Jak jsem použil satelit ke kontrole vyzařování hlavního paprsku antény (k dvacetiletému výročí satelitu FO-29/JAS-2)

Druhý japonský radioamatérský satelit oslavil přibližně před měsícem (dne 17.8.2016) své dvacetileté výročí vynesení na oběžnou dráhu a spuštění. Pamatuji si, jak jsem tenkrát netrpělivě na jeho vypuštění čekal, zejména po dobrých zkušenostech s jeho předchůdcem FO-20. O vybavení své stanice jsem tenkrát napsal článek do Radioamatérského zpravodaje. Se stejným vybavením jsem tenkrát dělal mnoho QSO i přes FO-29. Popsané vybavení mi vydrželo na střeše až do roku 2006. Proč o tom píšu? Satelit FO-29 mi kromě možnosti dělat hezká spojení mnohokrát posloužil i pro experimenty, a to díky několika důležitým vlastnostem. Vlastnosti satelitu jsou hezky popsány např. zde. Pro moje dnešní pokusy však byly důležité tyto věci:

1. Satelit má transpondér typu V/U (tj. VHF uplink, vysílá se na 145.9 - 146 MHz a UHF downlink, přijímá se na 435.8 - 435.9 MHz).
2. Satelit má CW maják (100 mW výkon) na 435.795 MHz, tedy na začátku uplinku. Obě antény družice jsou s kruhovou polarizací (RHCP).
3. Při vhodných obletech mají signály satelitu maličké úniky. Družice mi mnohokrát posloužila, když jsem chtěl na vlastní oči vidět a uši slyšet, šířku svazku právě vyrobených UHF antén.

Za svůj největší problém při experimentech s EME a JT65B považuji dlouhou dobu dekódování přijaté relace. Za tu dobu může anténa "vyjet z paprsku", pokud ji máte "nějak" směrovanou. A potom je všechno v čudu. Nic nedekódujete, i když máte dost velkou anténu, nízké šumové číslo LNA a dodržíte celou řadu dalších zásad. Mě se znalost, kde anténa vyzařuje a alespoň orientační znalost o šířce mainlobe vyplatila. A to i u  dost "široké" antény, kterou jsem k experimentům používal.

Antény

Pro letošní prázdninový experiment mě zajímaly antény pro pásmo 432 MHz, které jsem rovněž zkoušel pro příjem JT65B EME s moderním LNA předzesilovačem. Jde o tři prototypy antén Yagi s 11 až 15  prvky. Nejdelší anténa má délku asi 2.2 metru, tj. 3x lambda. Všechny antény byly modelované pomocí NEC a byly optimalizované na konkrétní hodnoty F/B a zisku. S nejvhodnější anténou mám ještě další záměr, sice optimalizaci stacku se čtyřmi, nikoliv stejnými, ale vhodně odlišnými anténami tak, aby se hlavní laloky sčítaly a zadní laloky byly diverzifikované, aby se u stacku nesčítalo jejich vyzařování. Ale to předbíhám.

Experiment

Pro experiment jsem použil stack ve velice nízké (H=1.4m) montáži nad zemí. Vyzařovací diagram vypadá takto:

Hlavní paprsek (mainlobe) je pro pokles 3 dB široký asi 15° a při odchylce od požadovaného směru o 10° se zisk sníží o více než 6 dB (téměř o 10 dB). Při tak nízké montáži nad zemí má anténa maximum vyzařování v úhlu asi 6° nad horizont. Pro orientační ověření šířky svazku stačí na RX vypnout AVC, měřit sílu signálu majáku ve spektru a "projet se s anténou po azimutu". Vybral jsem si večerní oblet satelitu FO-29 s číslem 99177:

Maximální elevace nad horizontem byla pro moje QTH asi 5.1° při azimutu asi 70°. Tedy téměř na východě, shodou okolností jen několik desítek stupňů severněji (o 20°-30°), než nám vychází měsíček pro EME experimenty. Signály majáku satelitu jsem tedy netrpělivě očekával s nasměrovanou anténou na cca 30° E. FO-29 nezklamala ani po 20 létech. Pouze mě překvapilo, jak jsou její signály silné (vzdálenost cca 4300 až 3780 km). Při maximální elevaci vystoupal S metr až na S9 !!! (Kenwood TS-2000), ale to bylo u CW QSO na kmitočtu asi 435.840 MHz, nikoliv u majáčku, ten byl slabší. Kolem bodu maximální elevace jsem si tedy anténu "rychle projel tam a zpět" a zaznamenal jsem si signal-recorderem čas, polohu rotátoru (azimut antény) a sílu signálu. Pokles síly však bylo možné registrovat pouhým uchem a na stupnici rotátoru bylo vidět, na jakých úhlech azimutu. Byl jsem velice spokojen, protože jsem vlastně prvně doma, v amatérských podmínkách (až na ten vypůjčený rychlý záznamník), byl schopen nějak odměřit do volného prostoru a v konkrétní výšce nad zemí mainlobe antény pro 432 MHz a najít první minima mezi mainlobe a 1. sidelobe.

