Poslední aktualizace 10. května 2020

      
 

   Nastavování malé offsetové parabolické antény
 
Úvod

Pro radioamatérské použití lze používat komponenty, včetně parabolických antén, které byly původně určené pro TV satelitní komunikaci, např DVBS2 v pásmu Ku (tzv. Ku Band 11 - 18 GHz). Předpokládám, že podobně se nám budou hodit prvky určené pro pásmo Ka 20 - 30 GHz).

TV satelity jsou ohromná monstra vážící několik tun (ES'HAIL 2 váží 5300 kg), s transpondéry  vysílajícími  vysokými výkony, až 54 dBm, tj. 250 Wattů do ziskových, směrově stabilizovaných antén, takže EIRP může být 54 dBW.

Radioamatérské signály jsou slaboučké a stanice, které experimentují např. spojením EME, vysílají v GHz pásmech s výkony 40 - 50 dBm do různě ziskových antén a očekávají příjem signálů odražených od povrchu měsíce, který má mizernou odrazivost.

S ohledem na tento podstatný rozdíl považuji za extrémně důležité, abychom svojí použitou anténu pečlivě znali a zejména, abychom přesně věděli, v jakém směru má maximum vyzařování.

A také se můžeme pokusit o realizaci maličké GHz staničky s malou offsetovou anténkou. Ta moje se ještě nevejde do dlaně, měří 350 x 390 mm ...
 

Cíle

Za malou anténu považuji satelitní offset anténu o rozměrech 820 x 740 mm, kterou jsem popsal na této stránce. V tomto článku popisuji nastavení druhé, ještě menší, offsetové antény, která měří jen 390 x 350 mm, tj. v každém směru méně, než 1/2 rozměru větší antény.

Základním cílem je nastavit offsetovou anténu s přesností, která odpovídá její směrovosti.

Postup

1. Najdeme pevný bod ve vesmíru.
2. Na tento bod nasměrujeme anténu.
3. Podle souřadnic našeho pevného bodu ztotožníme použité směrovací zařízení (rotátor) a nadále směrujeme anténu standardním způsobem, tj. do rotátoru odesíláme povely k nastavení azimutu a elevace.

ad. 1 Za pevné body ve vesmíru můžeme považovat geostacionární televizní satelity. Víme, kde jsou, pomocí různých programů si umíme spočítat jejich přesnou polohu ve vesmíru, tedy známe v místě našeho QTH přesnou hodnotu azimutu a elevace.

ad. 2 Anténu nasměrujeme podle nejlepší síly a kvality přijímaného satelitního TV kanálu.

Jednotlivé kroky

Připravíme si offsetové TV satelitní antény, přijímač, kterým budeme měřit sílu signálu a monitor, na kterém budeme vše sledovat.
Obě paraboly na stožárku vypadaly takto, konvertor LNB je osazen na menší anténě. 
 

 
Pracoviště vypadalo takto. Použitý satelitní přijímač je Strong SRT 7006 pro službu DVBS2. Je to velice laciný přístroj, který umí indikovat sílu a jakost přijímaného signálu.
 

 

 

 
Nastavení na referenční bod ve vesmíru 
 
Parabola 820 x 740 mm (větší)
 
Nastavení provedeme na
větší parabole takto:

1. Na stupnici - viz obrázek vpravo, nastavíme předpokládanou elevaci antény (popíšu podrobně), např. pro QTH Praha a satelit Astra 1N, nastavíme 32.5°
2. Otáčením antény kolem osy
svislého stožárku (tedy v azimutu) najdeme maximální sílu i kvalitu signálu.
3. Následně uvolníme aretační šrouby nastavení v elevaci a najdeme opět maximum síly a kvality.
4. Body 2. a 3. několikrát opakujeme, až získáme jistotu, že naše anténa opravdu směřuje na pevný bod ve vesmíru.
5. Souřadnice takového bodu známe. Pro QTH Praha, satelit Astra 1E byly dnes tyto souřadnice: azimut 173.5° a elevace 32.5°

6. Pokud bychom postup dělali s anténou montovanou na standardní rotátor, který jsme si před nastavováním poslali na azimut 173,5° a elevaci 32.5°, máme právě ztotožněný směr vyzařování naší offset paraboly s hodnotami rotátoru.

