Die von mir verwendete Helix-Antenne für den QO-100 Uplink ist ein Nachbau der Ice Cone Feed 2.1 Helix von DC8PAT. Die Bauform wurde von mir komplett neu mit der Maker-Version von Solidworks gezeichnet.
Unterschiede zur Version von DC8PAT:
- Die Klemmung für den LNB wurde geändert. Der LNB wird nun mit einer Klemme in Hufeinsenform von unten an den LNB-Träger verschraubt.
- Meine Variante kann nur mit dem Bullseye-LNB des Herstellers Othernet verwendet werden.
- Die Form der Wetterschutzabdeckung für die Helix-Wendel wurde geändert. Die Wandstärke der Wetterschutzabdeckung beträgt nur noch 1,2 mm, wodurch der 10 GHz Downlink von QO-100 weniger stark gedämpft wird.
- Die Abmessungen weichen vom Original ab.
Wie beim Original verwende ich für die Anpassung der 50 Ohm Speiseleitung an den 140 Ohm Wellenwiderstand der Helix ein Abstimmelement mit den Abmessungen 71 x 17 mm aus 0,5 mm starken Kupferblech.
3D-Ansicht
Nachfolgend wird beschrieben, wie mit Einsatz eines 3D-Druckers der von mir verwendete Helix-Feed nachgebaut werden kann.
Werkzeuge
- 3D-Drucker
- NANO-VNA
- Lötkolben
- Lötzinn
- Seitenschneider
- Schere oder Cutter
- Blechschere nicht gezackt
- M3 Innensechskantschlüssel
- M5 Innensechskantschlüssel
- PRITT-Stift
Material
- PETG-Filament weiß
- PETG-Filament orange oder anderer Farbton
- Kupferdraht 2 mm Durchmesser, ca. 30 cm
- Kupferblech 0,5 mm Dicke, ca. 71×17 mm
- Aluminiumfolie, Aluminiumblech 0,5 mm oder Kupferfolie 0,5 mm mit ca. 15x15cm Abmessung
- 4x M3 Ruthex-Gewinde f. 3D-Druck
- 3x M5 Ruthex-Gewinde f. 3D-Druck
- 8x M3x6 (6 mm Gewindelänge) Senkkopf-Innensechskantschrauben
- 4x M3 Muttern
- 3x M5x8 (8 mm Gewindelänge) Zylindekopf-Innensechskantschrauben
- 1x N-Buchse Typ UG 58 KF
3D-Druck Elemente
Alle Spezialbauteile werden per 3D-Druckverfahren hergestellt. Für die Herstellung der Bauteile wird PETG-Filament verwendet, da es einen gewissen UV-Schutz bietet, welcher für den Außeneinsatz zwingend erforderlich ist.
Alle 3D-Druckelemente werden ohne Hilfsstützen gedruckt.
Die .3MF Dateien für den 3D-Druck sende ich auf Nachfrage per E-Mail interessierten Funkamateuren gerne zu.
3D-Druck Wetterschutzhaube
Die Wetterschutzhaube wird aus weißem PETG-Filament gedruckt. Die Verwendung eines farblosen Filament vermeidet, das evtl. Zusatzstoffe für die Farbgebung des Filament die HF-Eigenschaften negativ beeinflussen. Als Füllgrad wird 100% eingestellt. Die Wanddicke ist mit 1,2 mm so dünn gewählt, dass mit einem niedrigeren Füllgrad kaum Materialeinsparungen möglich sind. Die 3D-Druckform wird so ausgerichtet, dass die Öffnung auf dem Druckbett nach oben zeigt.
3D-Druck Helix-Träger
Der Helix-Träger wird aus einem beliebig farbigen PETG-Filament gedruckt. Der Füllgrad ist 25%.
Reflektor aus Aluminiumfolie
Auf der Unterseite des fertig gedruckten Helix-Träger wird mit einem PRITT-Stift eine Aluminiumfolie glatt aufgeklebt. Sobald der Klebstoff getrocknet ist, wird mit einer Schere oder einem Cutter die überstehenden Aluminiumfolie sauber abgeschnitten. Die Bohrungen für die Befestigungsschrauben werden mit einem spitzen Gegenstand vorgestochen, um später die Schrauben einfacher eindrehen zu können.
Die N-Buchse wird an der entsprechenden Position von unten an den Helix-Träger mit vier M3-Senkkopfschrauben samt M3-Mutter angeschraubt, um mit der Alufolie eine leitende Verbindung herzustellen.
