Amateur-Radiostation für 10 GHz EME und Radioastronomie, Teil 2

2. Die Antenne, ein Drahtgitter-Parabolspiegel

In diesem Teil des Beitrags beschäftigen wir uns mit den Problemen, die bei der Vergrößerung eines Vollspiegels durch einen Drahtgitter-Rand entstehen.

2.1 Der vorhandene Spiegel

Abb. 3 Vorhandener Spiegel mit dem Durchmesser D=1,7 m

Vorhanden war ein Voll-Aluminium-Spiegel mit einem Durchmesser
D = 1,7 m und einem f/D-Verhältnis von 0,5 (siehe Abb. 3). Der Gewinn eines solchen Spiegels ist nach [1] mit G= 43,7 dBi angegeben. Das Sonnenrauschen sollte bei einem Flux von 300 SFU
Y= 12,18 dB betragen. Es wurde ein Wert von Y= 8,2 dB gemessen.

2.2 Der vergrößerte Spiegel

Mit einem Drahtgeflecht (Gitter) wurde der Spiegel auf einen Durchmesser D von D=2,4 m erweitert (Abb 1, vorheriger Beitrag Teil 1: DIE MONTIERUNG). Dadurch änderte sich das f/D-Verhältnis von 0,5 auf 0,34, was einen anderen Feed erfordert, der einen größeren Öffnungswinkel hat. Nach [1] soll der Gewinn G eines solchen Spiegels mit einem Durchmesser D= 2,4 m
G = 46,69 dBi betragen. Es ist nun bei einem Flux von 300 SFU ein Sonnenrauschen von Y= 14,76 dB zu erwarten. Messungen ergaben eine Erhöhung des Sonnenrauschens von nur 0,6 dB gegenüber dem kleineren Vollspiegel (gemessen Y= 8,8 dB). Wir versuchten zunächst, den Rand besser an die Form des Paraboloids anzupassen, dieses brachte nur eine Verbesserung von ca. 0,2 dB. Das Problem musste also woanders liegen. Wir vermuteten, dass das Gittermaterial negative Auswirkungen hatte, und haben dieses Thema näher untersucht.

2.3 Das Reflexionsverhalten von Drahtgittern

In [2] wurde das Reflexionsverhalten von Drahtgittern für Antennen von Satelliten wie TDRSS und Galileo untersucht. Da die Original-Abbildungen sehr klein waren, haben wir die Daten aufbereitet und neu dargestellt. Die Abb. 4 zeigt das Ergebnis des Transmissionsverhaltens eines Drahtgitters mit einer Maschenweite a=7,6 mm und einer Drahtdicke d= 0,2 mm.

Abb. 4 Transmission eines Drahtgitters in Abhängigkeit von der Frequenz f

Daraus berechneten wir das Reflexionsverhalten: wie viel Prozent der einfallenden Leistung werden vom Drahtgitter reflektiert ? (siehe Abb. 5). Bei einer Frequenz von 10 GHz wird von diesem Gitter nur 60% der einfallenden Leistung reflektiert. Das entspricht einem Verlust von 1,5 dB Reflektivität gegenüber einem Vollspiegel.

Abb. 5 Reflexionsverhalten des Drahtgitters nach Abb. 4

Um weitere Aussagen über den von uns verwendeten Maschendraht für die Vergrößerung des Spiegels zu bekommen, haben wir anschließend mit der Software nach [1] einen Vollspiegel und Spiegel simuliert, die vollständig aus einem Drahtgitter bestehen.

2.4 Gewinnvergleich zwischen Vollspiegel und Drahtgitter-Spiegel

Das von uns verwendete Drahtgitter hat eine Maschenweite a= 6 mm und eine Drahtstärke d= 0,6 mm. In Abb. 6 ist der Verlust V an Gewinn G eines homogenen Drahtgitter-Spiegels gegenüber einem Vollspiegel für unterschiedliche Maschenweiten a und einer Drahtstärke d= 0,6 mm dargestellt. Durch das Drahtgitter mit a= 6 mm und d= 0,6 mm ergibt sich bei 10 GHz ein Verlust von ca. 1,6 dB gegenüber einem Vollspiegel.

