Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Antennen für den Empfang der umlaufenden Wettersatelliten im 137-MHz-Band
DJ0BQ, Terry Bittau.
Die umlaufenden Wettersatelliten der NOAA- (USA) und METEOR- (SU) Serien strahlen ihre APT-Sendungen in rechtsdrehender Zirkular-Polarisation ab, um Schwund-Erscheinungen bei den Bodenstationen zu verringern. Beim Empfang ist die Polarisation allerdings nur dann wirklich rechtsdrehend zirkular, wenn der Satellit direkt über-Kopf vorbeizieht. Zwischen dem Aufgang und dem Untergang des Satelliten kann die Polarisation zwischen praktisch linear am Horizont und zirkular über Kopf alle möglichen elliptischen Formen annehmen. Auf diese Erscheinung muß bei nicht-nachführbaren Antennen - wie sie im Interesse einer billig aufzubauenden und einfach zu bedienenden Empfangsanlage wünschenswert sind - Rücksicht genommen werden.
1. System-Überlegungen
Professionelle Satelliten-Empfangsstationen benutzen fast immer nachführbare Antennensysteme mit mehreren zirkular polarisierten Kreuz-Yagi- oder Wendel-Antennen. Derartige Anlagen sind groß, kompliziert und teuer - nicht zuletzt wegen des nötigen Steuer-Computers.
Unsere ausgedehnten praktischen Versuche haben gezeigt, daß solche Antennenanlagen im allgemeinen nicht erforderlich sintk weil sie nur bei Empfang aus weniger als 10° Erhebung über den Horizont bessere Signale als Rundstrahlantennen bringen. Der deutlich geringere Gewinn von nicht nachführbaren Rundstrahlantennen reicht allerdings auch bei Erhebungswinkeln über 10° nur dann für rauschfreie Bilder aus, wenn die Empfänger-Empfindlichkeit bis an die Grenze des technisch Möglichen getrieben wird.
Wir haben dazu einen rauscharmen Vorverstärker unmittelbar an der Antenne eingesetzt und durchwegs mit N-Koaxialsteckern gearbeitet. Sogar bei 137 MHz kann man deutliche Unterschiede in der System-Rauschzahl zwischen N- und BNC-Verbindungen messen, und PL259/S0239-Verbindungen sollte man gar nicht erst in Betracht ziehen.
Die Rauschzahl des verwendeten Vorverstärkers lag bei 0,9 dB, gemessen durch die eingebauten N-Verbindungen und das Überbrückungsrelais. Er war mit einem DG-MOSFET BF 981 ausgerüstet. Natürlich wäre es möglich gewesen, die Rauschzahl durch Verwenden eines GaAs-FETs noch weiter zu verringern, doch diese ungeschützten Transistoren sind beim Bau und im späteren Betrieb kritischer als MOSFETs. Nachdem die Empfindlichkeit mit einem BF 981 ausreichte, wurde kein Versuch mit einem GaAs-FET gemacht.
2. Untersuchte Antennen
2.1. Kreuzdipol "Turnstile"
Die erste Antenne, die in Betracht gezogen wurde, war ein Kreuzdipol oder Turnstile (Bild 1). Die beiden Dipole wurden durch eine Phasenleitung für rechtsdrehend zirkulare Polarisation zusammengeschaltet. Dieser Antennentyp schien ideal zu sein, weil er rechtsdrehend zirkular polarisiert aufnimmt, wenn der Satellit genau darüber hinweg fliegt, und andererseits für parallel zum Erdboden ankommende Signale eine rundstrahlende, linear polarisierte Antenne darstellt.
Bild 1: Eine Kreuzdipol-Antenne.
Leider waren die Resultate nicht so gut wie erwartet; es trat nämlich im Lauf der Satelliten-Durchgänge beträchtlicher Schwund auf, der durch Mehrwege-Empfang aufgrund von Bodenreflexionen verursacht wurde, wie sich herausstellte.
2.2. Die Discone-Antenne
Die Discone (Bild 2) ist eine sehr nützliche Breitband-Antenne, die hauptsächlich vertikal polarisiert. Unsere Ausführung war für den Frequenzbereich zwischen 80 und 500 MHz angegeben und wurde deshalb für den 2. Versuch ausgewählt, weil sie nicht so streng linear polarisiert wie ein konventioneller Dipol.
Bild 2: Eine DISCONE-Antenne für 80-500 MHz.