Poznámky:

1. Satelitní LNB musíme pro HAM provoz nahradit upraveným LNB blokem (popsal jsem dříve, jednalo se o náhradu X-talového oscilátoru GPS-DO signálem).

2. S touto anténou, nastavenou popsaným způsobem, jsem realizoval první příjem EME signálů ze silné stanice v pásmu 10 GHz. Vysílač, bohužel, nemám a zatím jsem odkázán jen na poslech veřejně domluvených spojení, o kterých se dozvím.


3. Předpokládám, že pro malou EME stanici bude použitelná offset anténa o průměru alespoň 60 cm.

 

Lépe je stupnice vidět tady, při fotografování neskutečně svítilo sluníčko.

4. Bohužel, můj projekt postupuje pomalu. Zjistil jsem, že použité rotátory (Create RC5 a elevační Yaesu G-550, dříve používané pro hm sat provoz) nejsou pro přesné směrování dostatečně přesné. Elevační rotátor nemá ani dostatečně jemnou stupnici. V mechanismech jsou značné vůle. Konkrétně, moje staré rotátory jsou z více důvodů naprosto nepoužitelné.

5. Výborným rotátorem se ukázala být tzv. montáž hvězdářského dalekohledu typu GoTo Sync Scan. Řešení je popsáno v jiném článku. Typ montáže, který mám k dispozici, však nemá takovou nosnost, aby spolehlivě pracoval s touto větší parabolou. Experiment mě však lákal, takže jsem anténu vyvážil protizávažím a směrování vyzkoušel. 

Parabola 390 x 350 mm (menší)

Tuto parabolu jsem koupil z více důvodů:

1. Chci si ověřit, do jaké míry je horší, než větší parabola (s více než 4x větší odraznou plochou).
2. Chci si ověřit, zda s parabolou této velikosti budu slyšet silné EME stanice v pásmu 10 GHz. Tento úkol jsem dosud neprovedl.
3. Finálně jsem ji schopen využít na příjem ham satelitu QO-100 (funguje výborně).
4. Parabola se snadno montuje na astronomickou montáž AZ GTi Mount, která parabolu nádherně směruje na maličkém stativu. Stejně dobrý by byl i další typ tzv. GoTo montáže, který je u nás dostupný.

Pro použití této malé paraboly musíme vyřešit absenci stupnice pro nastavování elevace. Anténa nic takového nemá, hi. Proto je postup, jak směrovat na pevný bod ve vesmíru odlišný:

1. Zaměříme si přesně nějakou světovou stranu. Já si s oblibou zaměřuji východ, tj. azimut přesně 90° nebo nějakou hodnotu poblíž. Běžně k tomuto účelu používám viditelný vycházející měsíc. Směr si označíme svislou latí a pomocí nivelačního přístroje určíme azimut naší družice a do tohoto směru dáme druhou svislou lať.
2. Na lať co nejpřesněji vizuálně nasměrujeme naší malou parabolickou anténu v azimutu.
3. Opatrně pohybujeme anténou v elevaci a snažíme se najít signál silné družice, např. Astra 1N, jako v předešlém případě.  Pokud signál zachytíme, máme vyhráno. Pečlivě najdeme maximum signálů opakováním kroků č. 2. a č. 3.
4. Abychom to takhle pracně nemuseli dělat pořád, změříme elevační úhel pro správné nastavení antény (tedy ten, který v tomto příkladu odpovídá hodnotě 32.5°). Měření provedeme digitálním sklonoměrem (stojí asi 200 Kč). Mé anténě odpovídá elevaci 32.5° zobrazená hodnota sklonu 79.25° - viz obrázek:
 

 

 

 

Poznámky:

