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QO-100-Übertragungsversuche mit Minimal-Uplinkantennen
In Bearbeitung
Stand: 5. Oktober 2021



Abb.1  Patchantenne in Richtung QO-100 ausgerichtet

Der Funkbetrieb über den geostationären Umsetzer "QO-100" erfolgt üblicherweise unter Verwendung von Parabolantennen ab etwa 60cm Durchmesser. Auf der Uplinkseite werden zudem auch vereinzelt Helixantennen eingesetzt. Zur Erzeugung von Signalen, die oberhalb der Rauschschwelle des QO100-Satellitenumsetzers liegen, sind Uplinkleistungen ab etwa +45dBi EIRP* erforderlich. Um vom Transponder übertragene Analogsignale auch erfolgreich aufnehmen zu können, müssen die Sendepegel dann noch einmal mindestens etwa 5dB ( CW ) bzw. 10dB ( SSB ) oberhalb des genannten Wertes liegen. Versuche mit modernen digitalen Übertragungsverfahren sollen allerdings ergeben haben, dass sich bei ihrer Verwendung oftmals auch noch Signale decodieren lassen, die mit geringeren Pegelwerten am Transponder ankommen, wobei diese ggf. auch noch deutlich unterhalb seiner Rauschschwelle liegen können. Damit würde in solchen Fällen auch die Verwendung geringerer Sendeleistungen und/oder kleinerer Antennenformen denkbar sein.
Nachdem die Nutzung der Digitalmodes allerdings nicht unerhebliche Anforderungen bezüglich Frequenzstabilität stellte, erinnerte ich mich stattdessen an Versuche, die ich vor einigen Jahren schon einmal im 20m- und 2m-Band mit einer einfachen Arduino-Bake in der Betriebsart "HELLSCHREIBER" durchgeführt hatte [1]. Nachdem sich bereits seinerzeit die enorme Robustheit von FELD-Hell-Signalen in Hinblick auf Rauschanteile, Störanfälligkeit, Frequenzgenauigkeit usw. herausgestellt hatte , entstand die Idee, diese Signale versuchsweise auch einmal in Richtung "QO-100" zu senden und dabei zudem die Verwendung kleiner Antennenformen für den 2.4 GHz-Bereich zu testen.

* EIRP-Werte ( Äquivalente isotrope Strahlungsleistung ) setzen sich aus der erzeugten HF-Sendeleistung und dem Antennengewinn zusammen, wobei die Summe allerdings noch um den Wert der überlicherweise bei der Signalzuführung zur Antenne entstehenden Kabelverluste zu reduzieren ist.


Auf der Suche nach geeigneten Antennenformen


Abb.2  Schmetterlings- bzw. Cloverleaf-Antenne

Bei der Suche nach geeigneten, auf dem Markt verfügbaren Antennenformen stiess ich auf die im Flugmodellbau zur drahtlosen Liveübertragung von Kamerasignalen benutzte FPV-Technik. Um Störungen aus dem Wege zu gehen, so wie sie durch vielfältige andere Anwendungen speziell im 2.4 GHz-Bereich existieren, wird für die Übertragung von TV-Signalen an dieser Stelle allerdings vorzugsweise das weniger stark belegte 5.8 GHz-Band verwendet und hierzu gibt es auch ein grosses Angebot an geeigneten Antennen incl. von RHCP-Versionen ( RHCP = rechtsdrehend Circular Polarisation ). Sehr überschaubar ist dagegen das Angebot an entsprechenden Versionen für den 2.4 GHz-Bereich, so wie sie für Versuche in Verbindung mit unserem "QO-100" infrage kommen.

  
Abb.3  Dreamliner-Antenne und ihre Richtcharakteristik

Wenn wir nur die hierfür interessanten Antennenversionen betrachten, so gibt es grundsätzlich mehrere mögliche Varianten. Zuerst zeigt Abb.2 die sog. Schmetterlings- bzw. Cloverleaf-Antenne [5]. Eine weitere Version ist in Abb.3 sichtbar. Sie wird unter dem Namen DREAMLINER angeboten [3] und besitzt eine weitgehend kugelförmige Antennencharakteristik mit lediglich einem Einschnitt in der Z-Achse. Ansonsten ist sie aber nahezu ohne jeglichen Gewinn.

Ein weiterer infrage kommender Antennentyp sind die Patchantennen [3]. Ihre wichtigsten Kenndaten sind ( nach Herstellerangaben ) Gewinnwerte um 8-11 Dbi und 3dB-Öffnungswinkel um 70° [3]. Über die Ergebnisse der Versuche mit beiden Typen wird weiter unten noch zu berichten sein.
 
