Діапазон 3см, один із найпопулярніших та дуже цікавих EME діапазонів після 23см, який має багато переваг для того щоб зайнятися ним. Ознайомлення з цим діапазоному у мене почалося після того, як після певного часу досвіду тропосферного звязку у діапазоні 6см, прийшло розуміння, що з роками нових станцій більше не стає, певний досвід отриманий, цілі досягнуті, технічна база створена, необхідно було рухатися далі.
У мене завжди було бажання спробувати новий тип відбиття або поширення радіохвиль, я ніколи не гнався за кількість зв'язків і не вибирав діапазон в залежності від кількості кореспондентів, мені завжди цікавила фізична складова та технічний інтерес. Після того як було проведені зв'язки майже усіма доступними видами перевідбиття на УКХ та НВХ, залишався лише зв'язок через відбиття сигналу від поверхні Місяця. Попередньо, у мене не було ніколи практичного досвіду в роботі через місяць, лише багато теорії, коммунікації з тими хто вже має досвід, та наснага досягнути нові цілі. Мене багато хто відмовляв починати саме з 3см діапазону, аргументуючи що це дуже важко, краще почати з діапазонів 144 та 433 МГц, але вибір був зроблений. В моїх умовах, багатоквартирної 5 поверхової будівлі в центрі міста було дуже важко розгорнути велику ЕМЕ систему, при тому що працювати в місті на діапазонах нижче 1296 МГц не можливо в поточний час із за кількості перешкод.
Чому саме діапазон 3см? По перше, це портативність. Якщо не вдаватися в технічні деталі і фізичні особливості цього діапазону, маючи мінімальний сетап, параболу від 1.2м, та потужність 10 – 20 Вт, можна проводити зв'язки майже з усіма хто має параболи розміром 1.8м та вище. Не має необхідності розгортати антени діаметром 3 метра і більше, як це потребують діапазони 23 та 6см. Чим вище діапазон, тим більше має підсилення парабола з одним і тим же діаметром, тим менше потрібно потужності для випромінювання. Завдяки можливості використання портативних систем, у багатьох є можливість працювати в експедиціях та в загалом за містом, коли наприклад у вас не має змоги розмістити велику параболу на ділянці або на даху будинку. По друге, так історично склалося, що в багатьох країнах вибір впав саме на 3см після діапазону 23см, діапазон 6см не дуже популярний, це обумовлено тим що на той час було багато заліза на 10 ГГц, хвильоводи, лампа біжучої хвилі, багато військового обладнання, тощо. На поточний час на ринку існує дуже багато дешевого заліза на Ku, X band, якого з кожним роком стає все більше а ціна нижче, тому що йде розпил радіорелейних станцій, старих систем військового та супутникового зв'язку, який заміняє оптоволокно. Колись діапазон 24 ГГц це була мрія, але зараз багато чого можна придбати за дуже приємні кошти.
Антенна система діапазону 3см має наступні складові, це сама параболічна антенна, фокусний блок, гетеродин, привід кута місця та привід азімуту, сенсори положення антени, контроллер слідкування та повороту антени, щогла.
Антенна
Мій вибір пав, на офсетну параболу компанії Prodelin, модель 1183. Це офсетна система, конструкція виконана з армованого скловолокном поліестеру SMC в якому всередині знаходиться сітка розміром осередки 1.2мм, розмір 1.8х2 метри, має F/D 0.6, кут опромінення 51 градус, дата виготовлення 1992 рік. Кофіцієнт підсилення на діапазоні 10 ГГц = 45 dBi. Парабола використовувалася в системах супутникового зв`язку VSAT, та була демонтована з будівель одного з посольства в Києві та перевезена на певний час до товариша Андрія UX1UF. Коли була знайдена можливість перевезти її, парабола була доставлена вантажівкою на замовлення до міста Чигирин, в якому мій товариш Віталій UR3CBC допоміг зварити кріплення для монтажу на редуктор. Після того як всі кріплення були готові, за допомогою легкової автівки Артема UR3VKC на даху була вже доставлена до мого будинку в місті Світловодськ, де саме знаходиться моя станція.
Із плюсів щодо цієї параболи можна виділити наступне:
- Розроблялася для роботи як на прийом так і на передачу одночасно, таким чином щоб отримати максимальну ефективність при передачі при малих рівнях потужності.
- Наявність документації, в якій вказана дистанції від різних точок параболи до точки фокуса.
- Наявність опромінювача оптимізований конкретно під цю параболу, не треба щось самому шукати чи виготовляти.
