Найвищий аматорський діапазон 24 ГГц, на якому є активність, являє собою великий технологічний виклик у порівнянні с нижчими частотами. Перший зв’язок через Місяць був проведений у 2001 році між Barry Malowanchuk VE4MA з Канади та Al Ward W5LUA. На поточний час у світі налічується близько 20 станцій і з кожним роком їх стає більше, діапазон активно розвивається і має великий потенціал в майбутньому в радіоаматорському суспільстві світу. В цій статті я хочу розповісти про виклики, які стали на шляху до проведення першого зв'язку та варіанти їх рішень.
Перші спроби в наземному зв'язку
Ці події ще почалися у 2021 році з придбанням трансвертеру. Трансвертер компанії Broadern, мав фланці стандарту WR-28 та був перероблений з діапазону 28 ГГц в 24 ГГц. В якості LO як і в інших проектах я використовую PLL від Павла US4ICI. Коефіцієнт шуму приймача складає 3.5 дБ, вихідна потужність 30 мВт.
Після вдалих спроб прийняти другу гармоніку з іншого синтезатору частоти, я вирішив все збирати до купи, але з розрахунком потенціалу під роботу через Місяць та тропо одним блоком.
Через деякий час були придбані хвильоводи та зроблені в домашніх умовах саморобні коаксіально хвильові переходи, замовлено хвилевідний МШП від DB6NT з коефіцієнтом шуму 1.5дб, придбаний 1 Вт підсилювач потужності від компанії Toshiba, саморобний хвилевідний перемикач під стандарт WR-42 та додатковий трансвертер діапазону 2.3 ГГц щоб отримати ПЧ 144 МГц.
Після того як це все було скомбіновано і зібрано в одному корпусі ми вирішили провести з UR3VKC перші тести в межах Кіровоградської області, на відстані в 30 км. Все пройшло без проблем з першого разу, рівні 599, та дало мотивацію рухатися далі, але вже в напрямку EME зв’язку.
Особливості проведення зв'язку через місяць
1. Відстань місяця від землі
Всі ми знаємо що Місяць рухається навколо Землі еліпсом, отже місяць іноді буває ближче до Землі, а іноді – далі, виходячи з цього маємо різні втрати сигналу на трасі.
Для 24 ГГц це 297 дБ коли Місяць знаходиться в апогеї ( на самій великій відстані від землі), та 295 дБ коли Місяць знаходиться в перигеї ( на найближчій відстані). Тому маємо різницю у 2 дБ в різний період часу.
Крім того, місячна поверхня використовується як пасивний відбивач, і, отже, через відносно низький коефіцієнт відбиття, який становить лише близько 0,065 (6,5%), вона різко послаблює сигнал, який відбивається від її поверхні. Низький коефіцієнт відбиття значною мірою зумовлений характеристиками поглинання та розсіювання місячної поверхні.
2. Ефект Доплера
Як і в будь-якому орбітальному супутниковому зв'язку, постійна зміна відносного розташування між орбітальним об'єктом і наземною станцією викликає доплерівський зсув частоти. Для діапазону 24 ГГц, це 60 кГц.
3. Лібрація та розповсюдження
Лібрація це періодичні коливання Місяця щодо її центру мас. В результаті Місяць звернений до Землі не виключно однією стороною, а трохи повертається по довготі та широті, так що прямим спостереженням доступно 0,59 всієї місячної поверхні. Причини лібрації Місяця, це нерівномірність руху Місяця по орбіті, відмінність фігури Місяця від суворої кулястої форми.
Чим сильнішою є лібрація в будь-який конкретний час, тим слабшим здається сигнал, оскільки енергія поширюється у ширшій смузі пропускання, тому його складніше розшифрувати на тлі фонового шуму. Швидкість завмирання (або кількість розповсюдження) змінюється залежно від положення Місяця, зазвичай менше, коли Місяць біля горизонту, і найгірше, коли місяць проходить.
4. Втрати в кисні та воді
Діапазон 24 ГГц знаходиться на лінії поглинання кисню та води. Поглинання кисню не дуже значне на цьому діапазоні та дорівнює всього 0.02 дБ/км, що не можна сказати відносно абсорбції води, вона складає 0.3 дБ/км. Тому найкращі умови для проведення зв’язку через Місяць це морозна погода і чисте небо, коли кількість вологості мінімальна, а на трасі до місяця не має додаткових перешкод у вигляді хмар.
