Antena Yagi-Uda, czyli wstęp do radioastronomii.

Chwile się zastanawiałem na tytułem, bo projekt który chcę wam zaprezentować, powinien zainteresować osoby chcące zacząć przygodę z radioastronomią (nie jest to stwierdzenie na wyrost!) jak również tych, którzy potrzebują dobrej anteny kierunkowej, lub chcieliby podsłuchać na który tor ma wjechać skład towarowy, czy kto dostał zgodę na lądowanie. No ale po kolei.

Słowem wstępu…

Na samym początku musimy się zastanowić na jaką częstotliwość chcemy zbudować antenę. Dla radiołączności pociągowej to okolice 150 i 154MHz, dla Wieży na lotnisku Kraków-Balice 123.250MHz, dla innych służb różne częstotliwości w zależności od lokalizacji. Nas interesować będzie jednak częstotliwość 143.050MHz, na której pracuje radar Graves znajdujący się niedaleko Dijon we Francji. Został on zbudowany w celu obserwacji i nadzoru sztucznych satelit przelatujących nad Francją. My jednak wykorzystamy efekt uboczny jego działalności, czyli echa radarowe spalających się w ziemskiej atmosferze meteorów. Pochmurne niebo czy pełnia księżyca nie będą już przeszkodą w obserwacji rojów meteorów co roku nawiedzających Ziemię.

Potrzebujemy więc anteny i to najlepiej kierunkowej, gdyż wiemy dokładnie gdzie spodziewać się sygnału. Będzie to oczywiście nasza Yagi-Uda ze względu na niezwykle popularną, prostą i bardzo dobrze opisaną konstrukcję. Aby mieć szansę na odebranie sygnału powinniśmy zapewnić antenie dobry widok na zachodni horyzont, sam mam z tym problem, więc podstawowym założeniem przy konstruowaniu anteny było zapewnienie jej mobilności- możliwość szybkiego rozkładania i składania podczas wypadów gdzieś na górkę. Połączenia elementów zaprojektowałem wiec sam w technologi druku 3d, gdyż standardowe rozwiązania mnie nie zadowalały.

Zaczynamy projektowanie

W sieci znajdziemy bardzo wiele kalkulatorów do wykonania obliczeń długości i rozstawu elementów anten, ja jednak polecam ściągnąć program Yagi Calculator ze strony http://www.vk5dj.com/yagi.html

Rys. 1 Okno wprowadzania danych

W głównym oknie (powyżej) mamy kilka parametrów do zdefiniowania:

Frequency in MHz – częstotliwość jaką chcemy odbierać za pomocą anteny

Diameter of dipole bend mm – średnica wewnętrzna na jaką będziemy zaginać nasz dipol

Dipole gap at feed point mm – odległość pomiędzy końcami dipola

Następnie podajemy jaki kabel chcemy użyć. Osobiście polecam zakupić RG-58 50Ohm z oplotem miedzianym, jest on niewiele droższy od najpopularniejszego kabla antenowego RG-6 75Ohm (popularny kabel antenowy), jego główną zaletą jest łatwość lutowania oplotu, gorąca żyła w formie linki miedzianej zamiast drutu – też ułatwia lutowanie, a cały kabel jest bardziej elastyczny i łatwiej się układa. Najważniejsze jest tak naprawdę, abyśmy odnaleźli posiadany przez nas kabel w tabelce programu, jeśli nie planujemy przeciągać go przez dwa osiedla, to reszta parametrów nie wpłynie odczuwalnie na odbiór.

Number of directors – ilość elementów pasywnych występujących przez dipolem, im więcej, tym antena będzie miała większy zysk, ale też zwiększa się jej kierunkowość, czyli będziemy musieli ją dokładnie nakierować na źródło sygnału. Nie bez znaczenia jest też tutaj zwiększająca się długość anteny.

Cross-section of boom mm – wielkość oraz kształt podłożnicy (boom) na której wspierać się będą elementy anteny

Construction of directors/reflector – podajemy typ kształtownika z jakiego mamy zamiar wykonać konstrukcje direktorów i reflektora (element pasywny za dipolem) oraz czy będą one odizolowane od podłużnicy

Construction of Dipole – podajemy typ kształtownika z jakiego mamy zamiar wykonać dipol

Po kliknięciu Calculate otrzymujemy następujące dane

Rys. 2. Wynik kalkulacji

Jak widać po wyniku, nasza antena będzie miała około 11dBi zysku – całkiem ładnie. Wszystkie powyższe wartości przedstawiłem na rysunku poniżej:

Rys. 3. Wynik z Yagi Calculator przedstawiony w bardziej przystępnej formie

Mamy już wiedzę jakie długości różnych kształtowników potrzebujemy, więc zróbmy zestawienie materiałów:

• rurka aluminiowa fi8 – 5m
• rurka aluminiowa fi10 – 2,5m
• profil aluminiowy 18x18x1mm – 1m
• profil aluminiowy 20x20x1mm – 1,2m
• elementy połączeniowe drukowane
• śrubki M3 do połączenia elementów
• kabel antenowy

