Für die Kommunikation mit einem Amateurfunksatelliten ist ein zirkular polarisierter Richtstrahler nötig, mit dem im 13-Zentimeter-Band auf einer Frequenz von 2,4 GHz gesendet werden kann. Für die Herstellung der ausgewählten Helixantenne müssen jedoch die Parameter der Antenne bestimmt werden, die man aus der geforderten Frequenz von 2,4 GHz berechnen kann.
- Wellenlänge
λ = c/f = 3*10^8 m/s / 2,4 GHz = 0,125 m = 125 mm - Spulendurchmesser
D = λ/π = 125 mm / π = 39,79 mm - Wendelumfang
U = D * π = 40 mm * π = 125,66 mm - Steigung
S = 0,25 * λ = 0,25 * 125 mm = 31,25 mm
Mit der Wickelhilfe von DC8PAT wurde die Antenne aus einem Kupferdraht mit einem Querschnitt von 10 mm² nach den berechneten Parametern mit 3,5 Windungen linksgewickelt, da der Parabolspiegel die Polarisation dreht und das Signal rechtspolarisiert gesendet werden muss.
Sie wird auf einen Träger eingespannt, der über eine Klebeverbindung am Reflektor montiert ist. Sowohl Träger als auch Wickelhilfe wurden durch 3D-Druck hergestellt. Der Durchmesser des aus Aluminium bestehenden Reflektors beträgt für die optimale koaxiale Speisung ca. 1λ , besitzt eine Bohrung für den N-Stecker und eine Dicke von 5 mm. Mit dem spulenförmigen Anpassungsglied, das die Verbindung von N-Stecker und Antenne durch Anlöten gewährleistet, kann durch Veränderung des Windungsabstands oder auch Überbrücken einzelner Windungen die optimalen Sendeeigenschaften erzielt und mit einem Vector Network Analyzer (VNA) überprüft werden.
Der Vector Network Analyzer
Mit dem VNA wird die Antenne nun auf das Stehwellenverhältnis (SWR) und den Wellenwiderstand überprüft. Das Stehwellenverhältnis gibt an, wie sich hinlaufende und rücklaufende Welle in einem System verhalten. Wird eine hinlaufende Welle durch Fehlanpassungen reflektiert, können sich diese und die zurücklaufende Welle überlagern und erzeugen so Minima und Maxima, die als Stehwellen bezeichnet werden.
Hier wird ein Wert von 1 angestrebt und bis 2,5 toleriert, Durch einen Wellenwiderstand von 50 Ohm wird die Energie einer einlaufenden Signalwelle optimal umgesetzt, sodass keine zurücklaufende Welle entsteht. Eine weitere Überprüfung kann mit dem Smith-Diagramm vorgenommen werden. Es ist eine spezielle Darstellungsform der komplexen Wechselstromrechnung und zeigt nur die rechte Hälfte der komplexen Ebene, die auf das Innere des Einheitskreises abgebildet ist. Dadurch liegen die komplexe Zahl und ihr Kehrwert punktsymmetrisch zum Kreismittelpunkt und die Bezugsimpedanz von 50 Ohm ist zentral in der Mitte zu finden. Mit dem VNA ist es nun also möglich frequenzselektiv neben der Amplitude die Phasenlage von hin- und rücklaufenden Signalen zu messen. Notwendig dafür ist eine Kalibration, da der Analyzer die Messergebnisse nur mit einer vordefinierten Bezugsebene anzeigen kann. Dafür wird ein Kalibrierkit verwendet, mit dem wir den VNA auf Kurzschluss (Short), auf unendlichen Widerstand (Open) und auf 50 Ohm Wellenwiderstand (Match) kalibrieren.
Ist der VNA kalibriert, wird die Antenne angeschlossen und im Frequenzbereich des AMSAT QO-100/P4A NB Transponder Bandplans von 2,4 GHz – 2,4005 GHz getestet. Das spulenförmige Anpassungsstück wird dabei gedehnt, gestaucht und Windungen überbrückt, bis die gewünschten Anforderungen erfüllt sind. Dabei hat sich herausgestellt, dass mit der Überbrückung einer Windung und Dehnen der Anpassungsspule folgende Parameter erreicht wurden.
Die Helixantenne erreicht einen Wellenwiderstand von ca. 49 Ohm, ein SWR von ca. 1,06 und auch im Smith-Diagramm liegt sie für den Frequenzbereich von 2,4 GHz – 2,4005 GHz äußerst nah an der Bezugsimpedanz von 50 Ohm. Damit besitzt sie hervorragende Eigenschaften, die sehr gutes Senden ermöglichen und damit über ein RG58 Kabel an die Elektronik angeschlossen werden kann.