Порівняльна характеристика між діапазонами
| 10 ГГц | 24 ГГц | 47 ГГц | |
| Стабільність частоти | - | 2.5 x | 5x |
| Лібрація | ~ 100 Гц | 200 Гц | 400 + Гц |
| Доплер | 20 кГц | 60 кГц | ~ 120 кГц |
| Втрати на трасі (апогей) | 289 дБ | 297 дБ | ~ 303 дБ |
| Втрати в кисні | - | 0.02 дБ/км | 0.4 дБ/км |
| Втрати в воді | - | 0.3 дБ/км | 0.15 дБ/км |
5. Опромінення поверхні місяця
Чим більша антена, тим більше підсилення, тим більше розповсюдженої потужності та більш якісний прийом слабких сигналів, це все так, але це не зовсім відноситься для роботи на сантиметрових хвилях. Місяць - це об'єкт з 0,5 кутового градуса, якщо максимально опромінити всю поверхню місяця, то лише 15 – 18% енергії повернеться назад від місяця, тому важливо підбирати оптимальний розмір антени для ефективного опромінення.
Антенна система
1. Система стеження
Порівняно з діапазоном 10 ГГц, де ширина променя моєї 1.8м антени складає 1°, можна використовувати ручне слідкування за місяцем шляхом отримання максимального значення теплового шуму місяця. Необхідно просто підвертати антенну в ручному режимі кожні 30 – 40 секунд. Коли ширина променя складає 0.5° для діапазону 24 ГГц, це вже стає викликом, бо треба постійно кожні 10 - 15 секунд відволікатися на керування. Тому я використовую саморобне програмне забезпечення що я використовував на 10 ГГц яка робить це за мене. Підхід на цей час простий, шляхом визначення максимального теплового шуму об'єкта, та отримання поточної позиції місяця через сервер JPL, я калібрую своє ПЗ. Вираховую похибку відносно поточної позиції антени та даних з серверу, ПЗ керує двигунами за допомогою PWM та позиціонує систему щодо поточних координат Місяця.
2. Антена, ефективність та якість поверхні
Для діапазону 24 ГГц якість поверхні та форми рефлектора грає велику роль. Помилка або деформація в рефлекторі призведе до зменшення підсилення зі зменшенням довжини хвилі. Цю помилку можна вирахувати з допомогою формули Рузе, я не буду в деталях описувати її. Формула Рузе передбачає, що поверхневі помилки некорельовані. Великі масштабні помилки, деформації ймовірно, призведуть до збільшення бічних пелюсток.
Мій варіант антени розроблений для діапазону Ku, та має всередині сітку розміром 1.5 х 1.5 мм, що має низьку ефективність в діапазоні Ka, але зберігає жорсткість та форма рефлектора за рахунок матеріалу з якого вона виготовлена, тому як один з варіантів підвищення ефективності це обклеїти поверхню фольгою.
Рефлектор повинен мати цільну поверхню, зазвичай це алюміній і мати не деформований профіль. Деформації профілю відбуваються шляхом некоректного транспортування, часу, температурних розширень, механічних ушкоджень тощо. Чим більше розмір рефлектора, тим більше помилок в поверхні під час його виготовлення, тому на всі ці моменти треба приділяти увагу.
На мою думку, із найкращих варіантів на сьогодні це офсетні антени фірми Супрал діаметром 1.8 або 2.4 м, яких на жаль дуже мало на даний час, але це кращий вибір для діапазонів 24 та вище.
Також існує гарна альтернатива яку перевірено радіоаматорами з Іспанії та Португалії, це антени фірми Kathrein , модель CAS-120 або CAS-90, існує також варіант CAS-180 але наразі я не має інформацію щодо її якості. Цікавий момент, коли на антені розміром 1.2 м, внаслідок якісного рефлектора, отримували значення теплового шуму космічних об’єктів більше ніж в інших при розмірі антени 1.8м та 2.4 м.
3. Механічне кріплення антени
Фокусний блок зазвичай має вагу приблизно 10 – 20 кг, тому стандартне кріплення яке зазвичай йде в комплекті з антеною використовувати не можна ! Воно використовує антену як опору, внаслідок цього йде навантаження та деформація профілю, що тягне за собою низьке підсилення, додаткові пелюстки і ще багато чого неприємного. Тому важливо щоб сама антена та кріплення фокусного блоку були дві роздільні частини. Приклад того як це повинно бути зображено на прикладі станції RW3BP.
Або на прикладі моєї системи
4. Опромінювач
Для отримання максимального результату, треба спробувати багато варіантів опромінювачів, щоб визначити максимально з них ефективний для вашої системи, затрачається багато часу та матеріальної складової.
