Fragen und Antworten (FAQ) zum Patch-Erreger ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ von James Miller, G3RUH 2020 Jul 05 Übersetzt von Reinhard Richter, DJ1KM (+) 11. Marz 2002 Ich erhalte viele Fragen, die sich um den Patch-Erreger, Parabol-Antennen und verwandte Themen drehen. Die Antworten hierzu sind im folgenden Text zusammengefasst. Quelle: http://www.jrmiller.online/products/ger/patfaq.txt ___________________________________________________________________________ Was ist eine Patch-Antenne? -------------------------- Eine Patch-Antenne ist im wesentlichen ein Strahlerelement mit geringem Abstand zu einer Gegengewichtsfläche. Die Anordnung sieht oft aus wie eine rundes Pflaster, das auf eine flache Scheibe geklebt wurde, daher der Name Patch, was im Deutschen mit Flicken übersetzt werden kann (siehe auch Patchwork). Das Strahlerelement kann elektrisch klein sein, ein Bruchteil einer Wellenlänge. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die flache Antenne für GPS-Empfang. Häufig wird für die Ausführung eine gedruckte Schaltung verwendet, üblicherweise mit Glasfiber-Dielektrikum. Das Strahlerelement ist manchmal kreisförmig, aber auch quadratische oder lineare Formen können verwendet werden. Das Strahlerelement kann auch die volle Größe mit etwa 1/2-Wellenlänge im Durchmesser haben und mit Luft im Zwischenraum zur Gegengewichtsfläche. So ist unsere S-Band-Patch-Antenne ausgeführt. Wie funktioniert eine Patch-Antenne? ------------------------------------- Üblicherweise wird eine Patch-Antenne an einer Kante oder in geringem Abstand von einer Kante eingespeist. Wenn man die Seiten der Symmetrieachse betrachtet, kann man das als zwei nebeneinander liegende Schlitzantennen sehen. Man kann es auch als resonanten Topfkreis betrachten, dessen offene Seiten strahlen. Die relativen Phasen der Ströme in den beiden Seiten können mit einem Kondensator auf zirkulare Polarisation eingestellt werden. Wie verhält es sich mit dem ON6UG/G3RUH Patch? ---------------------------------------------- Unsere S-Band-Ausführung hat die volle Größe, welche den Öffnungswinkel auf eine Weite bringt, die zur Ausleuchtung einer Parabolantenne mit f/d 0,3 - 0,4 passt. Die Nebenkeulen sind vernachlässigbar klein, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Die Antenne "schaut" nicht über den Rand des Spiegels zum heißen und rauschenden Untergrund. Das Dielektrikum besteht aus Luft, welche keine Verluste hat und auch dazu beiträgt, dass die Antenne rauscharm ist. Die Bandbreite beträgt etwa 200 MHz. Dadurch werden Signale außerhalb des Durchlassbereiches abgeschwächt, die den üblicherweise breitbandigen Eingang eines Downkonverters unempfindlicher machen könnten. Auch hierdurch wird das Rauschen gering gehalten. Die Polarisation ist nahezu perfekt zirkular, passt damit zur Zirkularpolarisation des Satelliten AO-40 und empfängt maximale Signalspannung. Dieser Patch-Erreger zusammen mit einem leicht unterbeleuchteten Spiegel ergibt einen guten Gewinn, kleine Nebenkeulen und sehr geringes Rauschen, so dass die Eigenschaften von zeitgemäßen Downkonvertern mit extrem niedrigen Rauchfaktoren voll ausgenutzt werden können. http://www.jrmiller.online/products/ger/patch.html Kann der Erreger zum Senden verwendet werden? --------------------------------------------- Ja. Der Patch-Erreger ist im Sendebetrieb mit der maximalen Leistung der PA von 150 watt getestet. Falls jemand den Erreger mit mehr als dieser Leistung testen kann, so bitte ich um Nachricht. Wie wird die Patch-Antenne hergestellt? --------------------------------------- Der Patch-Erreger besteht aus 13 Einzelteilen. Davon sind 7 handelsübliche Teile, wie Schrauben und Muttern. Die verbleibenden 6 Teile werden