Антена "Asymmetric Turnstile" для прийому погодних супутників!

В даній статті я хочу показати вам процес створення в міру простої, але дуже ефективної антени для прийому зображень з космосу. Дана антена називається Asymmetric turnstile antenna, а приймати на неї ми будемо зображення по АРТ з супутників NOAA.

Про них я якось вже робив окрему статтю, можете переглянути, але якщо коротко - то існують спеціальні погодні супутники, які ось вже декілька десятиліть літають в космосі та транслюють зображення Землі з низької орбіти. Ці супутники доволі старі, як і технологія за якою вони транслюють зображення - АРТ, Automatic Picture Transmission.

Через це, їх сигнал можна легко прийняти на нескладні антени, та недороге обладнання. До цього для цих цілей я використовував найпростішу спрямовану антену - Yagi Uda на 3 елементи.

Вона доволі гарно ловила ці супутники, але суттєвим мінусом було те, що постійно треба було виходити на вулицю і спрямовувати антену на супутник. Я так то взагалі не проти вийти зайвий раз на вулицю та подихати свіжим повітрям, але не завжди на це є час, а супутник звісно чекати не буде. До того ж поляризація цієї антени не співпадає з поляризацією супутників NOAA, але про це згодом. Тому в даній статті поглянемо на антену яка називається Asymmetric Turnstile Antenna.

Вона складається з двох пар активних елементів розташованих вгорі, та рефлекторів розташованих трішки нижче. Подібне розміщення активних елементів з одного боку трішки ускладнює фідерну частину антени, але з іншого - просто суттєво збільшує ефективність прийому. Таке розміщення елементів не тільки створить потрібну поляризацію, а ще й буде забезпечувати купольну діаграму спрямованості - тобто антену можна просто встановити, і не треба нікуди спрямовувати.

Звучить дуже круто, тому раджу спробувати повторити антену і вам. Дізнався я про цю антену з ось цієї статті від чеського радіоаматора з нікнеймом sgcderek. В ній все дуууже детально розписано і показано, тому раджу ознайомитись. Більш того, там навіть є калькулятор, на випадок якщо ви захочете розрахувати антену на інші частоти - наприклад для HRPT.

За основу цієї антени я вирішив використати ось таку розподільчу коробку вартістю 30 гривень.Вона не тільки спростить створення антени, а й додасть герметичності для активних елементів.

В якості елементів антени я буду використовувати все той же алюмінієвий дріт що і для антени Yagi Uda, діаметром приблизно від 3 до 4 мм. В ідеалі звісно використовувати якісь трубки діаметром приблизно 10 мм, але під рукою в мене таких нема, тому буду використовувати що є.

В якості траверси для антени була спаяна ось така конструкція з залишків сантехнічних труб. Не саме краще рішення як виявилось, але про це згодом.

Ну і найголовніше, без чого від цієї антени не було б сенсу - 20 метрів коаксіального кабелю RG-58. Його вартість склала 360 грн. Я хочу завести антену до себе в кімнату, і встановити її ось на імпровізовану мачту, де зараз знаходиться телевізійна антена яку ніхто не використовує, а також антена для мобільного інтернету. Яку теж ніхто не використовує.

До речі частоти цієї антени дуже близькі до частот HRPT супутників NOAA, тож треба буде колись спробувати на неї їх прийняти.

Робимо антену

Перш за все, щоб кріпити елементи, я підготував шматочок одностороннього фольгованого склотекстоліту. Я просвердлив в ньому отвір, і тепер він ідеально стає в розподільчу коробку.

Я намалював за допомогою маркеру на ньому умовні доріжки, та протравив плату за допомогою розчину з перекису водню, солі, та лимонної кислоти. Я не дотримуюсь якихось прям супер чітких пропорцій, але в інтернеті їх можна знайти.

Через велику кількість міді яку треба прибрати, постійно доводилось перемішувати розчин, і навіть один раз додавати перекис та інші компоненти.

По ітогу отримуємо ось таку не дуже гарну плату, але для наших задач її більш ніж достатньо. Спочатку я хотів припаяти алюмінієвий дріт прямо до неї, тому купив за 30 грн ортофосфорну кислоту для пайки кольорових металів. Але дуже швидко зрозумів, що потужності мого паяльника для таких задач не вистачить. Натомість, він легко справлявся з маленькими латунними клемниками, які я витягнув з клемної колодки, тому буду кріпити елементи таким чином. Завдяки кислоті, припій дуже гарно адгезує до латуні. Без кислоти ситуація зовсім інша. Але якщо будете паяти кислотою, будьте обережні, бо її пари вкрай неприємні та небезпечні.

Не самий надійний спосіб кріплення звісно, алее, в умовах обмежених матеріалів - що ж поробиш. Далі я запаяв інші клемники і почистив все за допомогою спирту. Це обов'язково робити, адже якщо там десь залишилась кислота, вона буде повільно руйнувати метал.