1. Pokud nemáme ani nivelační přístroj a ani velký úhloměr, můžeme azimut satelitu stanovit vizuálně, a to podle polohy měsíce nebo slunce v době, kdy prochází stejným azimutem jako satelit. Příklady pro dva satelity (Astra 1 a ES'HAIL 2) jsou uvedeny dole u popisu programu Nova for Windows. Na průchod si však musíme počkat (sluníčko prochází požadovaným azimutem po poledni, pro ES'HAIL 2 dne 9. 5.2020 to bylo  v 10:25 UTC).
2. I když vizuálně, podle polohy slunce, nenastavíme anténu úplně přesně, bylo v mém případě nastavení natolik postačující, že jsem na RX Strong SRT 7006 zachytil signál na S metrech, když jsem pohyboval elevačním úhlem. Takto přesné prvotní směrování nám stačí, azimutem a výškou (elevací) jsme schopni najít maximum vyzařování. Výšku nad obzorem (elevaci) jsem si změřil digitálním sklonoměrem a poznačil. Při každém dalším nastavování si elevaci referenčního bodu nastavím předem.
3. U malé antény si všimněte ručního točítka u paty držáku paraboly. Je vidět na obrázku se sklonoměrem. Toto točítko je aretace kulového kloubu antény. Kulový kloub je další neštěstí. Pro první experiment, kdy chceme zjistit, zda offsetovou parabolu jsme schopni nastavit, jsem ho použil. Pro použití s geostacionární družicí ES'HAIL 2 jsem kulový kloub ponechal. Držák paraboly lze též přišroubovat k delší liště Vixen, kterou používáme u GoTo montáží určených pro astronomické dalekohledy.
 
Při každém dalším budoucím nastavování antény budeme již postupovat jednoduše:

1. Dáme na stejné místo antény sklonoměr (Digital Protractor) a nastavíme požadovanou elevaci. Tj. pro družici Astra 1N hodnotu 79.2° (odpovídá elevaci 32.5°, pro satelit ES'HAIL 2 o 0.9° více (skloníme anténu°o tuto hodnotu dolů), tj. protractor ukazuje cca 80°. Takto nastavenou elevaci již neměníme.
2. Najdeme maximum signálu natáčením azimutu.
3. Pro takto nalezený bod si ztotožníme náš rotátor nebo astronomickou montáž. Pokud pracujeme s geostacionárním satelitem, můžeme zahájit provoz.

Poznámka:

1. Při použití astronomické montáže AZGTI po nasměrování paraboly na signál satelitu, po přesměrování na aktuální souřadnice měsíce, po volbě lunární rychlosti a potvrzení sledování, stojí Měsíc  v paprsku jak přibitý.
2. Rozdíl, který mi přijímač SRT 7006 (se stejným LNB) indikoval v síle signálů u obou offsetových antén mě rovněž překvapil. Zde nejlepší naměřené hodnoty z jednoho testu, měření prováděna v krátkém čase po sobě: 
 

Anténa 820 x 740: Síla: 60%, Kvalita 50%
Anténa 390 x 350: Síla 58%, Kvalita 67%
  

Využité dovednosti
 
Nastavení azimutu bez nivelačního přístroje

Přesné nastavení azimutu např. zaměřením slunce, není až tak jednoduché. Zkusil jsem tento úkon pomocí školního úhloměru, stolečku a latě. Vybral jsem si den, kdy slunce svítilo opravdu intenzivně. Využil jsem okamžiku (výpočet programem Nova), kdy slunce má azimut 90° (je tedy na východě). Úhloměr jsem měl na vodorovném stolečku. 

1. Použil jsem svislou lať (na fotografii je svislá AL trubka). Stín procházÍ body 90°(East) a středem úhloměru. Polohu úhloměru jsem si poznačil fixkou.

2. Směr (pro Astra 1N = 173°) požadovaného azimutu si označíme. Je dobré prodloužit si tento směr delší vodorovnou latí. Já jsem si směr prodloužil až na plot pozemku a tam jsem ho označil latí.

Stanovení azimutu touto metodou není moc přesné. Hodí se pro decimetrové vlny. Ale s určitou zkušeností a hlavně s pečlivostí  jsem docílil toho, že signál satelitu Astra 1N jsem při změně elevace nalezl a potom již bylo dosměrování podle výše uvedeného postupu.

Pokud máte čas, raději si počkejte, když slunce nebo měsíc prochází stejným azimutem, jako geostacionární družice. Uděláte menší chybu v nastavení azimutu. Respektive jste schopni při takto stanoveném azimutu najít stopy po signálu, pokud nemáte stupnici pro elevaci. Nepotřebujete ani úhloměr, ani teodolit, či nivelační přístroj, vystačíte pouze s programem Nova for Windows (nebo podobným, existuje více programů).