speziell hergestellt, z. B. die Reflektorplatte. Diese werden in größeren Mengen von kommerziellen Werkstattbetrieben hergestellt, die dafür CNC-Maschinen einsetzen. Dadurch sind alle Teile gleich mit engen Toleranzen, und alle damit hergestellten Patch-Erreger sind identisch in ihren Werten. Die Präzisionsteile sind leider nicht billig, die Reflektorplatte mit dem Rand kosten z. B. schon ca. 45 Euro. Vor dem Zusammenbau werden die Teile einzeln auf Genauigkeit geprüft und dann entfettet. Danach werden sie nur noch mit Handschuhen angefasst. Jeder Patch wird in einer Einspannvorrichtung zusammengebaut, wobei auf die Einhaltung der Maße geachtet wird. Mit einer weichen Bürste und Pressluft werden die Teile wiederholt übergenau gereinigt. Nach dem Abgleich und dem Austesten wird der Patch in einer verschlossenen Kunststofftüte aufbewahrt bis er versandt wird. Für die Herstellung des Patch wird etwa eine Stunde gebraucht einschließlich der Zeit, die benötigt wird, um den Auftrag entgegenzunehmen, ihn in die Bücher einzutragen, E-Mails zu versenden, versandfertig einpacken und das Paket zu versenden. Wie hoch ist der Gewinn der Patch-Antenne? ------------------------------------------ Die Patch-Antenne hat einen Gewinn von 8,5 dBi und ist zirkular polarisiert. Der Gewinn wird auf zwei Arten bestimmt. Einmal wird das gemessenen Polar- Diagramm benutzt, mit dem der Gewinn mit 8,8 dBi errechnet werden kann. Zum zweiten durch direkte Messung mit Hilfe einer Messanordnung, die auf dem Amsat-UK Satellite Symposium 2001 vorgestellt wurde, das in der Universität von Surrey in Guildford, England stattfand. Der Gewinn wird verglichen mit dem einer standardmäßigen Hornantenne, deren Wert auf Grund der Abmessungen bekannt ist. Das ergab 8,5 dBi für den Patch, und dieser Wert wurde übernommen. Zum gleichen Zeitpunkt wurde eine große Anzahl anderer Antennen gemessen und ergaben vernünftige Werte, so dass man davon ausgehen kann, dass diese Messmethode zuverlässig und glaubwürdig ist. Addiert sich der Gewinn der Patch-Antenne zum Gewinn des Parabolspiegels? ------------------------------------------------------------------------ Nein. Der Gewinn des Erregers wird nicht zum Gewinn des Spiegels hinzugezählt. Der Zweck des Erregers ist, den Spiegel auszuleuchten (im Sendefall). Mit anderen Worten, HF-Energie auf die gesamte Fläche des Spiegels zu liefern. Im Empfangsfall soll die Patch-Antenne alle verfügbare Empfangsenergie vom Spiegel einfangen, ohne dabei unechte Signale von außerhalb des Spiegelrands zu empfangen. Der Gewinn eines Spiegels wird bestimmt durch dessen Fläche. Das theoretische Maximum für eine große perfekt ausgeleuchtete kreisförmige Öffnung wird bestimmt durch die Gleichung G = 4*PI*area, wobei area in Wellenlänge ausgedrückt wird. Allerdings ist die Ausleuchtung niemals gleichförmig. Spiegel haben begrenzte Größen, Nebenkeulen, einige Verluste usw., und der tatsächliche Gewinn eines Spiegels liegt bei typisch 45 - 65% des errechneten Maximalwertes. Kann man die Patch-Antenne auch alleine benutzen? -------------------------------------------------- Ja. Die Patch-Antenne kann als eigenständige Antenne mit 8,5 dBic Gewinn eingesetzt werden. Tatsächlich kann eine rechtszirkulare (RHCP) Ausführung der Patch-Antenne die Telemetrie von AO-40 fehlerfrei im Apogäum über einen großen Azimutbereich empfangen. Es ist zu beachten, dass die Standardausführung der Patch-Antenne für AO-40 linkszirkular (LHCP) polarisiert ist. Wenn sie in einem Spiegel installiert wird, kehrt sich die Polarisation um zu rechtszirkular (RHCP). Muss ich den 60-cm-Spiegel von G3RUH verwenden? ----------------------------------------------- Absolut nicht. Der Patch-Erreger kann mit Spiegeln jeder Größe