Alternative zu Aluminiumfolien: Reflektor aus Aluminium- oder Kupferblech
Anstelle der Aluminiumfolie kann auch ein 0,5 mm starkes Blech aus Aluminium oder Kupfer für die Herstelllung des Reflektors verwendet werden. Als Werkzeug ist hierzu zumindest eine Laubsäge mit geeignetem Sägeblatt, Sandpapier, Flach- und Halbrundfeile und eine Bohrmaschine mit 3 und 5 mm Bohrer notwendig.
Um die Herstellung zu vereinfachen, habe ich eine entsprechende Schablone gezeichnet, die ebenfalls per 3D-Druck hergestellt wird und vor der Bearbeitung mit doppelseitigem Klebeband auf das Blech geklebt wird.
Das fertig zugeschnittene und gebohrte Reflektorblech kann ebenfalls mit der Unterseite des Helix-Träger verklebt werden.
3D-Druck Bullseye-LNB Träger
Der Bullseye-LNB Träger wird ebenfalls aus einem beliebig farbigen PETG-Filament gedruckt. Ein Füllgrad von 25% reicht aus.
In den fertig gedruckten Bullseye-LNB Träger werden auf der Oberseite vier M3-Gewinde an den vorgesehenen Positionen eingeschmolzen.
Auf der Unterseite werden drei M5-Gewinde an den entsprechenden Stellen eingeschmolzen. Die M5-Gewinde werden zur Befestigung der LNB-Klemmung benötigt.
3D-Druck Bullseye-Hufeisenklemme
Zum befestigen des Bullseye-LNB wird ein Klemmelement gedruckt. Als Füllgrad reicht hier 25%. Die Farbe des PETG-Filament wird frei gewählt.
Zum fixieren wird der Bullseye-LNB in das Klemmelement eingeschoben und dann mit den drei M5-Innensechskantschrauben an der Unterseite des Bullseye-LNB Träger fixiert.
3D-Druck Formhilfe Helix-Wendel
Die Formhilfe zur Herstellung der Helix-Wendel wird aus einem beliebig farbigen PETG-Filament mit 25% Füllgrad gedruckt. Die Führungsnut ist für Kupferdraht mit 2 mm Durchmesser vorgesehen.
Mit der fertig gedruckten Formhilfe, wird ein Kupferdraht mit 2 mm Durchmesser geformt. Die Formhilfe ist am Anfangsbereich der Helix mit einer Fixierhilfe ausgestattet. Der Kupferdraht wird hier einfach bis zum Anfang der Führungsnut eingesteckt. Jetzt wird der Kupferdraht entlang der Führungsnut um die Formhilfe gebogen. Am oberen Ende der Führungsnut befindet sich eine Markierung, die die genaue Länge von 2,2 Windungen anzeigt. Hier wird der Kupferdraht mit einem Filzmarker markiert. Mit einer Zugabe von ca. 10 mm wird die Wendel ab gelängt.
Die fertig geformte Helix wird jetzt vorsichtig aus der Formhilfe gedreht, ohne die Helix-Form zu verändert.
Zusammenbau
Sind alle 3D-Druck Bauteile erstellt und vorbereitet, die Helix-Wendel gebogen und zugeschnitten, erfolgt nun der Zusammenbau.
N-Buchse mit Helix-Träger verschrauben
Die N-Buchse wird nun mit vier M3 Schrauben und Muttern an der Unterseite des Helix-Träger verschraubt. Ist dies geschehen, muss auf der Vorderseite der Innenleiten der N-Buchse freigelegt werden. Dazu direkt oberhalb der Grundfläche des Helix-Träger mit einem Cutter das weiße Dielektrikum rundum einschneiden, ohne den Innenleiter zu beschädigen und dann entfernen.
Helix-Träger mit Bullseye-LNB Träger verbinden
Mit Hilfe von vier M3-Senkkopfschrauben wird der vorbereitete Helix-Träger mit dem Bullseye-LNB Träger verschraubt.
Tipp: Falls sich die M3-Schrauben nicht einfach in die M3 Einschmelzgewinde eindrehen lassen, dann hat sich beim Einschmelzen PETG-Filament in den Gewindegang gesetzt. Mit einem M3 Gewindeschneider – Stufe Fein – können die Gewinde einfach gesäubert werden.
Helix-Wendel einfädeln
Die fertig gebogene Helix-Wendel wird nun durch die Führungslöscher des Helix-Trägers eingedreht. Hierbei darf die Form des Wendels nicht verbogen werden. Das untere Ende des Helix-Wendel endet ca. ?? mm oberhalb des Helix-Trägers.