Die Resultate waren bei niedrigen Erhebungswinkeln besser als mit der Kreuzdipol-Antenne; während aller Durchgänge lieferte sie gute Signale mit nur einem geringfügigen Feldstärkerückgang, wenn der Satellit genau über der DISCONE war. Ihr Nachteil lag nicht im Empfang des Satellitensignals, sondern in der verhältnismäßig starken Aufnahme von Zündfunken und anderen elektrischen Störungen. Außerdem verschwand das Nutzsignal wegen Mehrwege-Ausbreitung bei bestimmten Winkeln im Rauschen, obwohl tiefe Schwund-Einbrüche weniger als beim Kreuzdipol auftraten.
2.3. Aufgestockte Kollinear-Antenne
Mit diesem Antennentyp sollte vor allem versucht werden, die Feldstärke zu erhöhen, wenn der Satellit nahe dem Horizont ist. Natürlich ist eine solche Antenne völlig unbrauchbar für Über-Kopf-Durchgänge, außerdem zeigte sich, daß sie auch sehr viel Zündfunken- und andere elektrische Störungen aufnahm.
2.4. Fest montierte Helical-Antenne
Eine der einfachsten Möglichkeiten Zirkular-Polarisation zu realisieren bietet die Helical-oder Wendel-Antenne. Sie wurde deshalb ebenfalls in Betracht gezogen. Saubere Zirkular-Polarisation wird allerdings erst ab etwa 5 Windungen erzielt. Nun weist aber eine Wendelantenne mit 5 Windungen bereits einen Strahlkeulen-Öffnungswinkel von nur noch rund 50° auf, was für die vorgesehene Anwendung viel zu eng ist.
2.5. Die Big-Wheel-Antenne
Zur gleichen Zeit wie die DISCONE wurde auch eine Big-Wheel-Antenne probiert. Sie brachte gute Signale, wenn der Satellit am Horizont war und zeigte eine deutliche Unterdrückung von Zündfunken- und anderen elektrischen Störungen.
Bei höheren Einfallswinkeln des Satelliten-Signals machten sich allerdings starke Schwund-Einbrüche bemerkbar, was sicherlich dadurch zustande kommt, daß das Signal die drei Dipole mit unterschiedlichen Phasenwinkeln erreicht. Das Summensignal weist deshalb Auslöschungen auf, die dem Mehrwege-Empfang entsprechen, der bei anderen Antennen bemerkt wurde.
2.6. Fest montierte 2-Element-Kreuzyagi
Die Überlegung, daß die tiefen Schwundeinbrüche bei dem Kreuzdipol, der Discone und der Big-Wheel-Antenne durch Mehrwege-Ausbreitung zustande kamen und offensichtlich vor allem durch Bodenreflexionen verursacht wurden, führte zu einer Antenne mit einem gewissen Vor-/Rück-Verhältnis. Der Kreuzdipol wurde dementsprechend mit einem Kreuz-Reflektor in λ/4 Abstand von den Dipolen zu einer 2-Element-KreuzyagiAntenne ergänzt (Bild 3). Diese Antenne nimmt von ihrer Rückseite, das heißt in unserem Fall von unten, kaum noch Energie auf.
Bild 3: Eine nicht nachführbare 2-Element-Kreuzyagi.
Als Resultat ergab sich ein gleichbleibendes Signal während des ganzen Durchgangs, praktisch ohne Schwund. Auch die Zündfunkenstörungen waren sehr gut unterdrückt, da sie - von schräg unten kommend - kaum noch aufgenommen wurden. Als Nachteil zeigte sich nun aber, daß der Empfang vom Horizont wegen des durch den Reflektor verkleinerten Strahl-Öffnungswinkels unbefriedigend geworden war.
An dieser Stelle möchte der Verfasser darauf hinweisen, daß eine Kreuzyagi-Antenne, die für zirkulare Polarisation zusammengeschaltet ist, einen anderen Strahlkeulen-Öffnungswinkel hat als eine gewöhnliche 2-ElementYagi. Üblicherweise kann man einen Öffnungswinkel von etwa 75° in der E-Ebene und etwa 140° in der H-Ebene erwarten. Im Fall der Kreuzyagi, wo beide Dipole aktiv sind, ergibt sich für den Öffnungswinkel ein Mittelwert aus der E- und der H-Ebene und beträgt etwa 100°.
Außerdem sollten die Leser daran denken, daß zirkular polarisierte Antennen 3 dB mehr Gewinn ergeben als entsprechende linear polarisierte Antennen, wenn eine zirkular polarisierte Welle empfangen wird!
