QHA anténa pro příjem signálů družic

[kaklik]

Pro příjem signálů o neznámém polarizačním stavu, jako je například vysílání satelitů je výhodné použít anténu přijímající kruhovou polarizaci. Takovým typem antény je například quadrifillar helix, tento typ antény však má kvadraturní výstup a pro zpracování signálu je tak vhodné pracovat s I/Q signálem.

Simulační model antény

Cílem simulačního modelu je mít k dispozici nástroj, kterým bude možné navrhnout anténu pro definovanou aplikaci. Zejména pro zvolený frekvenčni rozsah. Návrh je ovšem potřebné řešit společně s částečným designem RF anténního frontendu. Neboť vstupní parametry obvodů lze nastavit tak, aby lépe odpovídaly konstrukčnímu optimu antény.

NEC Model

Vytvořil jsem NEC model, který umožňuje optimalizovat rozměry antény podle zadaných požadavků. Tento model obsahuje chybu v umístění konců spirály helixu mimo střed zemní patche.

Antenna Magus model

Tento simulační software obsahuje předpřipravený model antény S-C QHA, která je téměř ideální pro tuto aplikaci.

Mělo by proto být možné navrhnout anténu/antény pro potřebné frekvenční rozsahy. S předpokladem, že funkce fázovacího napájecího vedení bude zajištěna vždy digitálním zpracováním.

Určení geometrických parametrů

Výstupem optimalizace na simulovaném modelu antény by měly být geometrické rozměry anténních elementů, které umožní její výrobu.

Konstrukční realizace

Z projektu Bolidozor si lze půjčit některá konstrukční řešení této antény. Například realizaci základní podstavy a ní umístěné sletované šroubovice.

Bolidozor QFH anténa

Zemní plocha je realizována z děrovaného pozinkového plechu, kterým propadává sníh. Tento plech je nanýtován na úhelníky, které slouží jako výstuha podkladového čtverce a také k jejich vzájemnému spojování. Na ně pak může být umístěn prvek zářiče tvořený šroubovicí.

Šroubovice z měděné trubky by měla být zakončena průchodkou do kovové krabice ve které bude analogový front-end. Kovová krabice by měla být integrální součástí antény a bude sloužit jako její podstava.

[kaklik]

Přehled rozměrového porovnání QFH antén pro různá frekvenční pásma

Co je dál potřeba udělat:

• [ ] Zkusit navrhnout přípravek, který bude sloužit k výrobě antén, zejména k tvarování trubek. Takový přípravek bych navrhoval vytvořit parametrický třeba v programu OpenSCAD, aby bylo možné dynamicky měnit rozměry přípravku podle zadaných parametrů antény. Konstrukční realizace přípravku by se mi líbila kombinace tištěných plastových dílů a rámu z profilů. Aby bylo možné díly tisknout na tiskárně s omezeným tiskovým objemem.
• [ ] Navrhnout numerický model antény, který lépe popisuje skutečnou konstrukci antény, než default model z Antenna Magus. Požadavky na model a výchozí situace viz výše. U programu Antenna Magus byl navíc objeven problém s minimem frekvenčního rozsahu, který neumožňuje počítat antény pod cca 300 MHz.

[kaklik]

Zde je k vyřešení tohoto issue hlavně podstatné mít kvalitní model struktury antény a umět optimalizovat jeho geometrii.

[kaklik]

Po diskusi s @povik o jeho řešení simulace antén. Jsem se nyní pokusil znovu projít možnosti simulace. Nenašel jsem oproti původnímu stavu, žádné výrazné změny. V úvodním zadání nezmíněnou možností je zřejmě akorát OpenEMS, které vypadá dost schopně, ale zároveň tak komplikovaně, že nerozumím tomu, jak se to používá.

Nenašel jsem ani nikoho, kdo by v tom zkoušel simulovat parametrický model nakreslený v OpenSCADu, což je škoda protože mi to přijde jako přirozená cesta, k vyřešení problematiky návrhu antén a OpenSCAD model QFH antény již delší dobu máme.

[kaklik]

Na základě měření filtrů z https://github.com/mlab-modules/QFHMIX01/issues/13#issuecomment-1208621191 Jsem pomocí kalkulátoru nechal spočítat délku smyček antény pro frekvenci 384 MHz. (Což je střed propustného pásma existujících filtrů)

Délka smyček pro případ 12.5mm radiusu ohybu vychází 879.1 mm a 836.4 mm. Protože v našem případě není potřeba fázování vzájemným rozladěním smyček. Tak lze uvažovat pouze jednu délku smyčky 857,75 mm.

Na PCB QFHMIX01E jsou anténní svody následujících délek:

• LOOP B+ (QFH_IN_2_N) - 62.73mm
• LOOP B- (QFH_IN_2_P) - 68.59mm
• LOOP A+ (QFH_IN_1_P) - 74,52mm
• LOOP A- (QFH_IN_1_N) - 82.46mm

Délka nejdelšího a nejkratšího segmentu se tak liší o 19.73 mm. Takový rozdíl je znatelným zásahem do ladění antény. Podle kalkulátoru by taková změna délky měla způsobit odladění antény o přibližně 10 MHz.

Prodloužení délky smyček, které způsobuje plošný spoj je pro smyčku A 74,52+82,46−72 = 84,98 mm a pro smyčku B 62,73+68,59 −72 = 59,32 mm. Celkový rozdíl délek smyček, který způsobuje plošný spoj tak je 25,66 mm. Podle kalkulátoru je rozdíl délek smyček způsobujících fázový posuv 90°, tak aby anténa byla citlivá na kruhovou polarizaci 42,6 mm. Rozdíl délek, který způsobí cesty na plošném spoji, tak pravděpodobně způsobí fázový posuv 54,2°. Tak velký fázový posuv by bylo jistě nutné kompenzovat při zpracování signálu.

Alternativní možnost je použít smyčky různých, délek, které vliv cest na plošném spoji zmenší. Délka takových smyček by při rádiusu ohybu podle kalkulátoru odpovídala 853,5−84,98 = 768,52 mm pro smyčku A a 853,5−59,32 = 794,18 mm pro smyčku B. Použití smyček různých délek by sice vyžadovalo v horní části antény použít plastový fixovací prvek, ale na drouhou stranu je pravděpodobné že taková konstrukce odstraní nežádoucí vlivy neúplné napěťové nuly v místě spojení smyček antény.

[kaklik]

Výška distančního členu mezi smyčkami

V případě, že anténa bude konstruována jako čtvrtotáčková s průměrem obou smyček 187,8 mm, tak zkrácení jedné smyčky o 25,66 mm způsobí, že rozestup středů smyček v horní části pak bude 16.61 mm. Taková výška distanční sloupku je příliš velká a vyžadovala by velmi masivní sloupek.

Protože je ale naladění antény závislé hlavně na délce smyček, tak je přípustné snížit průměr menší smyčky tak, aby bylo dosaženo přijatelnějšího rozestupu. Například pro rozestup 7mm je pak průměr menší smyčky A roven 172,5 mm.

[kaklik]

Rozměry pro pozice otvorů v krabičce

[kaklik]

V případě že se smyčky vyrobí podle výpočtu. Tj. s průměry 172.5mm a 187.8mm. Tak oka na konci smyček nedosáhnou na kotvící šrouby v krabici na PCB.

Příčinou je, že radius ohybu neumožní trubku zasunout dostatečně hluboko do průchodky. Vyřešil jsem to tak, že jsem kleštěmi trochu rozšířil základnu antény, tím že jsem posunul ohyb.