- Жорстка конструкція, це дає можливість зберігати робочий профіль при сильних вітрах а також при транспортуванні. В порівнянні з штампованими алюмінієвими параболами, які деформуються при неправильному демонтажі або з часом.
- Офсетний тип, надає можливість більш еффективніше опромінювати параболу в порівнянні з прямофокусом того ж розміру.
- Офсет на має затінення робочої поверхні, розміщення фокусного блоку в нижній частині параболи, дає можливість зручно обслуговувати фокусний блок при невеликій висоті щогли.
- За рахунок гострого кута опромінення є можливість працювати на більш менших кутах елевації, не черпаючи при цьому шуми землі.
- Можливість робити від'ємну елевацію, для вимірів рівня шуму землі а також паркування параболи при великих поривах вітру.
Із мінусів можна виділити наступне:
- При демонтуванні була пошкоджена ліва частина, але на еффективність це ніяк не вплинуло.
- Велика вага в порівнянні з алюмінієвим профілем того ж розміру, вага ~ 50кг, витягнути на дах цю параболу, це був ще той виклик..
- Монолітна конструкція, важко та дорого транспортувати на великі відстані. Наприклад парабола Prodelin 2.4м, складається з двух частин, її можна розібрати і перевозити в звичайному мікроавтобусі.
- Відсутність оригінального профілю кріплення фокусного блоку, необхідно було розробляти свій.
- Сітка всередині поліестеру, обмежує ефектвність на діапазонах вище 15 ГГц, в порівнянні с цільнолитим алюмінієвим профілем. Тому можна забути про діапазони вище 24 ГГц, на 24 ГГц вона ще працює непогано.
На мою думку, оптимальним варіантом розміру параболи на діапазон 3см, є парабола розміром 2.4 метра. Чим більше розмір параболи, більше підсилення, тим гостріше промінь. Це все звучить добре. але наприклад якщо для параболи розміром 1.8 метра ширина діаграми спрямованості на частоті 10 ГГц приблизно 1 градус, то на параболі розміром 2.4м це вже 0.8 градусів, це вже додає підвищенні вимоги щодо точності системи обертання та слідкування. Також чим гостріше промінь, тим меншу поверхню Місяця ви опромінюєте, тому це питання компромісів та ефективності вашої EME системи.
На поточний час знайти якісну параболу розміром 1.8 і вище дуже важко в Україні, це обумволено тим що в цьому не має необхідності на ринку, оптоволокно зробило свою справу. Пройшов час коли все це єффективно демонтувалося, викидалося або просто розпилювалося, тому те що залишилося у людей, дуже ціниться, тому що дістати щось подібне із-за кордону, буде дуже дорого по причині вартості транспортування. Але не треба складати руки і думати що це все, можна далі не рухатися. Насправді якщо дуже захотіти то можна і знайти, багато закинутих парабол стоїть на щоглах різних будівель в великих містах і просто ніяким чином не використовується, також у продажі є прямофокуси MABO діаметром 1.8м за приємні гроші. Почати можна і с звичайної параболи супутниквого телебачення діаметром 1.2 метра, вас почують і ви почуєте, звичайно не всіх, але поштовх буде.
Ось наприклад станція OK2AQ з параболою 1.2 метри.
Або ZL3RC з його 3-сантиметровим сетапом EME та автомобілем Skoda Yeti.
Щогла
Щогла виконана з стального профілю 25х25, та має висоту приблизно 2.5 метри. Вибір такої висоти обумволений тим, щоб зменьшити вітрове навантаження та створити умови для зручного обслуговування фокусного блоку. Щогла розміщена на технічній будівлі виходу на дах, 5 поверхової будівлі. Кріплення конструкції виконано на бетонній плиті, виступи які виходять за межі будівлі, місця кріплення оброблені бітумом. Додатково була зроблена драбина, для того щоб мати можливість підійматися на будівлю для обслуговування параболи. Щогла варилася на землі, платформа кріплення та інше вже варилося на даху.
Привід кута місця та привід азімуту
В якості азімутального редуктора, використовувася радяньскій редуктор від радіостанції Р404, до нього була створена нижня пластина кріплення до щогли, та верхня частина на якій знаходиться вузол кріплення параболи на підшипниках. Редуктор сам по собі дешевий, але має люфт приблизно 0.5 градуса, що є дуже не приємно під час роботи в єфірі, коли за вікном сильні пориви вітру.
