equation*}\begin{equation*}V_f = \frac{0.74m * 369MHz}{300M \frac{m}{s}} = 0.91\end{equation*}

Zgodnie z obliczeniami poprawiony współczynnik skrócenia wynosił teraz 0.91 co stanowiło podstawę do ponownego przeliczenia długości ramion dipoli.

    \begin{equation*}\lambda_E = \frac{300M \frac{m}{s}}{436.5MHz}*0.91 = 0.625m\end{equation*}\begin{equation*}\frac{\lambda_E}{4} = 15.6cm\end{equation*}

Dla zadanej częstotliwości długość fizyczna ramienia dipola powinna wynosić 15.6[cm], co daje długość promiennika mosiężnego 13.4[mm]. Różnica w stosunku do długości pierwotnej to około 3[cm] i o tyle skróciłem każdą z rurek.

Powtórzony pomiar impedancji i SWR pokazał, że teraz jestem w miejscu, w których chciałem być na samym początku.

Niestety miejsce pomiaru (na wyciągniętej ręce w domu) nie odwzorowywało dokładnie miejsca, w którym antena miała ostatecznie pracować, zaś mnie gonił czas związany z jej budową. Założyłem – patrząc na przebieg SWR, oraz opierając się o teorię, iż dipol w wolnej przestrzeni ma około 72[Ohm] – że okolice 70[Ohm] to prawdopodobna wartość rezystancji prezentowanej przez każdy z dipoli w miejscu instalacji (na zewnątrz budynku na wysokości 2,5-3.5 lambda nad ziemią).

Ale zaraz – przecież te dipole będą podłączone równolegle. Z przesunięciem fazowym, ale nadal równolegle. Oznacza to, że efektywna impedancja widziana od strony ich zasilania to połowa tej wartości… Szybki szacunek rozpiętości wartości dla pojedynczego dipola to 61-72[Ohm] co daje 30.5-36[Ohm] dla tandemu. I właśnie z czymś tego rzędu przyjdzie się zmagać linii zasilającej podłączonej do anteny. Oczywiście wartość chwilowa zależeć będzie od wielu zmiennych jak wysokość na gruntem, jego typ, wilgotność czy bliskość elementów przewodzących więc nie ma co bawić się w aptekarza (przy tych stosunkowo dużych długościach fali) i przyjąć, że będzie to coś w okolicy 30-paru[Ohm].

Mając na uwadze, iż obwody wejściowe odbiornika oczekują dopasowania toru radiowego do standardowej wartości 50[Ohm] przeszedłem do etapu wykonania obwodu dopasowującego. Jako, że nieciągłości impedancji to główny powód odbić sygnału i strat wywołanych falą stojącą w kablu koncentrycznym różnicę pomiędzy pożądaną wartością 50[Ohm], a 30-kilkoma[Ohm] należało zniwelować.

Źródła opisujące budowę anteny Turnstile, które poznałem dotychczas, wskazywały na wykonanie transformatora impedancji w oparciu o odcinek kabla koncentrycznego o długości 1/4 lambda. Odcinek o tej charakterystycznej długości elektrycznej ma takie właściwości, że transformuje impedancję pomiędzy obiema swoimi stronami z zależnością:

    \begin{equation*}Z_{in} = \frac{Z_0^2}{Z_{out}} => Z_0 = \sqrt{Z_{in}*Z_{out}}\end{equation*}

co w przypadku dopasowywania 50[Ohm] do powiedzmy 36[Ohm] wymagałoby zastosowania kabla koncentrycznego o impedancji charakterystycznej 42[Ohm].

Zamiast wykorzystywać dodatkowy odcinek kabla o nietypowej impedancji postanowiłem spróbować czegoś innego. Mianowicie transformator 1/12 lambda. Ma on tę zaletę, że wykonuje się go z dwóch odcinków okablowania prezentującego impedancje, które chce się dopasować. Oba odcinki muszą być docięte na długość około 1/12 lambda (korekta zależy od tego jak oddalone wartości chcemy transformować -> kalkulator). Z odcinkiem 50[Ohm] nie ma problemu, zaś uzyskanie 30-paru [Ohm] jest możliwe, przez równoległe podłączenie odcinków kabla RG59 o impedancji charakterystycznej 75[Ohm]. Daje to element 37,5[Ohm]. Wynik “dość dobrze” zbliżony do tego czego potrzeba zatem może być!