 
Abb.4  Patchantenne TWO SLICES mit ( gem. Herstellerangaben ) etwa 8.6dB Gewinn und 70°-Öffnungswinkel

Die verwendeten Geräteanordnungen

Die Nutzung des Hellschreiber-Modes via QO-100 ist mit üblichen, z.B. einen SSB-Transceiver verwendenden Geräteanordnungen möglich. Geeignete PC-Programme dafür sind z.B. "fldigi" und die spezielle HELL-Software von IZ8BLY. Bei meinen Versuchen habe ich diese allerdings nur auf der Empfangsseite benutzt und verwendete auf der Sendeseite stattdessen eine kleine separate Bakenanordnung gem. Abb.5. Die Erzeugung der HELL-Signale erfolgte hierbei direkt auf Frequenzen im 2m-Band, so wie sie bereits unter [1] beschrieben wurde. Das Ausgangssignal des Si5351a wird anschliessend noch über ein Tiefpassfilter ( LFCN-120+ von MCL ) geführt und konnte an seinem Ausgang mit einem Pegel von 0dbm gemessen werden. Ein kleiner China-Breitbandverstärker ( mit MMIC "TQP3M9009" oder "SPF5189Z" ) bewirkte eine Signalanhebung auf etwa +20dBm. Als Eingangssignal für den nachgeschalteten DX-Patrol MK4-Upconverter und auch zum Ansprechen von dessen RF-Vox erwies sich das als ausreichend. Das vom Upconverter gelieferte 2.4GHz-Ausgangssignal wurde ebenfalls mit einem Pegel um +20dbm gemessen. Bevor es an die jeweils getestete Antenne geführt wurde, verstärkte es eine noch aus Zeiten von DG0VE vorhandene 13cm-PA auf etwa 5W bzw. +37dbm.


Abb.5  ( vereinfachtes ) Blockschaltbild der verwendeten Bakenanordnung

Praktische Übertragungsversuche

Empfangsmäßig erfolgten die ersten Übertagungstests unter Verwendung lediglich des BATC-Web-SDR's [2] und Nutzung des PC-Decoder-Tools "fldigi". Die zuerst benutzte  Arbeitsfrequenz war dabei noch in dem für Signalbandbreiten bis 2.7 KHz vorgesehenen Transponderbereich angesiedelt. Nachdem die tatsächlich belegte Bandbreite der erzeugten HELL-Signale jedoch unterhalb 500Hz liegt, sollen zukünftige Tests allerdings im entsprechenden für NB-Digital-Modes vorgesehenen QO-100-Transponderbereich ( Uplink: 2400.040-2400.080 MHz ) durchgeführt werden.


Abb.5a  ( schwache ) HELL-Signale im Wasserfalldiagramm der WEB-SDR-Software 

Die erste getestete Uplinkantenne war die sog. Dreamlinerversion der Firma Furious FPV [3] gemäß Abb.3. Bei  Decodierung der mit ihrer Hilfe via Transponder übertragenen Signale waren zwar bereits Signalansätze erkennbar ( Abb.6 ), aber hier fehlte doch noch etwas an Eingangspegel. Bei Verwendung einer Antenne mit bestenfalls 2dBi-Gewinn ist das allerdings auch nicht überrraschend. Unter Vernachlässigung der Werte von Kabelverlusten arbeitete ich bestenfalls mit einer EIRP von 37+2=39dBi und lag damit doch noch deutlich unterhalb der Rauschschwelle des Satellitentransponders. Immerhin ist es erstaunlich, daß überhaupt schon einige Signalfragmente sichtbar waren. Etwas mehr an Sendeleistung dürfte hier auf jeden Fall weiterhelfen.

Erste Versuche mit den ähnliche Parameter aufweisenden Kleeblatt- bzw. Cloverleaf-Antennen [5] verliefen bei mir dagegen erst einmal total negativ, sind aber noch nicht abgeschlossen ( Zur Zeit bin ich auch noch nicht ganz sicher, ob es sich bei den von mir getesteten Antennen um RHCP- oder LHCP-Versionen handelt ! ).   