verwendet werden. Das Polar-Diagramm passt für f/d-Verhältnisse (focal- length/diameter) im Bereich von 0,3 bis 0,5 . Man kann ihn auch für größere f/d als 0,5 einsetzen, aber dann ist der Spiegel überbeleuchtet, wodurch der Gewinn reduziert und der Nebenempfang vergrößert wird, weil die Antenne den thermisch warmen Boden hinter dem Spiegel "sehen" kann. Das heißt nicht, dass es nicht funktioniert, aber es funktioniert besser mit einem Spiegel mit kleinerem f/d-Verhältnis. Man kann auch TV-Offsetspiegel einsetzen. Diese haben üblicherweise eine f/d von 0,6, und dann treffen die Aussagen vom vorigen Absatz zu. Den Patch-Erreger kann man auch mit dem verbreiteten sog. BBQ-Reflektor (Barbecue dish), der eine rechteckige Form hat, einsetzen. Aber es gibt da ganz offensichtliche Grenzen, da das f/d-Verhältnis nicht in beiden Achsen gleich ist und die langen Schlitze den Wirkungsgrad beeinträchtigen. Der BBQ-Dish wurde ursprünglich für lineare Polarisation entwickelt. Ich hätte gerne den Patch mit einem SMA-Anschluss ------------------------------------------------- Ein SMA-Anschluss ist klein und hat andere Befestigungsmöglichkeiten als ein N-Anschluss. Daher müsste die Reflektorplatte entsprechend geändert werden. Für kleine Stückzahlen ist das unökonomisch. Ich empfehle, einen passenden Adapter zu verwenden. Außerdem ist ein SMA-Anschluss nicht kräftig genug, um das Gewicht eines direkt angeschlossenen Downkonverters unter widrigen Wetterbedingungen zu tragen. Die meisten SMA-Verbindungen sind auch nicht wasserdicht. Aus all diesen Gründen wurden SMA-Verbindungen in der Produktion nicht berücksichtigt. Werfen die Abstandshalter nicht Schatten in den Spiegel und verringern den Gewinn? ------------------------------------------------------------------------ Nein. In der Kombination Spiegel + Patch von G3RUH haben die Abstandshalter einen Durchmesser von 1/20 Wellenlänge im S-Band und sind daher effektiv unsichtbar für den Patch. Es gibt sehr viel größere Einflüsse auf die gute Funktion wie Ausbreitungsbedingungen und Amplitudenschwankungen auf Grund des Spins des Satelliten. Selbst wenn eine Abschattung auftreten könnte, wäre sie gut unter 1% ! Kann ich den Patch-Erreger mit Farbe behandeln? ----------------------------------------------- Es gibt keine elektrische Notwendigkeit, den Patch-Erreger mit Farbe zu behandeln. Aber man kann es aus Schönheitsgründen machen. Dabei darf allerdings keine Farbe in die Innenseite und auf die Plastikabdeckung gelangen. Schrauben Sie die M4-Hutmutter ab, um die Plastikabdeckung abzunehmen. Aufpassen, dass die Unterlegscheibe nicht abhanden kommt und die Mutter beim erneuten Zusammenschrauben nicht zu fest angezogen wird. Der zugehörige Spiegel kann auch angestrichen werden. * Verwenden Sie keine Farbe, die Metall enthält * Verwenden Sie keine Farbe, die Risse bilden oder Staub anziehen kann * Tragen Sie die Farbe nur dünn auf Bücher ------ Patch-Antennen tauchen nicht viel in Büchern auf, aber es gibt einige Abhandlungen. In Kraus "Antennas" zweite Ausgabe ISBN 0-07-035422-7 wird die Patch-Antenne allgemein diskutiert, aber für praktische Anwendungen sollte man die IEEE-Berichte der letzten 10 - 20 Jahre über Antennen und Ausbreitungen zu Rate ziehen. Verwandte Themen ================ Meine Antenne mit dem Erreger und der Downkonverter hört nichts -------------------------------------------------------------------- 1. Funktioniert die Antenne überhaupt? Überprüfen Sie es mit dem Sonnenrauschen-Test, der weiter unten bei dem Thema G/T besprochen ist. Falls Sie nicht mindestens 1 dB stärkeres Rauschen hören, wenn Sie Ihre Antenne zur Sonne ausrichten verglichen mit dem Rauschen, das Sie von weiter oben empfangen, ist Ihr System taub. Wahrscheinlich liegt es am Downkonverter oder an der Verkabelung, als nächstes kann es der Erreger sein. 2. Waren Sie auf der richtigen Frequenz? Bauen Sie sich die kleine S-Band-Bake, die von G0MRF in vielen AMSAT- Magazinen im Jahr 2001 beschrieben wurde. Siehe auch die Internet-Seite: http://www.g0mrf.com/source2.htm 3. Zeigt die Antenne auch richtig zum Satelliten? Große Antennen haben kleine Öffnungswinkel. 