Existují na Internetu programy, které umožňují z mapy vyhledat vaše QTH. V dalším políčku zadáváte pozici satelitu na oběžné dráze. Program zařídí vše ostatní a jeho výstupem je čára na mapě, která prochází blízkými orientačními body (rohy domů). Bohužel, metoda mi přesně nefungovala.

 

Pokračování textu vpravo >>>
 

>>> Uvažujte se mnou. Blízký orientační bod (roh domu) je od vás vzdálen 20 metrů. Přesně však neznáte střed vašeho svislého stožárku s anténou. Seknete se v jeho určení o dva metry. To se vám i na podrobnější satelitní mapě budov snadno zadaří. Úhlově to však dělá, vypočteno z tangens alfa = 2/20 = 0.1, tedy alfa = 6°. Při takové chybě je anténa mimo vyzařovací paprsek. Možná by se metoda, ve které použijeme on-line satelitní mapu, dala použít na střeše paneláku. Poměrně přesně bychom byli schopni odměřit polohu osy stožárku od obvodové zdi domu a ze střechy bychom pravděpodobně viděli zjevný orientační bod vzdálený alespoň 1 km. Pokud bychom se dopustili chyby v určení polohy QTH o 2 m a km vzdálené hrany taky o 2 metry, celkem o 4m, úhlově by to dělalo tangens alfa = 4/1000 = 0.004, tedy alfa = cca 0.25° a to je dost dobré.

Zjištění polohy satelitů - práce s programem Nova for Windows

Program Nova for Windows je stařičký, ale výborný.

Pokud provádíme uvedené činnosti nastavování antén z důvodů sebevzdělávání, potom program doporučuji. V každém případě stojí za mimořádnou pozornost.

Program lze stáhnout z různých zdrojů na Internetu. Možnost stažení je také zde.

Výhody programu spočívají v tom, že lze aktualizovat kepleriánská data nebeských objektů z dobrých serverů (celestrack.com).

Program byl dříve placený, ale byla vždy k dispozici demoverze, která se pro tyto účely nehodí. Autoři však uvolnili registrační klíč.

1. Instalaci provedeme spuštěním souboru setup.exe
2. Při instalaci zadáme klíč NLD-8554457, který je uveden také v souboru serial.txt
3. Po instalaci spustíme program Patch.exe
4. U zástupce, v položce vlastnosti - Kompatibilita, nastavíme
Windows XP (Service Pack 3).
Toto je pro Windows 10 důležité!

5. Program prvně spustíme, vyzkoušíme si základní práci a můžeme se pustit do základního nastavení.

 

Nova for Windows - základní nastavení
 
Při prvním spuštění programu nastavíme alespoň tyto věci:

1. V části Satellites vybereme Celestial objects a přesunemo do pravého okénka Moon a Sun (Měsíc a Sluníčko), původní objekty odstraníme.
2. V části Observers vybereme Prague  a původní odstraníme (až se s programem trochu naučíme, přidáme si svoje QTH).
3. V části Display vybereme Radar map.

V dalších krocích provedeme tyto věci - jdeme do záložky Keplerian Elements (obrázek dole), zvolíme HTTP, jdeme do složky Remote Files, vybereme všechny satelity, provedeme downloads ze serverů a aktualizujeme. Je to důležité. Platí, že ani geostacionární satelit není pevným bodem vesmíru. Jde o objekt, který se pohybuje po tzv. geostacionární dráze (rychlostí přes 3 km za sekundu) a ze Země se nám jeví jako kdyby byl na pořád stejném místě. Tzv. Keplerianská data je však třeba před jakýmkoliv nastavováním aktualizovat, abychom nepracovali s chybným azimutem a elevací.
 

 
Další práce s programem je už jednoduchá. Viz konkrétní příklady níže.

4. Vytvoření vlastní skupiny satelitů.

Pro snadnější a rychlejší vyhledávání mezi 14532 satelity doporučuji vytvořit si svou skupinu satelitů (zde ok1ufc) a přidat si tam jen ty, se kterými děláme, např. Astra 1N, přidal jsem si ES'HAIL 2 (amatérská QO-100).

 

 

 

5. Výpočet azimutu z dráhy známého tělesa

Na obrázku vpravo je vidět výpočet směru Východ (East, 90°). Slunce bylo přesně na východě dne 8. května 2020 v 5:58 UTC.