Abb.6   HELL-Empfang unter FLDIGI mit Dreamliner-Antenne ( zur Grossdarstellung anklicken )

Deutlich besser war die Situation dagegen bei Einsatz von Patchantennen. Bei Nutzung einer erzeugten Sendeleistung von 37dBm ergeben sich ( wieder unter Vernachlässigung von Verlusten auf dem Antennnenkabel ) EIRP-Werte um 45-47dBi, womit man unmittelbar im Bereich der Rauschschwelle des Satellitentransponders liegt. Nach zumindest grober Ausrichtung auf den Satelliten, waren die via Transponder umgesetzten HELL-Signale auch sofort gut lesbar ( Abb.7b ). Hierbei zeigte sich, dass in besagtem Betriebsmode auch selbst nur geringfügig oberhalb der Rauschschwelle des Transponders liegende Signale verwertbar sind. Ebenfalls bestätigte sich bei den Versuchen, dass es sich bei den von den Herstellern genannten, im Bereich um 70 Grad liegenden -3dB-Öffnungswinkeln um durchaus realistische Werte handelt. Getestet wurden sowohl eine ebenfalls von Furious FPV stammende Patchantenne [3] ( Abb.4 ), als auch eine solche von Flytron [4] ( Abb.7a ), wobei diese m.E. geringfügig bessere Ergebnisse zeigte ( Abb.7b ).

       
Abb.7a-b   FLYTRON-Patchantenne und Empfang über sie abgestrahlter Signale unter FLDIGI ( 7b zur Grossansicht abklicken )

Einsatzmöglichen/Erweiterungen/Ideen usw.

Durch Verwendung der Minimalantennen ergeben sich interessante neue Anwendungsmöglichkeiten in Verbindung mit dem QO-100. Hierbei ist allerdings NUR an zeitlich sehr begrenzte Aussendungen gedacht. Obwohl technisch möglich, dürften Dauer-Bakenaussendungen auch kaum im Interesse des Satellitenbetreibers und der Nutzergemeinde sein. Denkbar sind dagegen jeweils kurzzeitige Aussendungen ( z.B. stündlich für wenige Minuten ) von z.B. Telemetriedaten wie GPS-Standort- und  Wetterinformationen. 

Unter Verwendung z.B. der bereits schon genannten PC-Programme ist aber auch klassischer QSO-Betrieb im HELL-Mode möglich. In diesem Zusammenhang sei zudem noch darauf hingewiesen, dass auch die in [1] beschriebene Bake einen Betriebsmodus besitzt, der eine serielle Eingabe beliebiger im HELL-Format aussendbarer Texte erlaubt.

Nachdem die erwähnten Patchantennen jeweils zumindest grob auf die Position des QO-100 ( Pos.: 26° OST ) ausgerichtet werden müssen, entstand die Idee zur Realisierung einer einfachen, mit einem elektronischen Kompass ausgstatteten und via Mikrocontroller einen Servomotor plus Antenne steuernden Anordnung. Mit ihrer Hilfe sollten sich auch auf Fahrzeugen installierte Sendeantennen immer automatisch in Richtung des Satelliten ausrichten lassen. Solange sich die Fahrzeuge dabei nicht auch wesentlich in Nord/Südrichtung bewegen würden, dürfte es dabei ausreichend sein, nur mit Azimutnachführung zu arbeiten und für den Elevationswinkel eine Fixeinstellung zu wählen. Dies Projekt ist derzeit allerdings noch nicht umgesetzt und erst einmal nur im Ideenstadium.

Für die Position des QO-100 ergeben sich für nahezu den gesamten afrikanischen Kontinent Elevationswinkel von mehr als 55 Grad. Somit sollte lückenloser Bakenbetrieb immer auch mit fest auf Fahrzeugdächern montierten Patchantennen möglich sein.

GUT GEMEINTER TIPP:
Beim Testen denkt man 99x daran, aber irgendwann passiert es dann doch: Verbindet man einen RP-SMA-Stecker mit einer Nicht-RP-SMA-Buchse ( Abb.8 ), so führt das zur Unterberechung der Verbindung zwischen den Innenleitern. Ich hatte es nicht sofort bemerkt, musste dann aber feststellen, dass ich wegen des daraufhin fehlenden Senderabschlusses auch sehr schnell den ( teuren ) Ausgangstransistor meiner PA in die ewigen Jagdgründe geschickt hatte!    


Abb.8

Linkliste
[1] http://www.kh-gps.de/feld-hell.htm
[2] https://eshail.batc.org.uk/nb/
[3] https://furiousfpv.com/product_info.php?products_id=754
[4]
https://store.flytron.com/products/2-4ghz-11db-rhcp-patch-antenna?_pos=2&_sid=b8be301e9&_ss=r

[5] https://hobbyking.com/de_de/2-4ghz-circular-polarized-antenna-rp-sma-set-short.html

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