Антена для NOAA супутників (частина 1)

Кілька років тому я наткнувся на статтю, як люди приймають сигнал зі метеорологічних супутників NOAA. Ці супутники роблять картинки землі з розширенням приблизно 4 км/піксель для відстежування пересування хмарок. Мене вразило не стільки ці картинки, скільки можливість прийому сигналів з орбіти. І треба для цього зовсім не багато. По-перше це SDR приймач, що коштує на ebay порядку 10 дол і по-друге, це антена, яку потрібно зробити самому.

Перед тим як робити антену, потрібно знати, що ми будемо приймати. На даний час працює кілька супутників NOAA, це

NOAA 15 на частоті 137,62 МГц

NOAA 18 на частоті 137,91 МГц

NOAA 19 на частоті 137,1 МГц

та інші

Тобто приблизно 137,5 МГц. Ще варто зазначити, що поляризація -- права кругова. Кругова поляризація -- це особливість космічних апаратів, бо для прийому сигналу є  неважливою положення площини поляризації передавача відносно  приймача.

Огляд основних антен для цього завдання є непогано описаний тут. Я зупинився на турникетній антені, бо її найпростіше зрозуміти і виготовити самому. Приблизно це щось таке:

але ми все перерахуємо.

Почнемо з розбору як розрахувати напівхвильовий диполь. Він виглядає якось так:

По суті це два прутика із зазором поміж ними. Загальна довжина антени є половина хвилі, звідки й назва. Але це справедливо лише для нескінченно тонкого надпровідника. Якщо прутик скінченної товщини, то потрібно укоротити антену.

Почнемо з того що є антена? По суті це RLC коливальний контур. Антена не підсилює сигнал, а просто працює як  фільтр на частоті $f=\frac{1}{2\pi}\sqrt(L/C)$. Якщо ми з'єднаємо скажімо дві однакові антени, то ємність збільшиться вдвічі, а от індуктивність зменшиться двічі. Тобто треба робити поправку. Плюс ще інші ефекти, які досить важко врахувати, але є графіки, з яких можна отримати цей коефіцієнт укорочення знайти. Плюс до того, якщо антена має рефлектор, то це теж впливає і в результаті фактично єдиний вихід точно оптимізувати розміри антени -- це промоделювати її в CST.

Аби зменшити вплив землі та збільшити чутливість, антена матиме рефлектор. В моїх умовах я не можу зробити велику мачту. Максимум 2 метри, що приблизно розмір хвилі, а це погано (насправді не дуже).

Приблизні розміри антени взяті із загальних міркувань і потім оптимізовані в CST.

Для найкращої оптимізації отримав: довжина вібратора антени 986,2 мм, зазор 15 мм, матеріал -- алюмінієвий прутик діаметром 6 мм (майже всі матеріали з Leroy Merlin), рефлектор -- алюмінієва трубка 8мм в діаметрі, товщина стінки 1 мм. Довжина рефлектора 1069 мм, відстань від вібратора --436 мм. Імпеданс антени 73 Ом. Підсилення в такій конфігурації становить 6 dB.

Діаграма направленості

Те саме в полярних координатах

 

S11 параметр наведено нижче. Цей параметр  є коефіцієнтом відбивання і визначає скільки потужності відбивається від антени. Якщо 0 дБ, то все відбивається і нічого не випромінюється.

 

 

Також я промоделював, що буде якщо антена знаходиться близько до землі (2 м). Замість землі в мене бетон. В результаті підсилення впало і змінилась (не критично) діаграма направленості.

 

 

Але це лише половина антени. Інша половина розташовується під кутом $90^o$ і з'єднується з основною із затримкою фази на $\pi/4$. Як організувати затримку? -- просто куском кабелю довжиною в чверть хвилі. За час, що сигнал пройде чверть хвилі,  поляризація повернеться на 90 градусів і буде робочою вже інша антена, а два сигнали додадуться у фазі. Варто врахувати також коефіцієнт укорочення для кабелю. Я використовую кабелі з діелектриком з твердого поліетилену. В цьому випадку коефіцієнт укорочення становить 0,66. Тоді довжина кабелю становить 545,45 мм х 0,66=360 мм. Опір кабелю має бути таким же як і опір антени (75 Ом).

В залежності до якого патичка  ви приєднаєте землю, а до якого сигнальну лінію, залежить митимете ви антену на праву чи ліву поляризацію. Нагадую, що для прийому сигналу супутників NOAA нам потрібна права кругова поляризацію (RHCP -- right hand circular polarization). Тому якщо Ви зібрали антену і вас нічого не ловить, перевірте спершу поляризацію.

Інший коментар стосується з'єднання алюмінієвого патичка (диполя) з мідним кабелем. Напряму ці два метали з'єднувати не рекомендується, бо вони утворюють гальванічну пару і з часом це може спричинити втрату контакту. Тому варто зробити з'єднання через латунний перехідник (пластинка, шайбочка...).

Далі на нас чекає ще одна проблема: дві паралельно з'єднані антени 75 Ом зменшують імпеданс вдвічі. Вхідний опір приймача 75 Ом. Тому потрібен узгоджувальний елемент. Таким елементом є чвертьхвильовий трансформатор. По суті це відрізок кабелю довжиною в чверть хвилі (з поправкою на коеф. укорочення =360 мм). Опір цього відрізка кабелю є $Z=\sqrt(Z_{in}Z_{out})$ тобто $Z=\sqrt(75/2\times75)=53\Omega$, тобто кабель з хвильовим опором 50 Ом чудово підійде. Після цього відрізка йде кабель 75 Ом довільної довжини.

За подробицями роботи антени рекомендую Ротхаммеля. Тут я лише намагався зрозуміти роботу і оптимізувати готове рішення. Наступна частина буде про виготовлення антени.