Спочатку я спробував використати опромінювач розрахований за допомогою OK2AQ, під F/D 0.6, але після перших тестів його ефективність видалась дуже малою. Різниця між холодною точкою неба та землею було всього 1.8 дБ, що є мало при коефіцієнті шуму 1.5 дБ. Не знаю в чому проблема, або помилка при виготовленні або він просто не підходить для моєї офсетної системи, бажання з цим розбиратися не було.
Тому я вирішив спробувати простий варіант звичайного пірамідального хорну, розрахований під мій F/D та кут розкриття антени. Рахувати такі речі можна за допомогою ПЗ Sabor. Розраховане підсилення 14.4 дБ, spillover -1.63 дБ. Скажу одразу, що це не найкращий варіант, тому що він не оптимальний, але такі речі можна спаяти на колінці зі звичайної листової латуні і цього буде достатньо для експериментів.
5. Вимірювання шуму космічних об'єктів
Після виготовлення нового опромінювача перші результати одразу потішили, різниця CS/G змінилася з 1.8 дБ до 2.4 дБ, на відкритий рупор. Далі необхідно було встановити блок у фокус антени, знайти оптимальну позицію фокуса та робити перші тести. Звичайно для правильного вимірювання різниці, необхідно було виготовити додатково холодний рупор, який має низькі бічні пелюстки, але в моєму випадку цього було достатньо, щоб зрозуміти що попередньо проблема була не в МШП, а в опромінювачі.
Після виявлення оптимальної фокусної позиції, перші результати вже порадували. При куті місця в 45 градусів, шум сонця складає 10.7 дБ, шум місяця 0.8 дБ, це вже був результат, щоб можна було робити перші тести по приймання інших станцій.
Фокусний модуль
1. Складова модуля
У фокусний модуль входять наступні компоненти
- Трансвертер MKU 24 G2
- МШП MKU LNA 243 RX2
- PLL US4ICI
- Саморобний хвилевідний перемикач W1RIL з саморобним контролером
- Драйвер лампи біжучої хвилі Toshiba потужністю 1 Вт
- Лампа біжучої хвилі RW1127
- Блок живлення ЛБВ
- Саморобний контролер, який має секвенсер, отримує телеметрію токів лампи, температури лампи тощо.
2. Лампа біжучої хвилі, перероблювання та вимірювання потужності
Існує два варіанти отримання потужності в діапазоні 24 ГГц, це використання SSPA на базі TGA4915 або на інших чіпах, або використання лампи біжучої хвилі (traveling wave tube).
Відносно готових рішень SSPA, то багато на ринку, але це більше комерційні пропозиції які коштують великих грошей. Якщо розглядати варіант виготовлення власноруч, треба мати навички та бути готовим до того що необхідно буде знайти чіпи, мати доступ до ЧПУ, розуміти як це коректно скласти, сфазувати, мати доступ до вимірювальної техніки.
Щодо лампи біжучої хвилі, то серед аматорів популярний варіант використання лампи RW1127 від компанії Siemens, по замовчуванню вона працює в діапазоні 11.7 – 13.25 ГГц з вихідною потужністю ~ 60 Вт, та має вхід та вихід стандарту SMA. Блок живлення йде в комплекті з лампою, та потребує 48В постійного струму та ~ 6А струму. Такий варіант може працювати на другій гармоніці в діапазоні 24 ГГц, для цього можна просто змінити режими лампи, струм та напругу і в середньому лампа зможе видати ~ 30, 35 Вт, при вхідній потужності в 1.5 - 2.5 Вт. Для зменшення втрат в конекторах, та додаткової фільтрації робочої частоти, конектори змінюють на хвильоводи стандарту WR-42.
В моєму випадку в якості драйверу використовується хвилевідний підсилювач Toshiba, вхідна потужність 1 мВт, вихідна від 800 мВт до 1.5 Вт. Максимум що я зміг з нього отримати, це 1 Вт після фільтру, та без шкоди для кристала.
Для вимірювання потужності я використовую Gigatronics 8542C з сенсором Gigatronics 80334A який має діапазон вимірювань від 10 МГц до 40 ГГц. Сенсор має максимальну вхідну потужність 2 Вт, тому я використовую додатково відгалужувач з послабленням на третьому порті в -13.5 дБ, та додатковий атенюатор на 10 дБ. Хвильоводне навантаження з переходом WR-51 в WR-42 та максимальною можливою потужністю в 100 Вт.
Як я вже зазначив, на цей час максимально що я міг дати на вхід лампи це 1 Вт, але при такій потужності я зміг отримати 22 Вт на виході після хвилевідної системи та перемикача. Цього більше ніж достатньо для проведення зв’язку.
