HAMSatTracker: Parte 3 (Antena)

Otra parte del proyecto es la antena para poder comunicarse con los satélites. Su diseño está basado en un artículo sobre la construcción de una antena DIY por Kent Britain (WA5VJB). Una copia en pdf se encuentra en el repositorio junto con los archivos del diseño 3D.

Versión de 5 elementos (UHF)

La antena se diseñó en FreeCAD para poder reutilizar los perfiles de aluminio de una antigua impresora, en concreto tres piezas de 2x2 cm y unos 30 cm de longitud (por ello se diseñaron dos piezas para poder unirlas) como soporte. Y varillas para soldadura de latón de 3 mm de diámetro como elementos de la antena.

Internamente utilizan unas piezas impresas en 3D que se introducen en los raíles de los perfiles y se fijan con los tornillos que se ven en la imagen superior.

La antena está compuesta por 2 elementos para VHF y 5 para UHF. Siendo los que tienen forma de J los elementos conductores (a ellos se conecta el cable de la radio y son los que emiten la señal), los que se sitúan atrás de ellos son los elementos reflectantes (cada director tiene 1 de más longitud que él mismo) y los que se encuentran por delante del conductor son los elementos directores (solo disponibles en la parte UHF), que aumentan la direccionalidad y ganancia de la antena.

En la imagen superior se ve la versión de mano, ya que es muy pesada para los motores. La otra versión consiste en quitar el elemento de unión azul más a la derecha, haciéndola más corta y eliminando los 2 últimos directores, sustituyendo el director restante por otro de distinta longitud. Las medidas exactas están en el pdf del repositorio en la configuración de 3 elementos para UHF. Aunque tiene menos ganancia y directividad, necesitando señales más fuertes para su escucha y más potencia de transmisión para la mima distancia.

Durante el diseño

Medidas en milímetros

Fotos

Se muestran las fotografías hechas durante la construcción y pruebas de la antena:

Versión de 5 elementos UHF (construcción completada)

Detalle de sujeción del cable de antena (RG-58)

Caja 3D para el filtro y tornillos de nailon para sujetar la placa interior

Mueca en la pieza 3D para alinear el centro del elemento

Al ser una construcción casera y siendo algunos componentes diferentes a los del artículo, se ha aprovechado los canales en el perfil de aluminio para poder variar de forma muy fácil la separación entre los distintos elementos y probar los resultados con el VNA. 

También se puede apreciar en la imagen superior como se han unido distintas varillas de soldadura con un tubo de latón de un diámetro ligeramente mayor.

Otra perspectiva de la caja para el filtro de frecuencias

Impedancia y SWR en la banda UHF

Impedancia y SWR en la banda VHF

Frecuencia de valor mínimo SWR en banda de VHF

A la hora de afinar la frecuencia de resonancia de la antena se recomienda cortar los elementos conductores un poco más largos de lo necesario, de modo que durante las pruebas, si se necesita subir la frecuencia de resonancia solo hay que cortar y/o lijar el elemento para hacerlo más corto.

Ya que no dispongo de ninguna máquina para poder doblar el elemento en forma de J, he creado la U con hilos de cobre de un cable de 2.5 mm de sección enrollándolos hasta alcanzar los 3mm y luego lo he estañado para mantener la forma. Usando una pieza impresa en 3D para darle la curvatura necesaria.

Hilos de cobre del cable eléctrico pelado

Pieza 3D con 2 capas de papel de aluminio para no derretir el plástico

Us terminadas, se lijan los extremos hasta encajar en el tubo de latón

U colocada y soldada

A la hora de soldar se ha puesto una pinza de aluminio para disipar el calor y no derretir la soldadura adyacente.

Filtro

El filtro se encarga de dirigir la energía de la radio a los elementos conductores correspondientes, haciendo que al trasmitir en VHF no circule la corriente al elemento del UHF y viceversa, utilizando un solo cable para las dos bandas.

Filtro VHF-UHF

Cables RG-174 para pruebas del filtro

Filtro conectado al VNA

Respuesta del filtro entre 100 Mhz y 500 Mhz

Debido a que el analizador solo dispone de 101 puntos de muestreo en el rango de frecuencias especificado, se conecta al PC con un programa llamado NanoVNASaver, el cual permite tomar muchos más puntos de muestreo. A la vez que se limitan los rangos de frecuencias para obtener una mejor representación de la señal.