Pro informaci zde dám ještě druhou mapu orbity Nr. 99177:

Je z ní vidět komunikační dosah satelitu v té době.

Poznámky

1. Asi bych měl odpovědět, proč jsem tohle všechno dělal. Experimenty s příjmem EME (JT65B) na maličké antény mě velice lákaly. Spíš jsem si vlastníma rukama ověřil, že když se někdo na Internetu "pochlubí", že právě dělá sked QSO a uvede, na jakém kmitočtu, dařilo se mi opakovaně signály dekódovat. Jenže na pásmu 2m se mi postupně zvýšila hladina rušení a řekl bych, že klidně mohu nechat projekt malé EME stanice pro 2m rozplynout. Na pásmu 70 cm mám zatím docela slušné ticho. Zlobivý spínaný zdroj jsem operátorovi našel, byl vyměněn a tak jsem si nějakou dobu s dekódová ním JT65 hrál. Jenže jsem také dost často nedekódoval a jindy se mi zdály signály mnohem čistější. Problém byl samozřejmě ve směrování antén. U parametrů přijímače jsem se doslova honil za desetinkami na šumovém čísle (což je jen tak mimochodem u malé EME stanice velice důležité) a u antény mi utekly celé decibely. A to už stačí, abych nedekódoval nic. Když jsem začal rotátor hlídat, najednou jsem dekódoval. Jenže jsem nemohl spát kvůli tomu, že jsem nevěděl, kde má anténa maximum vyzařování. Byla totiž nastavená jenom podle geometrie.

2. Pokud uvažujete o opravdu malé stanici EME, vřele doporučuji mimo často publikovaných zásad (které se týkají vlastností antény - šumová teplota, potlačení sidelobes, požadavků na LNA a požadavků na minimalizaci ztrát mezi zářičem antény a LNA) věnovat pozornost pečlivému nastavení stupnic s azimutem ve vašem QTH, pozornost tomu, kde vaše soustava opravdu maximálně vyzařuje a pozornost tomu, kde má vyzařovací diagram antény nepříjemná minima. Já jsem začal opakovaně dekódovat signály silnějších stanic na malou anténu až poté, co jsem přestal s pokusy s nepřesným směrováním. Ke zjištění skutečnosti, jak mi anténa vyzařuje, mi dobře posloužil stařičký a dobrý satelit FO-29 (JAS-2). Pokus na orbitě č. 99177, který jsem zde popsal, byl pouze ilustrativní. Včera jsem si jen naposled ověřoval, zda vše funguje tak, jak o tom dneska píšu. Ve skutečnosti jsem udělal o prázdninách asi 20 podobných pokusů, kdy jsem si "měřil" hlavní laloky (mainlobes) a minima mých přibližně 3 lambdových yagi.

3. Zda v dohledné době vyjedu provozem EME na 70 cm, to opravdu nevím. Jednak nemám potřebný PA (to není až takový problém). Mám však mentální zábrany, když jsem sledoval několik JT65B QSO u mnohem lépe vybavených stanic, než by byla ta moje. A i tak jsem viděl, že ta spojení byla někdy utrpení i pro dobře (z mého pohledu)  vybavené stanice.

4. Ze zaznamenaných dat, což je čas, poloha rotátoru (azimut) a průměrná síla majáku lze snadno najít diferenci (šilhání) anténního paprsku, protože z času snadno vypočtete azimut satelitu. FO-29 nemá až tak nepříjemné úniky signálu a při rychlé práci s rotátorem najdete ostrá minima mezi hlavním a prvním postranním sidelobe. Těch 30 až 40 dB u této metody prostě nepřehlédnete ani náhodou.

5. Já jsem si maximum vyzařování stanovil tam, kde se mi půlí úhel mezi těmi prvními minimy. Podle toho jsem si sesouhlasil stupnici rotátoru tak, aby ukazovala stejně, jako byla vypočtená hodnota požadovaného azimutu. Samozřejmě, že jsem si vždy stáhnul aktuální kepleriánská data satelitu. Na pozici měsíce pro praktický pokus s EME příjmem jsem už najel jen podle stupnice rotátoru (něčemu musíme přece věřit). Automatické ovládání rotátoru nemám. Směrování antén jsem však při zahájení každé minuty příjmu dotáhl v azimutu i elevaci. Od té doby se mi nestalo, že bych nedekódoval kvůli tomu, že mi při poměrně dlouhé době JT65B relace vyjela anténa ze směru.