3. Хвилевідний перемикач
Для проведення зв’язку через місяць, важливу роль відіграє МШП та втрати від опромінювача до його входу. Вхід МШП повинен бути лише хвилевідним, кожен хвилевідний перехід, кожен фланець, стик, дає втрати приблизно в ~ 0.1 дБ та вносить додаткові шуми в систему. Тому важливо використовувати якомога менше переходів. Також необхідно комутувати велику потужність, при цьому між входом МШП та виходом ЛБВ повинна бути якомога більша розв’язка, щоб захистити МШП від ушкодження. В таких випадках використовують хвилевідні перемикачі які як правило мають велику ізоляцію та мінімальні втрати в порівнянні з коаксіальними перемикачами. Перемикачі стандарту WR-42 є дефіцитними, тому я вирішив використати саморобний варіант за схемою W1RIL http://www.wa1mba.org/wr42sw2.htm
Перші спроби приймання, декододуваня маяка за допомогою WSJT-X
Після відладки системи, визначення фокусної позиції на антенні, я спробував зробити перші спроби прийняти маяк DL0SHF.
Маяк DL0SHF це аматорська станція, яка знаходиться на території Німеччини. Станція включає в себе дві антени які використовуются для опромінення Місяцю і працює майже постійно в діапазонах 10 та 24 ГГц коли той знаходиться в видимості.
Розмір антени маяка становить 3.7 м, маяк працює потужністью 5 Вт і може працювати короткостроковий час з потужністю 120 Вт.
Мої перші спроби почалися з приймання маяка з потужністю 5 Вт, на той час лібрація луни становила приблизно 400 Гц, вологість 60%, температура повітря 10 градусів Цельсію, шум місяця ~ 0.7 – 0.8 дБ. На жаль ефективність моєї системи не дуже велика, тому почути на 5 Вт я нічого не зміг, але після того, як по запиту потужність була підвищена до 120 Вт, з’явилися перші результати. На спектрі було видно сигнал, розмазаний через причину лібрації, а також був помітний на слух, з шиплячим відтінком, нагадуючи ефект від RS (rain scatter).
Після того як я зміг декодувати маяк, я був впевнений що система працює, стабільності частоти достатньо, система слідкування працює, отриманий результат в -15 дБ при 120Вт з передающої сторони, достатньо щоб декодувати станції з потужністю в 15 – 30 Вт.
Історичний зв'язок з Чехією
Перший двосторонній зв’зок було вирішено провести з Чехією, позивний станції OK1KIR.
Станція OK1KIR має антену діаметром 4.2 м, та вихідну потужність 22 Вт. Це велика ймовірність успіху в проведенні зв`язку.
Мода зв`язку обрано Q-65, період приймання/передача 60 секунд.
Мода Q65 особливо ефективна для тропосферного розсіювання, дощового розсіювання, іоносферного розсіювання та EME на VHF та вищих діапазонах, а також інших типів сигналів зі швидким загасанням.
У Q65 використовується 65-тональна маніпуляція зі зсувом частоти та ґрунтується на базі попередньої моди QRA64, представленому в WSJT-X у 2016 році.
З першої спроби, мені вдалося декодувати станцію OK1KIR, але на жаль він мене ніяк не міг почути після деяких моїх спроб. Виною тому став каптоновий скотч на опромінювачі. Каптоновий скотч використовується для захисту опромінювача від зовнішніх факторів, таких як пил, волога, і т.п. Завдяки змонтованої камери відеоспостереження на даху я побачив, що під час випромінювання, у фокусі з’являється біла пляма, це було розігрівання стрічки, а скоріш всього клейкого матеріалу, розігрівання значить що в матеріалі на цих частотах є втрати.
На годиннику була 11 та вечора, але відчуття ейфорії не зупинило мене від того, щоб в повній темряві збігати на дах та зняти його, щоб довести зв’язок до кінця, і це того було варте, OK1KIR почав декодувати мій сигнал і перший зв’язок через Місяць в історії України в діапазоні 24 ГГц був проведений.
Плани на майбутнє та покращення системи
1. Заміна опромінювача на двох модовий опромінювач W2IMU
2. Заміна МШП, зниження коефіцієнту шуму з 1.7 дБ до 1.2 дБ
3. Проведення зв’язку з іншими станціями на 24 ГГц.
4. Перенести блок керування антенної системи на щоглу, змінити енкодери, збільшити резолюцію до 0.01 градуса, також змінити азимутальний редуктор, привести всю систему для можливості працювати в діапазоні 47 ГГц.
5. Додати систему візуального спостереження за космічними об’єктами.
6. Провести перші спроби приймання через Місяць в діапазоні 47 ГГц.
Перший зв’язок через місяць в діапазоні 24 ГГц
UR3VKE, Антон Васько
Україна, 2023 рік