Мотор приведення редуктора в дію від бомбарудвальника ТУ-22, модель не памятаю, напргуа живлення 24в. Сам по собі цей мотор дуже гучний, в вечірній час або вночі я намагаюсь використовувати PWM який видає біля 12в, для того щоб добитися тихішої роботи та не заважати сусідам.
Для зміненна кута місця, використовуєтсья актуатор Superjack QARL 3636+, довжина штоку 90 см, живлення 24 – 36 в. Це з найпотужніших актуаторів в серії Superjack, але не дуже надійні, це вже другий актуатор і цей теж вже мав поломки. Для нього я теж використовую PWM щоб був більш плавніший хід штоку.
Для того щоб компенсувати вагу параболи і розвантажити редуктор, використовуються гранілітові млинці, їх багато на ринку різної ваги, вони дешеві, та їх дуже зручно монтувати. Єдиний мінус що їх важко самому підіймати на дах J
Сенсори положення антени
За основу сенсорів положення були взяті сенсори OK2TPQ на базі магнітних енкодерів AS5045, с роздільною здатністью 0.1 градус. Керування відбувається по протоколу RS485. Нажаль ці сенсори сумісні лише з контроллерами які розробляє OK2TPQ, і в моєму випадку звязати їх з моїм саморобним контроллером і програмним забезпеченням було питанням. Після невдалої спроби отримати від OK2TPQ інформацію про протокол, я вирішив переписати ПО в сенсорах і створити свій протокол, це надало мені гнучкість в використанні цих сенсорів майже з будь якимпрограмним інтерфейсом.
Контроллер слідкування та повороту антенни
За весь час, у мене було два саморобних контролерів для керування антеною системою. Перший виготовлений на базі контролеру Atmega128 та єкраном 4x20. Програмне забезпечення якого, виготовлення плат в домашніх умова, розробка, проектування, повністю зроблено мною.
Конструкцію відпрацювала деякий час, але технології, вимоги змінюються, ресурсів починає не хватати і було принято рішення розробити новую версію контроллера. В моєму випадку нова конструкція містить в собі наступні функції
- Автотрекінг за Місяцем та Сонцем.
- Керування моторів за двума осями, з різною швидкістю, використовуючи PWM.
- Відслідковування поточної позиції антени, зчитування даних з сенсорів положення.
- Відслідковування положення паркінгу антени на щоглі.
- Зчитування телеметрії з фокусного блоку
- Контроль підігріву фокусного блоку в холодну пору року.
- Примусове вмикання ЛБВ (лампа біжучої хвилі) в фокусному блоці для діапазону 24 ГГц.
- Перемикання трансвертерів на різні частоти, для різних варіантів країн Європи та Японії.
- Зчитування значення шуму Місяця та Солнця, на базі логарифмічного детектора.
Сама по собі конструкція проста, в якості контролера використовуються Arduino Due на базі мікроконтроллера SAM3X8E, шилдом реле від RobotDyn, для керування різної електронікою та полярності моторів, там 2-х канальний драйвер моторів VNH5019, в якості комп'ютера керування Latte Panda на базі Windows 11 з сенсорним екраном. Для зчитування даних використовуються перетворювач RS485 -> USB. Програмне забезпечення керування самописне, в якості технології використовуються платформа .NET 5 та WPF. В якості отримання координатів на космічні об'єкти використовується Astronomy Engine https://github.com/cosinekitty/astronomy
Із плюсів які я для себе виділив це:
- готові модулі для збирання, які доступні на ринку для покупки, не треба нічого замовляти за кордоном та паяти самому.
- використання Windows, надає змогу використовувати контролер як з вбудованим мінікомпьютером LattePanda так і з ноутбуком або стаціонарним комп'ютером.
- можливість використовувати TeamViewer або іншого ПЗ для віддаленого керування. Таким чином можна з мобільного телефону керувати антенною знаходячись на даху.
- гнучкість для масштабування та розширення.
- контролер можна розмістити під щоглою, команди передавати по Ethernet , або RS485.
ПЧ тракт, синхронізація та стандарт частоти 10 МГц.
В якості ПЧ тракту використовується ICOM IC-9700, синхронізований з фокусним блоком від одного стандарту частоти HP Z3805A .
HP Z3805A це портативне ультрастабільне джерело опорної частоти з прийомом сигналу GPS. Зазвичай такі пристрої використовуються в якості джерела синхросигнала в сфері метрологічного забезпечення, розробок і виробництва РеА, в телекомунікаційних системах, мережах мобільного зв'язку і т.п.
