QO-100-Uplink-Übertragungsversuche
mit u.a. Patchantennen
In Bearbeitung
Stand: 23. 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 )
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.
Das Projekt ist derzeit allerdings noch nicht endgültig umgesetzt,
sondern befindet sich noch im Teststadium ( Abb.8 ). Vorgesehen ist die Verwendung
eines Magnetometersensors ( mit HMC5883L oder QMC5883L ) und eines von einem
ARDUINO-Prozessor gesteuerten Stepper-Motors ( 28BYJ-48 ). Der in Abb.8 erkennbare
Drehteller ist für genannten Motor ausgelegt. Unter
der Bezeichnung 3436337 ist er bei Thingiverse als 3D-Druckvorlage
verfügbar.
Abb.8 Versuchsanordnung zur kompassgesteuerten Antennenausrichtung
Für die Position des QO-100 ergeben sich für nahezu
den gesamten afrikanischen Kontinent Elevationswinkel von mehr als 55
Grad. Somit sollte lückenloser Bakenbetrieb hierbei auch immer nur
mit fest auf Fahrzeugdächern montierten Patchantennen möglich
sein.
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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.9 ), 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!
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Abb.9
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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