Mismo rango que la foto anterior pero con 1010 puntos

El rango de frecuencias para radioaficionado en España es de 144 Mhz - 146 Mhz en VHF y de 430 Mhz a 440 Mhz en UHF. Recordando que tanto en España como en muchos otros países, es necesario una licencia/autorización de radioaficionado para poder transmitir en las dichas u otras frecuencias.

La imagen anterior muestra como empieza a cortar el filtro (-3 db) y se va atenuando la señal a partir de unos 240 Mhz. Atenuando el rango de interés (UHF) en torno a los 23 dB, unas 200 veces más pequeña se hace la señal al pasar por el filtro. Pero el SWR en VHF (145 Mhz marcador verde) es malo, en torno a 2, lo que quiere decir que la mitad de la energía enviada se refleja de vuelta en VHF por lo que no es válido.

Mismo rango pero con el filtro para UHF

En la imagen se puede ver como este filtro bloquea la señal de VHF y la deja pasar sin atenuación a partir de los 260 Mhz aproximadamente. Teniendo un SWR de casi 7 sobre los 430 Mhz. 

Lo anterior deja ver que debido a que el grosor del cable utilizado no es exactamente el mismo, así como las distancias entre las espiras son aproximadas, y a que es hecho a mano, su comportamiento cambia bastante y no es válido. Por ello, tratando de hacer que la frecuencia de corte en VHF sea más baja que en la penúltima imagen y la de UHF más alta que la última, se doblan las espirales del cable del primer filtro y se reducen las del segundo. Así como se juega con la separación de las espirales.

Nuevo filtro

Ampliación de las inductancias hechas con cable

Nueva respuesta en VHF

Ahora el SWR ha bajado a 1.4 y la atenuación en los 430 Mhz es de unos 33 dB, unas 2000 veces menor. Una gran mejora solo por unas cuantas vueltas más de cable, a la vez que la frecuencia de corte para VHF disminuye.

Nueva respuesta en UHF

Para la banda de UHF el filtro atenúa unos 30 dB (1000 veces) la señal de VHF, dejando pasar la de UHF. Se ha incrementado la frecuencia a la cual deja pasar la señal por completo y el SWR ha bajado de 7 a 2. Mucho mejor, aunque mejorable. Y siendo esta la respuesta solo del filtro, hay que probar con todo el sistema: antena, filtro, y  cable que se va ha usar conectados.

Filtro terminado de ajustar

Filtro montad en la antena

Una vez montado varía un poco su respuesta, por lo que se han juntado las espirales de la parte de VHF y se ha separado la espiral de UHF.

Caja del filtro con el cable RG-58

Antena final

Como se ha comentado al principio de este artículo, la antena que va en el cabezal motorizado se ha reducido en longitud y ha pasado a tener tres elementos en UHF.

Antena de 5 elementos

Debido a este cambio se ha aprovechado para reajustar la antena, después de más de una hora entre limar un poco los elementos conductores, variar ligeramente la distancia de los elementos reflectores para acercar la impedancia de nuevo a 50 ohmios y cambiar el director de UHF, se han obtenido los siguientes resultados:

Respuesta en VHF de la antena en su conjunto

Se han usado 1010 puntos pero en un ancho de banda de solo 2 Mhz (144-146) y se han puesto marcadores en el rango a usar por varios satélites en especifico, intentando optimizarla para ello.

Como se puede apreciar, el SWR está entre 1.05 y 1.14, con una impedancia entre 48 y 53 ohmios.

Respuesta en UHF de la antena en su conjunto

Esta vez se han usado 5050 puntos, dado que el analizador es menos preciso a partir de los 300 Mhz. Centrándose los marcadores en un rango donde trabajan varios satélites.

Se observa como el SWR está entre 1.12 y 1.18, con la impedancia situada entre los 45 y los 52 ohmios. Mucho mejor respuesta en UHF que la del filtro solamente.

Como siempre todos los ficheros para su diseño e impresión 3D de las piezas necesarias se encuentran en el repositorio de la antena, junto con el pdf de como construirla.