6. Výpočet polohy, ve které má slunce stejný azimut jako geostacionární družice

Tuhle metodu použijeme, když neznáme
přesné směry světových stran (nikoliv zjištěné podle kompasu, hi), nemáme nivelační přístroj s přesnou azimutovou stupnicí a nemáme ani školní úhloměr (na malování po tabuli). V takovém případě potřebujeme PC, program Nova for Win a čas v době, kdy nám prochází viditelná hvězda, sluníčko, měsíc požadovaným azimutem.

Zde jsou dva příklady (pod sebou). První pro satelit Astra 1N a druhý pro ES'HAIL 2 (QO-100).

Poznámka:

1. Pokud nastavujeme malou parabolu jen pro práci na HAM satelitu QO-100, provedeme takto:

a) Pustíme do konvertoru oscilátorovou injekci pro TV satelity a provedeme směrování na TV programy pomocí SAT TV RX. Tedy najdeme maximální sílu a kvalitu TV signálu podle postupů výše uvedených.

b) Pustíme do LNB konvertoru injekci pro pásma QO-100 a přijímáme provoz satelitu na pásmech, která odpovídají kmitočtové konverzi.

   
   
   
Kontrola výpočtu azimut/elevace pomocí hezké on-line aplikace na https://www.parabola.cz/abc/azimut-elevace/
 

 
 
Poznámky:

1. Oba výsledky výpočtu (podle parabola.cz a Nova for Win) se mohou lišit. Neznám algoritmus výpočtu na parabola.cz a ani způsob, jakým a jak často se aktualizují Kepleriánská data satelitů.

2. Některé konstrukční prvky malé parabolické antény byly upraveny. Na fotografiích dole je zobrazení finálního provedení pro satelit QO-100 (ES'HAIL 2).

3. Použitý LNB blok je osazen jiným krystalem (jen pro ES'HAIL 2/QO-100), úprava byla popsána jinde. Řešení neoplývá potřebnou stabilitou. Proto jsem další LNB upravil na  přivádění injekce oscilátorového signálu z GPS-DO generátoru.

4. S anténou dodaný držák na stožár byl upraven zkrácením trubky (jekl) ráhna. Byly převrtány díry a trubka uříznuta. Vysazení antény od stožáru je kratší, původní kloub byl ponechán.

5. Satelit ES'HAIL 2 (QO-100) je geostacionární. Nepotřebujeme žádný rotátor. Info o satelitu (jeho převaděčích) jsou např. tady.

6. V článku jsem se věnoval pouze nastavení azimutu a elevace offsetové antény. Ještě dva parametry jsou důležité - stočení polarizační roviny (skew) a usazení LNB do ohniska.

Stočení polarizační roviny pro geostacionární satelit nastavíme na nejvyšší sílu signálu.

Vyzkoušíme též nastavení polohy ohniska. U mnoha parabol není toto nastavení kritické.
Pro malou parabolu bylo předepsáno 30 mm od čela LNB. Regulace kolem této hodnoty nepřinesla žádný výsledek.

   
Shrnutí

Článek byl o jednoduchých metodách nastavování malých offsetových parabolických antén:

1. Určení referenčního bodu ve vesmíru, od kterého odměříme azimut a elevaci. Jako referenční bod byl použit geostacionární TV satelit v Ku pásmu.

2. Nalezení směru vyzařování offsetové antény, která nemá elevační stupnici. K měření byl použit digitální sklonoměr (protractor).

3. Nalezení a nastavení azimutu antény. Byl použit program Nova for Windows. Byla doporučena metoda přesného zjištění času, ve kterém každý den sluníčko prochází stejným azimutem jako geostacionární satelit.

4. Kontrola použitých konvertorů LNB. Pro výběr LNB a pro jejich kontrolu po úpravě byl použit satelitní RX SRT 7006. Pro příjem amatérských stanic v Ku pásmu lze použít upravený LNB konvertor. Je dobré upravit ten nejlepší a provést jeho kontrolu po úpravě. Úprava spočívá v demontáži krystalu a přivedení injekce z GPS-DO generátoru. Pro příjem signálů z  QO-100 lze provést úpravu spočívající ve výměně krystalu.


 

 

   

 

   TU 73, Mira, ok1ufc