4. Ist der Transponder des Satelliten überhaupt eingeschaltet? Erkundigen Sie sich nach dem aktuellen Transponder-Fahrplan. Ich habe einen Parabolspiegel geschenkt bekommen... wie kann ich die Brennweite bestimmen? ------------------------------------------------------ Man kann die Brennweite eines Parabolspiegels durch Ausmessen der Tiefe und des Durchmessers berechnen. Gegeben: D = Durchmesser des Spiegels d = Tiefe des Spiegels Dann errechnet sich die Brennweite mit: f = D^2/(16*d) Die Form des Spiegels wird durch das Verhältnis der Brennweite zum Durchmesser beschrieben, geschrieben "f/D". Aus der obigen Gleichung ergibt sich f/D = D/(16*d) Viele Spiegel haben einen verstärkten Rand, der nicht Teil des parabolischen Bereichs ist. Dadurch wird der Gesamtdurchmesser größer als der elektrische Durchmesser. Hier beziehen sich "Durchmesser", "Tiefe" und "Brennweite" auf den parabolischen Bereich. ------ Beispiel: Ich habe einen Spiegel mit 90 cm Durchmesser und 161 mm Tiefe. Unter Verwendung der Formeln ergibt sich: f = D^2/(16*d) = (900 x 900)/(16 x 161) = 314 mm [Brennweite] f/D = D/(16*d) = 900/(16 x 161) = 0.35 [f/D Verhältnis] ----- Tipp: Um auf einfache praktische Weise die Brennweite von einem Spiegel zu ermitteln, klebt man ein paar kleine Spiegel auf die Oberfläche und richtet den Spiegel zur Sonne aus. Mit Hilfe eines Stücks weißen Papiers findet man dann die Stelle, wo die Reflektionen zusammentreffen. Man kann auch aus Aluminium-Küchenfolie kleine quadratische Stücke zurechtschneiden, die man mit Tesafilm auf die Fläche klebt. Was hat es mit G/T auf sich? ----------------------------- G/T steht für das Verhältnis von Gewinn zu Temperatur und ist das Maß für die Leistungsfähigkeit des Empfangssystems unter Einschluss der Umgebungseinflüsse, der Antenne und des Empfängers. Je größer der Gewinn desto besser (= mehr Signalstärke), und je geringer die Temperatur in Grad Kelvin desto besser (= weniger Rauschen). Das Verhältnis stellt diese beiden Parameter dar, größere Zahl = bessere Lösung. Mit einer Parabolantenne wird der größte Gewinn durch die Form des Spiegels und einen gut passenden Erreger erreicht, der den Spiegel ausleuchtet. Geringstes Rauschen wird durch mehrere Einflüsse erreicht: Eine ruhige Umgebung, wie man sie findet, wenn man nach oben in den Himmel schaut, einen richtig installierten rauscharmen Downkonverter, geringe Überbeleuchtung des Spiegels durch den Erreger, so dass die Nebenkeulen des Erregers nicht den Boden sehen und schließlich wenig Nebenkeulen des Spiegels, die gleichfalls den Boden sehen oder sonstige terrestrische Störungen aufnehmen könnten. Basierend auf Experimenten mit niedrigen Frequenzen, wo das Rauschen immer sehr hoch ist, wird häufig angenommen, dass der Gewinn und die entsprechende Signalstärke alles in Mikrowellen-Systemen ausmachen. Das ist nicht richtig. Hohe Signalstärke UND geringes Rauschen sind wichtig; nicht das eine oder das andere, sondern beides zusammen. Amateursysteme werden häufig nicht so sehr durch verminderten Gewinn sondern mehr durch zu viel Rauschen verschlechtert. Man bekommt leicht mehr Rauschen durch unzureichende Auslegung, durch einzelne Komponenten oder durch die Installation. Wie kann ich das G/T meines Systems messen? ------------------------------------------- Man braucht ein Signal von bekannter