POTY: Patchantenne für den QO-100 Uplink.
Um Signale zum geostationären QO-100 Satelliten zu übertragen benötigt man zwangsläufig auch eine Antenne für den Uplink auf 2400 MHz.
Dies ist entweder durch eine Wlan-Antenne mit möglichst hohem Antennengewinn oder einem Offset-Spiegel mit Helix- oder Patchantenne zu verwirklichen. Viele WLAN-Antennen senden ein horizontal polarisiertes Signal aus, das sich nur bedingt für den Uplink zum QO-100 eignet, da horizontal polarisierte Signale beim Auftreffen auf die rechtsdrehend zirkular polarisierte Antenne des QO-100 mit -3 dB empfangen werden, die Signalstärke verringert sich somit auf die Hälte!
Somit erreicht man das gewünschte Ergebnis eher mit einem Offsetspiegel der Größe ab 60 cm (je größer desto besser, der Gewinn steigt) und einer Helix-Antenne oder Patch-Antenne, die sich jeweils im Brennpunkt des Spiegels befinden müssen.
Hier möchte ich speziell auf die Patch-Antenne und der Sonderform POTY eingehen.
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Bei der gewünschten Arbeitsfrequenz ist quasi eine Seite bzw. Strahler elektrisch zu lang und wird oberhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben und ist entsprechend mit einem kapazitiven Imaginäranteil (idealerweise 50 + i50 somit ergibt sich eine Phasenverschiebung von 45°) behaftet, der elektrisch zu kurze Strahler arbeitet unterhalb seiner Resonanzfrequenz und ist entsprechend mit einem induktiven Imaginäranteil belegt (idealerweise 50 - i50 somit ergibt sich eine Phasenverschiebung von 45°). Die Impedanzen beider Strahler addieren sich also idealerweise zu Z=50-i50+i50 = 50, der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung beträgt ingesamt 90°. Somit bleibt nur noch der Realanteil übrig. Da die dabei entstehenden normal zueinander linear polarisierten elektromagnetischen Wellen zudem noch um 90° zueinander phasenverschoben sind entsteht dadurch innerhalb einer Bandbreite von 1-3 % der Arbeitsfrequenz eine zirkular polarisierte elektromagnetisch Welle.
Während Patch-Antennen schon seit vielen Jahren verwendet werden, handelt es sich bei der POTY (Patch Of The Year) um eine Weiterentwicklung, um zusätzlich auch ein Empfangs-LNB auf der selben Antenne montieren zu können. Aus diesem Grund habe ich mich entschlossen, selbst ein POTY zu bauen und dieses vorher in einem guten Antennen-Simulationsprogramm berechnen zu Können. Zur Berechnung verwende ich am liebsten CST Studio, da man die Antenne vorher direkt im CAD-Bereich medellieren kann, wobei alle Maße als Variablen eingegeben und später leicht verändert werden können. So fällt es leicht, die Maße solange zu verändern, bis man das gewünschte Ergebnis erhält. Ich habe deshalb intensiv mit dem Abstand zwischen Poty und Reflektor, der Größe der Patchantenne, sowie mit der Form und dem optimalen Einspeisepunkt experimentiert bis ich damit zufrieden war.
Nach dem Festlegen der Form ergibt sich folgendes Bild:
BZW dieses:
Das Poty besteht im Wesentlichen aus zwei 1mm starken Messingblechen mit exakt 3mm Abstand, wobei das obere noch exakt zugeschnitten und gebohrt werden muss, der untere Reflektor kann, muss aber nicht rund sein, er sollte lediglich einige mm größer als die Patch-Antenne sein (3-5 mal der Abstand zwischen Patch und Reflektor). Der dritte Teil ist ein 1mm starkes, 22mm Kupferrohr. Nach dem Bohren und Bearbeiten (Die Bohrungen für den SMA- oder N-Stecker sollten nicht vergessen werden) werden alle Teile miteinander verlötet, wobei Weichlöten mit Zinnlot vollkommen ausreicht. In den oberen Teil des Rohres, das einen Abstand von 5mm zum Patch haben sollte, wird zusätzlich noch eine dielektrische Linse aus Nylon oder Polyethylen gesteckt, um das gebündelte 10 GHz Signal besser aufnehmen zu können.
Hier die Maße, die man möglichst einhalten sollte:
In der Simulation ergeben sich folgende S1,1 bzw. VSWR-Werte:
Die Leistungsverteilung auf der Oberseite des Patches zeigt sehr schön eine linksdrehende Zirkularpolarisation:
Auch das Fernfeld der Antenne lässt sich simulieren:
Beim Aufbau sollte man undedingt auf die Orientierung der Patch-Antenne achten, damit man nicht irrtümlich eine Antenne für linksdrehend zirkulare Signale baut. Es ist unbedingt eine rechtsdrehende notwendig, da die Polarisationsrichtung durch Spiegelung am Spiegel "umgedreht" wird: Aus der linksdrehend zirkularen Polarisation der Patchantenne wird eine rechtsdrehend zirkulare Polarisation...
Nach richtigem Aufbau sollte die Antenne in etwa so aussehen:
Am hinteren Teil ist ein LNB für 432 MHZ aufgesteckt, vorne die dielektrische Linse, die gleichzeitig einen mechanischen Eindringschutz vor Feuchtigkeit darstellt.:
