Amateurfunk :: Sat-Empfang auf dem 23-cm-Band:

Patchantennen berechnen und bauen - ein Erfahrungsbericht

Wie baut und berechnet man eine Patchantenne zum Satellitenempfang? Eine geeignetes Berechnungsprogramm gehört ebenso dazu wie das richtige Werkzeug. Der mechanische Aufbau des auch als Flächenantenne bezeichneten Gebildes führt schließlich zum Empfangserfolg.

Im Internet kann man einige Jungs bestaunen, die mit nur einer 40-cm-Schüssel und Fotostativ den AO40 empfangen können (inzwischen leider nicht mehr QRV). Was fehlt ist eine Patchantenne. Es war klar, die wird selbst gebaut!

Eine Patchantenne, auch Flächenantenne oder Patcherreger genannt, besteht aus nichts weiter als einem Blech, das als Reflektor dient, dem in geringem Abstand ein weiteres Blech aufgeklebt ist. Letzteres bildet die eigentliche Antenne. Dieses, auf einen halben Millimeter exakt hergestellte Blech dient zum Empfang und ist mit der Seele des Koaxialkabels verbunden, während der Reflektor Verbindung mit dem Abschirmgeflecht des Koaxialkabels hat. Damit das Antennengebilde praktisch zu Handhaben ist, wird das Koaxialkabel nicht direkt angeschlossen. Statt dessen montiert man am Reflektor einen N-Einbaustecker (wenn man einen Downkonverter anschließen möchte) oder eine Einbaubuchse.

Im Internet wird an verschiedenen Stellen eine erprobte Version der Patchantenne als "Wurstdosenantenne" beschrieben, deren ursprüngliche Herkunft scheinbar in Japan zu suchen ist und über die USA nach DL gekommen ist. Man findet genaue Maße und eine kleine Bauskizze

Als Basis dient eine Wurstdose, deren Boden und einige Zentimeter des Zylinders Verwendung finden. Da die Wurstdose aus Weißblech schnell rostet, kam es für mich als Material nicht in Frage. Auch wurde berichtet, dass die Wurstdose mechanisch zu labil sei.

Da es auch komplett runde Patchantenne gibt, gab ich diesen -- sie sehen schöner aus -- den Vorzug. Zudem hatte ich vor, mehrere Patchantenne zu bauen, schließlich gibt es noch andere Frequenzen als das 23-cm-Band. Konkret schwebten mir zwei Patchantennen vor: Die kleine für 1.2 GHz zum Empfang der Satelliten auf dem 23-cm-Band und dann eine für 1,7 GHz für den Meteosat.

Dringend gesucht: das Berechnungsprogramm

Ein Programm zum Berechnen der Patchantennen musste her! Das Internet ist groß und sicher wird man dort etwas finden. Recht schnell stieß ich auf das in mehreren Dokumenten gelobte Multistrip von der Uni Kiel. Leider versagte das Programm auf meinem PC hartnäckig den Dienst. Nach längerer Suche stieß ich schließlich auf PCAAD21.EXE, ein DOS-Programm, das nicht nur Flächenantennen, sondern auch Drahtantennen, Yagis, gestockte Antennen und Hornantennen berechnet. Es läuft im Dos-Fenster von Windows 98 ganz gut (und heute unter Windows 7 in der DOSBox)

Um das Programm zu testen, gab ich die Daten der "Wurstdosenantenne" ein und war ganz gespannt auf das Resultat. Sollte es korrekt rechnen? PCAAD berechnet eine Resonanzfrequenz von etwa 2,2 GHz, lag also etwa 200 MHz "daneben". Bild 8 zeigt die getätigten Eingaben. Berücksichtigt man die beiden abgeschnittenen Ecken, die, so vermute ich, eine größere Bandbreite bewirken sollen, so berechnet PCAAD - siehe unten -- eine korrekte Resonanzfrequenz von 2,4 GHz. Violá! Das Programm liefert plausible Resultate und den Berechnungen steht nichts im Wege.

Die "Wurstdosenantenne" beschreibt einen Abstand zwischen den Blechen aus Kupfer oder Messing von 3 mm. Da mir kein Abstandshalter von 3 mm zur Verfügung stand, wollte ich auf M3-Muttern aus Kunststoff aus der Schraubenkiste zurückgreifen. Die Muttern ermöglichen einen Abstand von lediglich 2,6 mm, also 0,26 cm. Die Kantenlänge des Patcherregers gibt man bei PCAAD manuell vor, das Programm ermittelt dazu die Resonanzfrequenz und die Bandbreite bis zu einem SWR von 2. Liegt sie über oder unter dem gewünschten Wert, korrigiert man die Eingaben (Kantenlänge bzw. Radius) so lange, bis es passt.

PCAAD berechnet keine Patchantenne in der Art, wie sie hier vorgestellt wurde, sondern eine Microstrip-Antenne auf der Basis von doppelseitig beschichtetem Platinenmaterial. Die eine Seite dient dabei als Erreger, die andere Kupferseite der Platine als Reflektor. Wichtige Parameter sind daher die geometrischen Maße der Antenne (also Kantenlänge bei quadratischem Erreger bzw. Radius bei rundem) sowie die Dicke des Platinenmaterials. Ersetzen wir das Platinenmaterial durch (trockene) Luft mit der Dielektrizitätskonstante 1,00059, können wir unsere luftige Patchantenne berechnen. Den Wert 1,00059 entnahm ich der Formelsammlung zum Klasse-1-Fragenkatakog der Bundesnetzagentur (früher RegTP). Interessant ist, dass die Dicke des Kupfer- oder Messingbleches nicht in die Berechnung eingeht. Die Beschreibung der "Wurstdosenantenne" forderte eine Dicke von 0,3 bis 0,5 mm für den Erreger. Mir stand jedoch 0,9 mm dickes Kupferblech vom Dachdecker zur Verfügung. Wie sich zeigt, ist das kein Problem.

Daten der berechneten Patchantennen (Anstand immer 0,26 cm)

Frequenz Kantenlänge Erreger Einspeisung Kantenlänge Reflektor
2,401 GHz 5,6 cm 1,5 cm 10 cm
1,707 GHz 7,95 cm 1,5 cm 12 cm
1,472 GHz 9,3 cm 3 cm 14 cm

Schneiden, Feilen und Löten

Für die ersten Exemplare habe ich mich mangels Zirkel nun doch für die eckige, besser gesagt quadratische Variante der Patchantenne entschieden. Damit ist der Aufbau mit nur wenig Werkzeug (Blechschere, einige Bohrer, Bohrmaschine und Feile) möglich. Auf das Kupferblech von 0,9 mm Dicke wird die Größe des Erregers und des Reflektors aufgezeichnet. Die Maße des Reflektors sind nicht kritisch, ich habe mich an die Maße der "Wurstdosenantenne" orientiert (Kantenlänge 10 cm für 2,4 GHz, entsprechend mehr für die niedrigen Frequenzen). Mit der Blechschere schneidet man das Material etwa 1 mm zu groß zu und feilt es möglichst exakt auf Maß zu.

Am Speisepunkt bohrt man in das Blech des Erregers ein kleines Loch, damit es sich später passgenau auf den Stift der N-Einbaubuchse schieben und verlöten lässt. Der Speisepunkt definiert sich wie folgt: An der oberen Kante des Erregers markiert man sich auf exakt der halben Strecke den Punkt mit einem Filzstift. Von dort aus geht man nun genau nach "Süden" um die Entfernung, die man zuvor in PCAAD als Parameter "probe distance at rad. edge" angegeben hat, bei dem 2,4-GHz-Patch also um 1,5 cm. Bei einem runden Erreger ist die Sache etwas einfacher, hier definiert sich der Speisepunkt als Abstand vom Rand auf dem Radius.

In den Reflektor werden 5 Löcher gebohrt und dann die N-Einbaubuchse mit vier Schrauben auf das Blech montiert. Ist das geschehen, klebt man mit etwas Uhu oder Pattex drei oder vier Abstandshalter (z. B. die M3-Kunststoffmuttern) auf den Reflektor auf. Nachdem der Kleber getrocknet ist, gibt man jeder Mutter einen neuen Klecks Kleber zu und setzt den Erreger auf den Stift der N-Buchse auf. Nach kurzer Justage lässt man die Antenne einige Minuten liegen, damit der Kleber trocknen kann. Anschließend verlötet man den Stift mit dem Erregerblech. Die folgenden Abbildungen zeigen die fertige Antenne im Detail.


Beim Löten kann es Probleme geben, wenn der Lötkolben zu wenig Leistung hat oder das Blech zu dick ist. Kupfer führt die Wärme gut ab und so kann es passieren, dass die Lötstelle nicht heiß genug wird. Die Folge: Das Kupfer nimmt das Lötzinn nicht an. Das Blech sollte verzinnt sein, bevor man es mit dem Stift der N-Einbaubuchse verlötet. Das verhindert auch, dass der Stift beim Löten zu lange erwärmt wird.

Empfang?

Damit ist der Aufbau, der für die drei Antennen an einem Tag erfolgte, schon beendet. Es folgt der erste Test. Was liegt näher, als den neuen Patch in den Parabolspiegel eines befreundeten OM zu setzen - und sei es auch nur provisorisch - und zu hören, was er in der ausgetesteten Anlage zu leisten vermag? Am nächsten Tag wurde die neue Patchantenne etwas schielend neben seine fest montierte Patchantenne in den Fokus des Parabolspiegels gehalten und an das Koaxkabel angeschlossen. Über seinen Downkonverter konnte man im schwach die Bake eines Satelliten hören!

Die Antenne funktioniert also -- prinzipiell. Aber wird das Signal für meinen Empfänger reichen? Leider war hier nichts zu hören, also musste die bisher montierte Patchantenne den angestammten Platz im Fokus des Parabolspiegels räumen und die neue Patchantenne wurde, da eine geeignete Montagemöglichkeit nicht existierte, provisorisch in den Fokus gehalten. Die Abb. Oben gibt einen Eindruck von dieser Prozedur. Und siehe da, die Bake kommt mit etwa S1 auf meinem Empfänger, einem AOR5000, an! Wir haben dann eine etwas weniger provisorische Möglichkeit geschaffen, um fast beliebige Patchantennen kurzzeitig fest montieren zu können und konnten so auch den Meteosat-Patch in Verbindung mit dem Radio testen. Sie ist für 1707 MHz dimensioniert und wird sicher ihren Dienst verrichten. An diesem Tag konnten wir trotz des auf Meteosat ausgerichtetem Spiegel bei einem Scan zwischen 1694 und 1708 MHz nichts aufnehmen. Wahrscheinlich war das Signal nicht stark genug, die Rauschsperre des Empfängers im Scanbetrieb zu öffnen oder es fand zu diesem Zeitpunkt kein Sendebetrieb statt.

Die nächsten Patchantennen - und die kommen bestimmt - werden, aus dickerem Material gefertigt sein. Reflektor und Erreger werden dann rund ausgeführt und der Reflektor aus stabilerem Material bestehen. Ich denke an Aluminium als Reflektor und Messing oder Kupfer für den Erreger.


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Copyright Michael Wöste