Abb. 5 Verlust eines Drahtgeflecht-Spiegels gegenüber einem Vollspiegel, a ist Parameter

Abb. 7 bestätigt das und gibt uns weitere Hinweise für andere Drahtstärken und Maschenweiten. In Abb. 7 ist die Drahtstärke d variiert, die Maschenweite a wurde hier zu a= 6 mm festgehalten.

Abb. 6 Verlust eines Drahtgitter-Spiegels gegenüber einem Vollspiegel, d ist Parameter

2.5 Diskussion der Ergebnisse

Sowohl die Veröffentlichung nach [1] als auch unsere Simulationen lassen für Spiegel, die homogen aus einem Drahtgitter-Geflecht bestehen, einen Verlust an Gewinn G von ca. 1,6 – 1,8 dB gegenüber einem Vollspiegel erwarten (f= 10 GHz, d= 0,6 – 0,8 mm, a= 6 – 8 mm). Da unser Spiegel in der Mitte aus Vollmaterial besteht, sollte der Verlust gegenüber einem Vollspiegel mit D= 2,4 m deutlich geringer ausfallen. Der stärkere gemessene Verlust muss noch weitere Gründe haben:

1. Die verwendeten Feeds waren nicht für das jeweilige f/D-Verhältnis optimiert, der Abstrahlwinkel konnte nicht messtechnisch kontrolliert werden. Die Feeds wurden nach bestem Gewissen aus Daten von Veröffentlichungen nachgebaut.

2. Die Messung des Sonnenrauschens Y erlaubt nur die Berechnung des G/T der Anlage. Der Gewinn G des Spiegels lässt sich bei bekannter Systemtemperatur T bestimmen. Diese kann jedoch nur abgeschätzt werden. Mit diesem Thema beschäftigt sich der folgende Beitrag, Teil 3. Der Drahtrand verschlechtert außerdem durch das „Spillover“ den G/T-Wert.

3. [2, Fig. 9, p.1359] zeigt, dass eine gute elektrische Verbindung aller Teile des Spiegels unerlässlich ist. Der Drahtgitter-Rand muss elektrisch gut mit dem Vollspiegel verbunden sein. Das ist bei der dicken Lackschicht des vorhandenen Spiegels schwierig (dieser Punkt wird allerdings nur bei absinkenden Frequenzen unterhalb von 8 GHz immer wichtiger, siehe Veröffentlichung).

4. Die Elektronik im Brennpunkt schattet den Spiegel im Zentrum erheblich ab und verschlechtert dadurch den Gewinn G. Es wird erwartet, dass ein Offset-Spiegel hier deutlich bessere Ergebnisse bietet.

Letztendlich kann nur eine vollständige Simulation solcher Anordnungen mit Programmen wie CST [3] klären, wie weit eine Erweiterung eines Vollspiegels durch Drahtgitter-Umrandungen sinnvoll ist. Die Strahlungsverteilung des Feeds ist komplex und muss bei der Simulation berücksichtigt werden. Wir haben das Thema nicht weiter verfolgt, da die Anlage auf auf einen
2,4 m-Offset-Vollspiegel umgerüstet wird. Wir hoffen jedoch, dass dieser Beitrag beim Bau oder Kauf von Gitterspiegeln über die zu erwartenden frequenzabhängigen Gewinne eine Aufklärung bietet.

Quellen

[1] Nach VK3UM, EME Calculator , siehe: http://www.vk5dj.com/doug.html

[2] Imbrale, W.A. et al.: On the Reflectivity of Complex Mesh Surfaces, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 39, No. 9, September 1991

[3] https://www.cst.com/