Stärke und eine Rauschumgebung in der gleichen Art, wie man sie benutzen will. Glücklicherweise gibt es beide, und sie sind frei verfügbar. Die Sonne ist die Signalquelle, und die Rauschumgebung ist schon vorhanden, nämlich der Weltraum. Sie richten die Antenne in den Himmel und messen, wie viel Rauschen aus dem Empfänger kommt. Dann richten Sie die Antenne auf die Sonne und messen noch einmal das Rauschen. Das Verhältnis dieser beiden Rauschwerte wird Zunahme des Sonnenrauschens genannt und steht in direkter Beziehung zu G/T. Nennen Sie dieses Verhältnis Y, dann ist für Antennen, deren Öffnungswinkel größer als der Durchmesser der Sonne ist: Y-1 G/T = --- I Wobei im S-Band I ~ 0,5 ist und vom Rauschen der Sonne abhängt (Solar Flux), das sich täglich ändert. Man kann diese Werte für jetzt und die kürzliche Vergangenheit im Internet erfahren unter: ftp://ftp.swpc.noaa.gov/pub/lists/radio/45day_rad.txt In diesen Tabellen wird tatsächlich der Solar Flux bei 2,695 GHz angezeigt (typisch 120, kann aber erheblich abweichen). Der Wert muss für 2,4 GHz etwas umgerechnet werden. Wenn man das macht, bekommt man: 235 G/T = (Y-1) ------------ SFU @ 2,7GHz Ein Beispiel: Der G3RUH-Spiegel + Patch-Erreger + Kuhne Downkonverter MKU-24 haben am 25. Juli 2001 eine Zunahme des Sonnenrauschens von 2,44 dB ermittelt. Das ergibt Y=10^(2,44/10) = 1,75. An diesem Tag waren der Solare Flux für 2,7 GHz 129 und G/T = 1,37 (die Einheiten sind K^-1). Um die Leistung über den NF-Ausgang eines Empfängers zu messen, ist es erforderlich, dass die Schwundregelung (AGC) abgeschaltet ist. Da das S-Meter üblichwerweise von der AGC gesteuert wird, ist es ein Hinweis auf eine aktive AGC, wenn sich der Zeiger bewegt. Man muss dann die HF- Verstärkung reduzieren oder einen Abschwächer in den Antenneneingang einfügen, damit das S-Meter nicht mehr anzeigt. Bei einigen Geräten kann man die AGC von Hand ein- und ausschalten. Andererseits ist eine Zunahme des Sonnenrauschens von 2,4 dB auch schon gut zu hören, und das ist alles was man wissen muss. Man sollte ein Drehspul-Messgerät mit einem Wechselspannungsbereich für die Messung verwenden. Aber da der Zeiger ziemlich zappelt, gehört schon etwas Geschick dazu, ein Messergebnis abzulesen. Machen Sie aber keine Messungen, wenn die Sonne niedrig am Himmel steht, weil dann die Antenne auch zusätzlich das Rauschen vom Boden aufnimmt und das Ergebnis verfälscht. Was kann ich mit G/T anfangen? ------------------------------ G/T ist eine Messgröße für die System-Performance (gibt es ein besseres deutsches Wort hierfür?), und wenn Sie diese von Zeit zu Zeit nachprüfen, wissen Sie, ob das System noch einwandfrei funktioniert oder ob es ein Problem gibt. Um das obige Beispiel fortzuführen, wenn die Zunahme des Sonnenrauschens nicht 2,4 dB ist, sondern nur 0,2 dB an irgendeinem Tag, dann sieht es verdächtig nach einem Problem aus. Sie können auch die Rauschtemperatur (in Grad Kelvin = K) Ihres Systems schätzen. Beispiel: Ein 60-cm-Dish von G3RUH hat im S-Band einen Gewinn von ca. 21 dB oder 10^(21/10) = 126 . Wenn G/T = 1,37 ist, dann beträgt T = 126/1,37 = 93K. Das würde sich aus dem Konverterrauschen (45K), dem Antennenrauschen (möglicherweise 20K) und dem Himmelsrauschen (möglicherweise 30K). Wenn Sie eine Änderung an Ihrem System vornehmen, z.B. einen anderen Konverter, Spiegel oder Erreger einsetzen, zeigt Ihnen G/T untrüglich an, ob Sie sich verbessert haben oder nicht. Detaillierte Ergebnisse eines Sonnenrauschen-Tests mit einem 60-cm-Spiegel und Patcherreger über ca. einen Monat sind zu finden unter: http://www.jrmiller.online/products/ger/figs/sun-deu.zip Original 2002 Mar 11 Abändern 2018 Jan 29 - Info Sendebetrieb; URLs 2018 Nov 22 - NOAA uri 2020 Jul 05 - URLs