Abstimmfahne
Die Abstimmfahne mit den Abmessungen 71 x 17 mm wird aus 0,5 mm starken Kupferblech hergestellt. Der Zuschnitt erfolgt mit einer Blechschere, bei der die Schneiden nicht gezackt sein sollten um glatte Schnittkanten zu erhalten.
Die fertig zugeschnittene und gebogene Abstimmfahne wird nun am ihrem spitzen Ende mit dem unteren Ende der Helix-Wendel verlötet. Abstimmfahne und Helix-Wendel überlappen sich ca. 5 bis 10 mm und die obere Kannte der Abstimmfahne muss parallel zum Reflektor ausgerichtet sein, bevor Helix-Wendel und Abstimmfahne miteinander verlötet werden.
Jetzt wird das breite Ende der Abstimmfahne mit dem Innenleiter der N-Buchse verlötet.
Ergebnis
Das fertige Ergebnis ist nachfolgend abgebildet. Das Foto zeigt neben dem Bullseye Helix Feed 2.2 Rev. C auch den Bullseye-Halter für den TechniSat DigiDish 45 Offset-Spiegel.
SWR abstimmen
Um das SWR auf die Arbeitsfrequenz von 2,4 GHz (QO-100 Uplink) abzustimmen, ist zwingend ein NANO-VNA notwendig, der diesen Frequenzbereich noch abdeckt. Ich verwende dazu den VNA PS100 mit einem nutzbaren Frequenzbereich von 137,5 bis 2.700 MHz. Dieser wird mit einer Kombination aus N-Adapter und SMA-Adapter direkt an die Helix angeschlossen. Für den Abstimmvorgang sollte der Bullseye-LNB montiert sein.
Schritt 1: Die Resonanzfrequenz der Helix lag in meinem Fall etwas unterhalb der gewünschten Arbeitsfrequenz von 2,4 GHz. Für die Abstimmung auf niedrigstes SWR ist dies im ersten Schritt egal. An der breiten Seite des Abstimmelement, die Seite, die an den Innenleiter der N-Buchse angelötet ist, wird nun durch Änderung des Abstands zum Reflektor das SWR angepasst. Dazu wird das Abstimmblech mit einem Lötkolben abgelötet und an der neuen Position wieder angelötet. Dies muss so lange wiederholt werden, bis man ein möglichst niedriges SWR erreicht ist. Ggf. hilft auch leichtes verbiegen des Abstimmblech oder das Anlöten von kleinen Kupferfahnen. In der Regel liegt das beste SWR bei einem Abstand der unteren Kante des Abstimmelement zum Reflektor zwischen 1 bis 2 mm.
Schritt 2: Durch schrittweises Kürzen der Helix-Wendel wird nun die Resonanzfrequenz abgestimmt. Die Helix-Wendel wird dazu in maximal 1 mm großen Schritten am oberen Ende gekürzt. Nach jedem kürzen muss das SWR wieder kontrolliert werden. Dieser Vorgang muss nun so lange wiederholt werden, bis die Resonanzfrequenz bei 2,4 GHz liegt.
Schritt 3: Wird jetzt die Wetterschutzabdeckung für die Helix aufgeschraubt, sinkt die Resonanzfrequenz wieder etwas ab und muss durch weiteres kürzen der Helix-Wendel nachgestimmt werden. Im Unterschied zu Schritt zwei muss vor jeder Messung die Wetterschutzhaube wieder aufgeschraubt werden, um das Messergebnis nicht zu verfälschen.
Grundlagen Helix-Antennen
Nachfolgende Auflistung zeigt einige Quellen auf, die sich tiefgehend mit den HF-Eigenschaften von Helix-Antennen und deren Nachbau auseinander setzen:
- Ice Cone Feed von DC8PAT, https://nolle.engineering/ice-cone-feed/
- YATT-Helix von DL6YCL, https://www.qrz.com/db/DL6YCL
- Wikipedia, https://de.wikipedia.org/wiki/Wendelantenne
- PA0HOO, Improved Dutch helix/helical for WLan
- Jason Hecker, https://wireless.au/~jhecker/helix/
Weitere Ansichten
Haftungsausschluss
Das Grundkonzept dieses Helix-Feed basiert auf dem Entwurf von DC8PAT. Er hat sein Design unter die Creative Commons-Lizenz „Namensnennung – Nicht kommerziell – Keine Bearbeitungen“ gestellt. Damit unterliegt auch meine Version diesen Bedingungen.