Після цього я підготував 4 відрізки алюмінієвого дроту, 2 довжиною 45.8 см, і 2 довжиною 57.5 см. На точильному верстаті я трішки обточив одну з сторін елементів, роблячи з циліндру напівцеліндр. Це не обов'язково, але бажано зробити для того, щоб покращити контакт гвинтів з елементами антени. Замість точильного верстату можна використати наждачний папір або напилок.

Елементи до речі також треба зігнути під кутом приблизно 30-45 градусів, для розширення діаграми спрямованості антени. З цим кутом можна поекспериментувати і обрати оптимальний, балансуючи між підсиленням та шириною діаграми спрямованості.

Поляризація

Тепер трішки поговоримо про те, як саме транслюють сигнал супутники NOAA. Вони це роблять за допомогою ось цієї антени.

Це QFH антенна, або ж QuadriFilar Helix. Антени такого типу створюють кругову поляризацію радіохвилі, при якій електричне поле обертається по колу у фронті хвилі. Це схоже на рух по уявній спіралі в напрямку поширення хвилі. Відповідно ця спіраль може закручуватись вправо, так звана правостороння кругова поляризація, та вліво, так звана лівостороння кругова поляризація.

Для того щоб максимізувати ефективність прийому, поляризація антен передавального пристрою та приймального пристрою повинна співпадати. В випадку нашої антени, поляризація досягається шляхом з'єднання верхнього короткого елементу з одним із довгих. Саме сюди до речі йде центральна жила коаксіального кабелю.

Якщо приєднати короткий верхній елемент до правого довгого елементу, то буде лівостороння кругова поляризація. Якщо до лівого - то правостороння. Інші два елементи відповідно приєднуються до екрану кабелю. Супутники NOAA транслюють сигнал з правосторонньою круговою поляризацією, відповідно нам потрібна вона. Можна було б звісно не травити мідь в певних місцях плати і таким чином досягти необхідної поляризації, але я вирішив зробити це за допомогою одножильних перемичок, щоб за потреби можна було легко змінити поляризацію антени.

Далі я зробив отвір в текстоліті та розподільчій коробці діаметром трохи більше 5 мм, щоб можна було завести кабель. В ідеалі кабель звісно повинен бути прям по центру, але, конструкція конкретно цієї розподільчої коробки не дозволяє нормально це зробити.

Симетрування антени

Наступна частина яку нам треба реалізувати, - це так званий Matching Stub, або ж симетруючий чвертьхвильовий короткозамикаючий шлейф. Симетрування антени це дуже важливий процес, бо без нього антена буде працювати некоректно - буде неправильна діаграма спрямованості, високий КСХ, і так далі.

З електричної точки зору, може здатись шо ми робимо шось неправильне, адже ми замикаємо центральну жилу на екран кабелю, тобто по суті робимо коротке замикання по постійному струму, те, чого зазвичай намагаємось уникнути.

Але з точки зору змінних радіохвиль - це не коротке замикання, а спосіб забезпечити правильний розподіл струмів при прийомі. Для цього треба використати якийсь ізольований одножильний дріт. Я взяв один із дротів з витої пари. Нам потрібен відрізок довжиною в чверть хвилі, тобто 54.5 см. Одну сторону дроту треба припаяти до центральної жили на кінці кабелю. Після цього відміряємо ті ж 54.5 см вниз по кабелю, і акуратно знімаємо там ізоляцію, щоб оголити екран. Іншу частину дроту треба припаяти сюди. Але важливо не перестаратись, і не поплавити ізоляцію під екраном. Після цього ізолюємо це місце. Бажано термозбіжною трубкою, але якщо нема, то піде і ізострічка.

Тепер дріт можна і запаяти. Для цього я спочатку закріпив його за допомогою термоклею, а також залив термоклеєм дефектні отвори в розподільчій коробці. Запаювати треба згідно раніше зазначеної схеми, щоб вийшла RHCP поляризація. Знову ж таки, бажано запаятись прямо по центру перемичок, але в моєму випадку це неможливо. Чим менше буде довжина частин які ми запаюємо, тим краще, адже коли центральна жила, скажімо так, покинула екран, вона вже стає частиною антени.

Після цього я вирішив додати туди резистор на 100 кОм для запобігання накопичення статики, і лише на етапі написання статті до мене дійшло, шо щось тут не так. Резистор ставиться між центральною жилою і екраном. А вони в цій антені і так замкнуті симетруючим шлейфом. Тому я вирішив написати в чат UARO і спитати стосовно цього моменту, і дійсно виявилось, що резистор не потрібен, і антена не боїться статики. Дякую добрим людям з ось цими позивними за те що допомогли розібратись: US2YW, UR3QJ! Тож так, якщо у вас є якісь питання з приводу антен і всякого такого, можете задавати їх в UARO.

Збираємо все до купи

Тепер залишилось лише закріпити все це на раніше згадану траверсу. Я зробив це за допомогою тримачів для труб, та саморізів, після чого закріпив елементи, дотримуючись схеми. Короткий навпроти короткого, довгий навпроти довгого.

Після цього я відміряв від елементів вниз 81.7 см, і зробив там отвори, та вставив туди два шматки дроту довжиною 113 см. Це рефлектори, які будуть спрямовувати сигнал вверх, на активні елементи.