Aluminium polecam kupić na jakimś składzie budowlanym, gdyż tam zapłacimy grosze- ja za wszystkie rurki i profile wymienione wyżej zapłaciłem w okolicach 20zł, w popularnym markecie budowlanym za tę kwotę kupicie może 2,5m jakiegoś profilu. Należy zwrócić uwagę, by było to czyste aluminium, nie oksydowane czy zabezpieczane w inny sposób, gdyż prądy płynące w antenie mają charakter naskórkowy, wiec tego typu ochrona aluminium będzie stanowić dla nich spore utrudnienie. Ze względu na mobilność anteny, zdecydowałem się na boom łączony z dwóch profili, poprzez wkładanie jednego w drugi. Zaprojektowałem połączenia w celu wydrukowania ich na drukarce 3d, oczywiście dalej priorytetem była łatwość montażu, ale musiałem też pamiętać o ograniczeniach drukarek 3d, by za daleko nie posunąć się w projektach. Tak powstała poniższa wizualizacja anteny:

Rys. 4. Wizualizacja anteny

 Rozpoczęcie budowy, czyli gniemy dipola

Czas w końcu coś zrobić fizycznie, a nie wirtualnie. Zaczniemy od wykonania dipola pętlowego. Podstawowym problemem który spędzał mi sen z powiek, była kwestia jego prawidłowego wygięcia – nie posiadam giętarki do rur, ani nie znam nikogo kto by taką posiadał. Trzeba było więc zbudować jakąś prowizorkę. Kawałek stalowej rurki fi50, parę śrub, wkrętów, płaskownik, kawałek blachy po remoncie dachu, deska sam nie wiem po czym no i powstała – moja giętarka ręczna:

Rys. 5. Domowej roboty giętarka

Aby mieć pewność, że podczas wyginania rurka się nie złamie, wypełniłem ją piaskiem i podgrzewałem palnikiem. Piasek w środku miał dodatkową zaletę – dobrze trzymał ciepło co ułatwiało ogrzanie wyginanego elementu.

Rys. 6. Zaczynamy gięcie

Warto zastosować dłuższą deskę w giętarce, umożliwi to nam wygodne przymocowanie dipola przy gięciu drugiego ramienia

Rys. 7. Sposób przytwierdzenia dipola do giętarki

Teraz wystarczy odciąć końce dipola pozostawiając przerwę 15mm oraz dociąć direktory oraz reflektor na odpowiednią długość

Rys. 8. Gotowy dipol pętlowy

 Boom!

Pora na boom. Aby udało nam się wsunąć profil 18x18x1 w profil 20x20x1 musimy potraktować ten pierwszy papierem ściernym, nasze spasowanie będzie naprawdę dokładne i bez luzów. Polecam też użyć minimalną ilość smaru na połączeniu, przeprowadziłem test kilkukrotnie wsadzając i wyciągając profil  18x18x1, bez smaru robią się zadziory które w pewnym momencie doprowadziły do zablokowania profili i zmusimy mnie do ich skrócenia (odcięcia zablokowanej części) – z odrobiną smaru nie ma tego problemu. 

Rys. 9. Dopasowanie elementów boomu (podłużnicy)

Warto wkręcić na stałe śrubkę która będzie blokować wsadzanie mniejszego profilu, zaoszczędzi nam to czas na zgranie otworów podczas składania anteny. Złożone profile przewiercamy i łączmy za pomocą śrubki zakończonej nakrętką motylkową. Teraz możemy już dokładnie wymierzyć miejsca które należy przewiercić w celu montażu elementów anteny. Przed przymocowaniem elementów drukowanych trzymających direktory i reflektor  należy wsunąć od spodu śrubkę z łbem sześciokątnym, dzięki czemu po zamocowaniu elementu pasywnego będziemy go mogli docisnąć motylkiem.

Rys. 10. Trzymanie reflektora/direktora

Wykonanie baluna i podłączenie do dipola

 Oczywiście największa zabawa jest przy montażu dipola. Musimy wykonać dopasowanie impedancji, ze względu na fakt, że dipol pętlowy ma około 300Ohm a nasz kabel 50Ohm (chyba, że zastosowaliście inny). Z pomocą przychodzi nasz program do obliczeń, po kliknięciu na Balun pojawia się nam następująca informacja

 Rys. 11. Obliczenie baluna

Musimy więc uciąć 692mm naszego kabla i połączyć go jak na schemacie powyżej. W celu ułatwienia sobie pracy dodrukowałem sobie specjalny zacisk trzymający kable  w odpowiednim porządku (identyczny rozstaw jak w docelowej obudowie)

Rys. 12. Gotowe przyłącze do dipola

Na końcach przylutowałem konektorki, ze względu na powstawanie białego osadu w przypadku mechanicznego połączenia Aluminium-Miedź. W końcach ramion dipola wiercimy dziury i montujemy nasz układ

 Rys. 13. Wykonane połącznie

Po założeniu górnej osłony nasz dipol z balunem są gotowe do montażu na antenie. Zacisk pomagający przy wykonaniu baluna zostawiłem na kablach, pomaga on usztywnić cały układ.