В випадку з звя'зком через Місяць, під час якого сигнал рухається в обидві сторони, видозмінюючись сам по собі, затухаючи на трасі, питання виявлення корисного сигналу стоїть на першому місці. Використання стабільного джерела опорної частоти, підвищує вірогідність виявлення станції кореспондента в полосі 3 кГц на робочій частоті проведення зв'язку. Це може бути СW так і SSB або цифровий зв'язок в моді Q65.
В якості джерела опорної частоти можуть використовуватися TCXO, OCXO, рубідієвий стандарт, або GPS DO. Один із важливих факторів джерела опорної частоти є фазові шуми генератора, фазові шумі впливають на рівень сигналу, що приймається від Місяця, так як накладаються на послаблений сигнал. Правильний розрахунок підсилення каскаду приймача, враховуючи кофікцієнт підсилення МШП та правильний вимір фазових шумів опорного генератора, може уникнути проблем потопання корисного сигналу у фазових шумах опорного генератора.
Фокусний блок
Фокусний блок виконаний з саморобного алюмінієвого шасі. Розмір блоку 20х20см, що дає можливість повертати його в фокусі для зміни поляризації. Вага блоку 8 кг.
Сам блок містить в собі наступні компоненти:
- Два трансвертери від DB6NT на діапазон 10368 МГц та 10450 МГц з ПЧ 144 та 432.
- МШУ DB6NT MKU LNA 102, з коефіцієнтом шуму 0.7 дБ, та підсиленням 21 дБ. Має фланець хвильоводного стандарту WR-90
- Підсилювач вихідної потужності зі значенням 30Вт на базі MMIC.
- Сплітери від компанії MiniCircuits для узгодження сигналу опорної частоти та сигналу з виходу МШУ для обох трансвертерів.
- Хвильоводний перемикач стандарту WR-75, з саморобним контролером перемикання та відслідковування поточного положення.
- Саморобний контролер для керування вузлами блоку, зчитування температури підсилювача потужності, зчитування значення потужності, та іншої телеметрії.
- Два блоки підігріву, з потужністю 10 Вт кожний.
Монтаж на антену, пошук фокуса, та налаштування.
Для кріплення фокусного блоку, була створена саморобна платформа виконана з алюмінієвого профілю. Верхня частина платформи кріпиться на параболу, нижня частина кріпиться на підтримуючий профіль для розвантаження параболи.
Положення платформи знаходиться в тій позиції щоб при розміщення блоків стандарту 20х20 см, фокус знаходиться по центру блоку.
Фокус був знайдений за допомогою документації на параболу.
Кріплення блоку відбувається за допомогою струбцин, це заощаджує час та поліпшує роботу. Сам блок є не герметичним, для того щоб захистити блок від дощу, використовується звичайна плівка.
Вся конструкція в зборі виглядає наступною
Налаштування і знаходження оптимально позиції в фокусі відбувалася за декілька етапів за допомогою рівня шуму Сонця. Маючи з собою планшет який під'єднаний через Team Viewer до домашнього компь'ютера с запущеним програмним забезпеченням для вимірювання шуму та системи керування антеною, шляхом опускання параболи по куту місця та корегування відстані до фокуса, був знайдений максимальний рівень шуму Сонця, який дорівнює 12.2 дБ, що в цілому співпадає с розрахованим значенням в калькуляторі VK3UM.
Після знаходження оптимальної позиції фокуса вдалося отримати наступні значення шуму:
Місяць - 1.1 дБ
Сонце - 12.2 дБ
Тиха ділянка неба/земля - 4.5 дБ
Демонстрація прийому маяка DL0SHF
Зв'язок за допомогою моди Q65 з оператором DL7NN
Прийом власного відбитого сигналу від Місяця
Наступні плани, це діапазон 24 ГГц та зміни в механізмі та системі слідкування антени, для цього майже все готово, так що далі буде :)
Подяки
UR3CBC, UY2QQ - за виготовлення щогли, та конструкції кріплення для параболи.
UX1UF - за допомогу з транспортуванням та зберіганням параболи.
UR3VKC, UT2VR - за допомогу з перевезенням та монтажем конструкції.
UZ5DX та команді UR7D - за допомогу з комплектуючими для фокусного блоку.
UR5LX за довгі бесіди, мотивацію, та безцінну інформацію для досягнення цілі.
Та всім іншим хто сприяв цій справі.
EME на діапазоні 3см.
UR3VKE, Антон Васько
Україна, 2022 рік