Starałem się w miarę precyzyjnie docinać obliczone długości każdego z kabli i liczyłem ich długość między środkami przerw pomiędzy zdjętym oplotem, a zakończeniem izolacji żyły środkowej.

Dla transformatora na 436.5[MHz] przygotowałem kable o następujących długościach fizycznych:

  • 1 odcinek 50[Ohm] kabla EK-H155 (FP) o długości 4.56[cm] (Vf = 0.81),
  • 2 odcinki 75[Ohm] kabla RG59 (PE) o długości 3.72[cm] (Vf = 0.66).

Następnie kable połączyłem razem i otrzymałem potrzebny mi transformator 1/12 lambda.

Kolejnym etapem było przygotowanie odcinka linii opóźniającej o 90[o] sygnał pomiędzy dipolami – co przekłada się na długość fazową 1/4 lambda. Jako, że pojedynczy dipol przedstawia sobą impedancję w okolicach 70[Ohm] sygnał opóźniany potrzebował wędrować czymś “w miarę” dopasowanym. Pod ręką był kabel RG59. Odcinek o długości 11.34[cm] został przygotowany i nastąpiło połączenia transformatora impedancji oraz linii opóźniającej wewnątrz puszki.

Należy zaznaczyć iż istotnym było zapewnienie poprawnej kolejności podłączenia dipoli, aby uzyskać polaryzację prawoskrętną – bardziej popularną przy komunikacji z satelitami. Zasada podłączenia jest taka, że patrząc od góry anteny środkowy przewód linii opóźniającej powinien być dołączony do ramienia dipola sąsiadującego z ramieniem tego zasilanego ze środkowego przewodu linii zasilającej antenę w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (na lewo). Taki układ powoduje, że w kierunku od anteny w górę wektor elektryczny będzie rotował w prawą stronę -> wiki.

Jako, że linia opóźniająca wyszła dość długa dolna część puszki znakomicie uratowała sytuację pozwalając na bezproblemowe zmieszczenie w niej dość sztywnego, wygiętego i nie dającego się układać kabla.

Po skręceniu puszki budowa części aktywnej anteny dobiegła końca.

Dalszym etapem było umożliwienie zamocowania puszki z promiennikami do rury stanowiącej szkielet anteny. Do tego celu wykorzystałem korek zatykający. Przewierciłem go tak, by pozwolił przecisnąć elementy transformatora impedancji i przykleiłem go centralnie do puszki klejem na gorąco (uszczelniając przy tym połączenie). Miejsce klejenia na puszce uprzednio zmatowałem (wiele skrzyżowanych nacięć plastiku nożem tapicerskim).

Aby antena posiadała charakterystykę pozwalającą jej patrzeć głównie w niebo należy dodać poniżej reflektory w odległości 1/4 lambda od elementów zasilanych. Reflektory, jako elementy pasywne, wykonane zostały z rurek aluminiowych o średnicy 4[mm] w postaci ciągłych odcinków o długości elektrycznej pół fali (32.3[cm]). Biorąc pod uwagę, iż elementy zasilane są dwa ułożone prostopadle to i reflektory muszą być zorientowane tak samo. I o ile w przypadku promienników części aktywnej mogły one być montowane w jednej płaszczyźnie, o tyle z reflektorami tak zrobić się już nie da. Jeśli mechanicznie byłoby to wykonalne to stanowiłoby elektrycznie zwarcie, a elementy te muszą pracować niezależnie.