Rys. 14. Dipol gotowy do odbioru sygnału radiowego

Montaż anteny na statywie

W terenie montuję antenę na statywie studyjnym, co jest fajnym rozwiązaniem ze względu na możliwość jego rozłożenia na ponad 3m w górę, ale przy wietrznej pogodzie potrafi się nieźle chwiać, wiec muszę dociążać jego nogi i ograniczać wysokość wysięgu. W celu łatwego przymocowania anteny do statywu zaprojektowałem i wydrukowałem połączenie, nie miałem pewności czy wytrzyma, ale dzięki małej wadze samej anteny  (poniżej 1kg) wszytko się trzyma i nie pęka. Dodatkowo połączenie zapewnia, że antena cały czas “patrzy” w niebo.

Rys. 15. Sposób przytwierdzenia anteny do statywu

Gotowa antena

Teraz parę fotek jak prezentuje się złożona antena oraz jak kompaktowa potrafi być po złożeniu

Rys. 16. Złożona antena

Rys. 17. Dipol na antenie

Rys. 18. Antena – trochę krzywo, jak to na balkonie

Rys. 19. Złożona antena

SDR

Antena już skręcona, więc trzeba się zastanowić w jaki sposób odbierzemy sygnały. Sprzęt dedykowany do nasłuchu na rożnych pasmach radiowych kosztuje paręset złotych, a nikt na początku nie chce inwestować dużych środków w nowe hobby. Na szczęście, ktoś kiedyś zauważył, że chipy RTL2832U montowane w tanich donglach do odbioru telewizji DVBT można zmusić do odbioru częstotliwości z przedziału 24 – 1766 MHz. Można je nabyć już za 40 złotych i po wgraniu odpowiednich sterowników odbierać coś więcej niż tylko telewizję. Ja osobiście polecam dongle ze strony: http://www.rtl-sdr.com/buy-rtl-sdr-dvb-t-dongles/ , jest to już konstrukcja nastawiona na nasłuch radiowy, niedroga, sam takiego używam, choć na początku miałem dwa dongle DVBT kupione na allegro i meteory również były widoczne. Należy zwrócić uwagę, jakiego typu gniazdo ma taki tuner i na końcu kabla od anteny zamontować odpowiednią wtyczkę (w każdym posiadanym przeze mnie urządzeniu był inny wtyk). W antenie tu opisywanej zastosowany jest wtyk SMA na kabel RG58, w poprzedniej miałem standardowy wtyk typu F

Rys. 20. Złącze SMA

Pozwolicie, że nie opiszę konfiguracji SDR (radio programowalne – bo tak to powinniśmy nazywać) tylko odeśle was do linku: http://www.wykop.pl/ramka/1341289/rtlsdr-czyli-odbieraj-niemal-wszystko-z-tunera-dvb-t/ gdzie wszystko zostało świetnie opisane. Dodam tylko, że z programów sam używam SDR# , który wg mnie jest dużo prostszy w obsłudze i bardziej intuicyjny niż drugi popularny program tj. HDSDR i jego (SDR#) polecam zainstalować na początek.

Meteory – w końcu!

Mamy złożona antenę podpiętą do naszego SDRa i co dalej, jak usłyszeć spadające meteory? Jak już wspomniałem gdzieś wyżej,  nasza antena powinna “widzieć” zachodnia horyzont, to stamtąd  będziemy odbierać echo sygnału radaru Graves, odbitego od zjonizowanego powietrza na drodze przelotu meteoru. Ustawiamy wiec w programie SDR# modulacje jednowstęgowa LSB, częstotliwość na 143.0506MHz (troszkę obok częstotliwości radaru)  oraz Bandwitch na około 1200. Teraz trochę cierpliwości i powinniśmy zobaczyć i usłyszeć coś takiego:

Rys. 21. Meteor :)

Głośno i wyraźnie – złapaliśmy meteor. Prawdziwa zabawa jest jednak podczas rojów meteorów, poniżej filmik który prezentuje co udało mi się zaobserwować podczas roju Geminidów w połowie grudnia, ze względu na pełnię księżyca i zachmurzenie nie było szans na ich obserwację gołym (uzbrojonym również) okiem, z pomocą przyszła Yagi z SDR.

Elementy drukowane potrzebne do budowy anteny załączam poniżej, możecie je również ściągnąć stąd: http://www.thingiverse.com/thing:2044009

Na samym końcu chciałbym wspomnieć, że każdą antenę należy uziemiać jeśli mamy zamiar korzystać z niej stacjonarnie jak i nie należy korzystać z anteny podczas burzy. Mam nadzieję, że to oczywista oczywistość, ale wolałem napisać.

Pliki załączone do artykułu:

• wydruk.7z