3. Endgültige Antennenanordnung
Die angedeuteten Versuche ergaben, daß für den Empfang der umlaufenden Wettersatelliten eine Antenne mit den folgenden Eigenschaften benötigt wird:
- Rechtsdrehende Zirkular-Polarisation
- Unterdrückung von Zündfunken- und anderen elektrischen Störungen
- Richtwirkung, um Mehrwege-Empfang durch Bodenreflexionen zu unterdrücken
- Weitestmöglichen Strahlkeulen-Öffnungswinkel, um befriedigenden Empfang vom Horizont zu erzielen
Bild 4: Endgültige Antennen-Anordnung mit 3/8 Abstand zwischen Strahlerkreuz und Reflektorkreuz.
Nachdem die 2-Element-Kreuzyagi-Antenne diese Forderungen mit Ausnahme einer ausreichenden Feldstärke vom Horizont erfüllt, suchte der Verfasser einen Weg zu finden, den Öffnungswinkel dieser Antenne zu vergrößern, ohne die zum Unterdrücken von Störungen und Bodenreflexionen erforderliche Richtwirkung zu verlieren.
Die Lösung war, den Abstand zwischen Dipol und Reflektor von dem ursprünglichen Wert für größten Gewinn (λ/4) auf 3λ/8 zu vergrößern. Bild 4 zeigt diese Anordnung. Durch diese Änderung beginnt die Hauptkeule sich in zwei Keulen aufzuteilen, was zu einer flacheren, breiteren Hauptstrahlkeule führt. In Bild 5 ist das resultierende H-Ebenen-Diagramm für eine linear polarisierte 2-ElementYagi dargestellt.
Bild 5: Strahldiagramm in der H-Ebene von einer 2-Element-Yagi mit 3/8 λ Abstand zwischen Strahler und Reflektor.
Für eine zirkular polarisierte Kreuzyagi ist die Verbreiterung der Strahlkeule wegen der Mittelwertbildung zwischen H- und E-Ebene nicht so ausgeprägt, doch immerhin verbreitert die geschilderte Abstandsvergrößerung die Hauptkeule um etwa 15 %. Das Ergebnis ist eine merkbare Verbesserung beim Empfang von Satellitensignalen vom Horizont.
3.1. Zusammenschalten der Dipole
Das phasenrichtige Zusammenschalten der beiden Dipole wird genau so vorgenommen, wie schon mehrfach in dieser Zeitschrift beschrieben(1),(2). Zuerst markiert man an jedem Faltdipol ein heißes Ende - das ist die Seite, an die nachher die Kabelseele angeschlossen werden soll.
Zum Erzielen eines Unterschiedes von λ/4 macht man eine Speiseleitung elektrisch λ/2, die andere elektrisch 3λ/4 lang; das sind 72 cm beziehungsweise 107,9 cm für die Kabeltypen RG-213/U oder RG-58/U. Je ein Kabelende schließt man über einen 4:1-BalunTransformator an die Dipole an (Seele an heißes Ende!), an die anderen Enden montiert man N-Stecker. Diese zwei Zuleitungen müssen nun parallelgeschaltet, wodurch sich 25 Ω ergeben, und wieder auf 50 Ω transformiert werden. Hierzu benutzt man am besten einen λ/4-Zusammenschalt-Transformator, wie er unter der Bezeichnung "Anpaßtopf AT 2/2 m" von UKW-TECHNIK angeboten wird. Diese Ausführungen haben minimale Verluste und sind ausreichend breitbandig, um die 145-MHz-Ausführung noch bei 137 MHz einsetzen zu können.
Der Dipol mit der kürzeren Speiseleitung wird nun auf das vertikale Tragrohr montiert. Danach montiert man auch den anderen Dipol, und zwar so, daß seine "Heiß"-Markierung 90° rechtsdrehend vom ersten Dipol angeordnet ist, wenn man von der Reflektorseite auf die Dipole sieht. Die Antenne ist nun für rechtsdrehende Zirkular-Polarisation zusammengeschaltet.
3.2. Abmessungen
Unter Berücksichtigung von Verkürzungsfaktoren ergeben sich die in Bild 6 gezeigten und in der Tabelle zusammengestellten Maße.
Länge der Dipole: 103,5 cm
Länge der Reflektoren: 109 cm
Dipol/Reflektor-Abstand: 81 cm
Länge der Balun-Kabel λ/2 × VF = 143,8 cm
Bild 6: Hauptmaße der vorgeschlagenen 2-Element-Kreuzyagi.
4. Literatur
- Bittan, T., DJ0BQ: Zirkular-Polarisation im 2-m-Band, UKW-Berichte 13 (1973) Heft 3, Seite 148-152
- Bittan, T., DJOBQ: Bemerkungen zur Zirkular-Polarisation, UKW-Berichte 14 (1974) Heft 1, Seite 13-17