Z obliczeń wyszło, że dystans promienników do reflektorów to 17.18[cm] więc narysowałem sobie na rurze linię w odpowiedniej odległości od środka promienników i wykonałem dwa prostopadłe odwierty na wylot o średnicy 4[mm]: jeden trochę powyżej, a drugi trochę poniżej linii. Biorąc pod uwagę ilość kompromisów jakie do tej pory przeszły przez projekt ten kolejny nie powinien zepsuć anteny do reszty, zwłaszcza, że to jest antena odbiorcza, a te rozwiązania wybaczają więcej. Przez przygotowane otwory przełożyłem rurki.

Przedostatnim etapem montażu mechanicznego było dołączenie kabla zasilającego (EK-H155) do wolnego końca transformatora impedancji i zabezpieczenie połączenia długim odcinkiem rurki termokurczliwej.

Na koniec należało przełożyć resztę feedera przez rurę z reflektorami umożliwiając szczelne zamknięcie całości. Owa szczelność pochodzi z systemu łączenia rur opierającego się na uszczelkach montowanych w kielichach zwieńczających każdą z rur które to ciasno oplatają połączenia wykonywane na wcisk. Efekt końcowy zaprezentowany jest poniżej.

Na koniec dokonałem pomiaru anteny, aby zorientować się czy konstrukcja ma szansę działać. Ku mojemu zdziwieniu dla częstotliwości 436.5[MHz] antena prezentowała rezystancję 72[Ohm] z reaktancją 7.77[nH] i SWR 1.66, a dołek SWR był usytuowany przy częstotliwości 433.9[MHz] z wynikiem 1.52.

Antena została podłączona do odbiornika RTL SDR v3 i komputerka Raspberry Pi 3B+ z zainstalowanym oprogramowaniem SatNOGS do akwizycji danych z satelitów i okazała się być skuteczna. Po dokręceniu wzmocnienia toru RF odbiornika w ciągu kilku dni wykonałem tą anteną wiele obserwacji, z których dało się dekodować wiadomości CW, cyfrowe dane telemetryczne oraz odsłuchiwać sygnały dźwiękowe transmitowane przez niektóre z nich (m.in. przez repeater amatorski zamontowany na ISS).

Podsumowując jestem zadowolony z tej konstrukcji, będącej wstępem do świata techniki satelitarnej i eksploracji kosmosu. Sama konstrukcja wymaga większej precyzji i usprawnień, lecz mimo to spisała się od pierwszego uruchomienia. Wiedza nabyta podczas jej wykonywania jest nieoceniona zaś radość z użytkowania anteny jest wystarczająca na tyle by rozglądać się za kolejnym ciekawym projektem 🙂

Mam nadzieję, że opis budowy zaprezentowanej tu anteny będzie pomocą i inspiracją dla czytelników interesujących się komunikacją ze statkami kosmicznymi…

Co należałoby zmienić

Poniżej wylistowuję zagadnienia, które należałoby wziąć pod uwagę projektując kolejną, udoskonaloną, wersję zaprezentowanej anteny i związanego z nią toru radiowego:

  • zamiast puszki instalacyjnej wydruk 3D mocowania promienników zakładanego na rurę z uwzględnieniem instalacji elementów umożliwiających podłączenie feedera/linii opóźniającej,
  • opracowanie sposobu na łagodniejsze zaginanie linii opóźniającej (jakiś karkas 3D?),
  • wydruk 3D uchwytów mocujących reflektory zakładanych na rurę niwelując potrzebę wiercenia w niej otworów,
  • uszczelnienie silikonem dekarskim elementów przekładanych przez wiercone otwory i zakończeń rurek,
  • dodanie złącza żeńskiego UHF/N u podstawy rury,
  • użycie dwóch takich anten odpowiednio sfazowanych by uzyskać większy zysk energetyczny (czy i jak wpłynie to na charakterystykę anteny?),
  • dodanie LNA pomiędzy anteną i odbiornikiem,
  • użycie dodatkowych filtrów FM/GSM/LTE/WiFi, gdy potrzeba, by nie przeciążać wejścia odbiornika i nie pogarszać jego dynamiki.

Miłego antenowania!