Саму антену я тимчасово встановив на городі.

Як бачите, ось і основна проблема використання поліпропіленових труб у якості траверси - принаймні ці труби, які були в мене, дуже гнучкі та хиткі, тим паче там був стик двох труб з різним діаметром.

Дріт до речі слід зафіксувати. Я зробив це за допомогою ізострічки. Дуже важливо щоб він йшов рівно і перпендикулярно елементам, допоки не перетне рефлектор, інакше він може повпливати на характеристики антени.

В цілому, антену вже можна тестувати. Для тестів я припаяв на інший кінець дроту роз'єм SMA Female і замотав його фольгою. Давайте подивимось що скаже про цю антену векторний аналізатор:

А каже він, що антена цілком таки непогана! На 137 МГц КСХ становить приблизно 1.3, імпеданс антени теж дуже близький до 50 Ом. Я зловив два зображення з супутників NOAA 18 та NOAA 19, і виглядають вони просто чудово. Набагато ліпше ніж з трьохелементною Ягі, і при цьому не треба було постійно спрямовувати антену.

Мене результат більш ніж влаштовує, тому я встановив її на мачту. Хоча закріпив це гучно сказано, тримається вона там за рахунок тертя, я просто вставив її в металеву трубку. Не супер надійне рішення, але думаю вона нікуди не дінеться. Змоги закріпити її по іншому в мене наразі немає. Також до траверси я прікрипив деревяну дошку, сподіваючись що це хоч якось додасть жорсткості конструкції. Але вже через дня 3-4 антена помітно так нахилилась, тому довелось розтягувати її мотузками.

Кабель від антени я завів в свою кімнату, дякую інтернетчикам за дірку в стіні :D

Після заведення кабелю в кімнату я одразу знову подивився на векторний аналізатор, і, на щастя, показники антени не погіршились. Тепер саме час зробити нормальний коннектор, адже це теж доволі важлива частина антенно-фідерного тракту, тому не здивуюсь якщо з нормальним коннектором антенна буде працювати ще краще.

Для цього я купив ось такий ось SMA Male коннектор. Але щоб якісно з'єднати його з кабелем, потрібно обтиснути його гільзу. Для цих задач я купив спеціальну обтисну матрицю - HS-05H. Вона ідеально стає на мій крімпер, і тепер він може обтискати ще й SMA та BNC коннектори.

Для початку треба зняти трохи ізоляції з екрану і прибрати його в сторону. Після цього треба зняти трохи ізоляції з центральної жили. Не забуваємо також надягти на кабель обтисну гільзу. Далі я залудив центральну жилу, та запаяв на неї центральний контакт коннектора. Тепер рівномірно розподіляємо екран між коннектором, і закриваємо його гільзою, А саму гільзу відповідно обтискаємо за допомогою крімпера.

Місцями не дуже гарно вийшло, але для першого разу, ще й під камерою - непогано. Як я й казав, не здивуюсь якщо з нормальним коннектором показники антени покращаться. Але довелось таки дивуватись, адже вони навпаки, погіршились :D

КСХ трішки виріс - до 1.5, а імпеданс взагалі впав нижче 50 Ом. Дуже звісно цікаво чому так, але, так як це антена чисто для прийому, думаю це не дуже критично.

Ну і ці думки підтвердились тим, що антена й далі чудово приймає зображення з супутників. Більш детально про процес прийому можете почитати в ось цій статті. Місцями звісно інколи з'являються такі собі мертві зони, але то як я розумію через розташовані поруч будівлі, або через неідеальну діаграму спрямованості. Але, навіть так, я дуже задоволений результатом! З Ягі про такий результат можна було навіть не мріяти.

Метою цієї статті не було показати, як я роблю якусь ідеальну антену, а скоріше що навіть з того що є під рукою - можна зробити цілком функціональну антену. Більш того, антена хоч і робилась на 137 МГц, але по факту приймати вона може набагато більше. Мені навіть вдавалось приймати радіоаматорів на 2м діапазоні, з сусідніх міст, і навіть якщо пощастить, можна почути супутники SATCOM.

Антена також вийшла настільки гарною, що ані аж 20 метрів кабельної лінії, ані фільтр з однієї із попередніх статей, не заважають приймати деякі FM радіостанції. Головне щоб це в подальшому проблемою не стало, бо я вже ловив якісь цікаві завади, які перекрикували сигнал з супутника.

Фільтр я до речі переробив, зробив більш охайні котушки, і по вашим рекомендаціям розмістив катушки на 90 градусів одна відносно іншої, щоб зменшити паразитну індуктивну взаємодію між ними. Залишилось лише металевий корпус зробити. Втрати на частоті тієї станції яку чути дуже суттєві. Тобто це або антена настільки гарна, або станція прям дуже поруч.

Щож, тепер, маючи настільки гарну антену, я ще на крок ближче до того, щоб змусити Raspberry Pi автоматично приймати зображення з супутників і викладати їх в інтернет. Залишилось лише розібратись з софтварною складовою - там є про що поговорити, але про це якось вже іншим разом.

Post Scriptum

Це текстова версія ось цього відео.