Helix Feed für es'hail-2

das sind meine Aufzeichnungen über den Bau eines SSB und DATV tauglichen Helix-Feeds.

Zunächst begann ich im Frühjahr 2019 mit einem POTY Patch Feed, der den Vorteil eines einfachen Aufbaus hat und automatisch sofort funktioniert.

Der POTY Feed funktioniert, jedoch nicht ganz optimal, was mit der Abstimmung der Antenne zu tun hat, welche extrem aufwändig ist. Das gute am POTY ist jedoch, dass er auch völlig ohne Abstimmung bereits zufriedenstellend läuft. Kleine Abstriche in der Effizienz sind ohne Bedeutung, denn ob man mit 4 Watt oder 8 Watt arbeitet ist im SSB Betrieb belanglos. Deshalb ist die POTY auch so beliebt, sie läuft einfach ohne große Anstrengungen.

Ende 2019 begann ich mich langsam auf den DATV Betrieb vorzubereiten. Hier müssen alle Komponenten optimiert werden, auch der Feed. Denn es macht bezüglich der PA einen riesen Unterschied ob man mit 40 Watt oder 80 Watt senden muss, der Aufwand für die PA steigt mit jedem Watt an.

die erste Idee:

zunächst habe ich alle Erfahrungswerte von anderen OMs aufgezeichnet um mir ein Bild zu machen. Dabei zeigte sich relativ eindeutig, dass Benutzer eines Helixfeeds in einer TV-Offsetschüssel erstaunlich wenig Leistung brauchten. Meist musste ich fast das doppelte an Sendeleistung aufbringen um ein gleiches Signal zu haben.

Auch wenn meine Anlage einwandfrei funktioniert, so kam hier doch der Wunsch auf den Feed zu verbessern. Ein Vergleich Poty-Helix wäre ideal. Trotz vieler Gespräche waren die Ergebnisse aber nicht klar. Zuviele verschiedene Aufbauten, Schüsseln, PAs und Leitungen verschleierten das Ergebnis. Trotzdem war klar, eine Helix mußte Vorteile bringen, wenn auch nur kleine. Aber für DATV ist mir jedes zehntel dB wichtig.

Abessungen der Helix:

wer versucht im Internet Informationen über die genaue Konstruktion einer Helix zu finden merkt schnell dass man dabei in ein Wespennest sticht. Tatsächlich findet man tausende Hinweise und Bauvorschläge, die sich oftmals wiedersprechen und Gegenteiliges aussagen. Sogar in Wikipedia sind verschiedene Parameter als "unvollständig oder unklar" markiert.

Am Band hört man viele OMs die mit 3,5 Wdg. arbeiten, keiner weiß so genau warum. Vermutlich hat jemand mal 3,5 Wdg. gemacht und andere haben es nachgebaut. Genauso viele Stationen findet man mit 5 Windungen, bis hinauf zu 7 Wdg. Alles in allem ist es ziemlich schwierig sich ein vernünftiges Bild zu machen.

Bei den vielen Veröffentlichungen ist mir vor allem ein Dokument aus dem Jahre 2002 von W1GHZ aufgefallen mit dem Namen: helical_feed_antennas.pdf. 

Diese Infos habe ich zusammengetragen:

Durchmesser:

der Umfang soll gleich der Wellenlänge sein. Bei 2400 GHz ist die Wellenlänge 12,5 cm, der Durchmesser daher U/pi = 39,8mm, also genau 4cm. Die meisten Online-Helixrechner bestätigen das, außer jcoppens.com, bei dem scheinbar auch die Windungszahl in die Berechnung eingeht, allerdings ohne entsprechende Erklärung. Dieser Rechner kommt auf knapp über 42mm. Das ist nicht viel Unterschied, ich werde also als Innendurchmesser (Wickelkörperdurchmesser): 40mm nehmen.

Steigung:

die Steigung (Abstand der Windungen) ist ein eigenartiger Wert, da man nirgends eine Herleitung finden kann. Alle scheinen von Annahmen auszugehen welche als erstes W8JK in der 1940er Jahren veröffentlich hat, wobei es unklar ist ob dieser Wert auf Versuchen oder Berechnungen beruht. Er gibt einen Pitchwinkel von 12° bis 14° an, was nach Umrechnung einen Windungsabstand von 26mm bis 31mm entspricht. Das ist im Verhältnis zur Wellenlänge ein Wert von 0,21 bis 0,25 der Wellenlänge.

Im Dokument von W1GHZ Figure.6 zeigt er den Zusammenhang von Steigung und Wirkungsgrad der Antenne. Ich wähle 12,5° also ein Verhältnis von 0,22 und berechne daraus mit dem Onlinerechner von daycounter.com die Steigung 27,5mm. Das ist also der zweite Wert. Als Steigung werde ich 28mm nehmen.

Windungszahl:

hier begibt man sich nun endgültig aufs Glatteis. Die Windungszahl bestimmt den Gewinn und damit den Öffnungswinkel des Helix-Feeds. Dieser muss so gewählt werden dass er zur Schüssel passt. Allerdings haben wir keine harte Licht/Schattengrenze, sondern es ist fließend, da der Feed nach außen hin immer weniger abstrahlt, und in diesem Bereich ist irgendwo der Rand der Schüssel. 

Zunächst mal gilt es zu ermittlen welchen Öffnungswinkel der Spiegel aus sich des Feeds hat. Dazu brauchen wir den f/D Wert aus den technischen Daten des Herstellers der Schüssel. D ist der Durchmesser und f ist der Abstand vom Feed zur Schüssel, im Bild f1 + f2.

Meine Schüssel hat D=150 und f/D=0,67.

Um die Werte von f1 und f2 zu rechnen kann man einfach den  f/D calculator von SatLex.de benutzen. Er berechnet f=f1+f2 zu 100,45cm und die Tiefe der Schüssel (f2) zu 14cm. Daraus ergibt sich f1 zu 86,45cm. D/2 habe ich mit 75cm. Der Winkel a ist jetzt ein einfaches rechtwickeliges Dreieck zu dessen Berechnung es jede Menge Online-Rechner gibt, welche ein a=41° bestimmen. 

Der Öffnungswinkel ist das Doppelte, also 82°.

Offnungswinkel des Heli-Feeds

die Helix-Online-Rechner geben zwei Winkel an: 

den Öffnungswinkel bei einem Abfall von -3dB (halbe Leistung). Eine Empfehlung eines Funkamateurs ist ein -3dB Winkel von 45°. Das bedeutet, dass am Rand der Schüssel, also bei 82° der Abfall gegen -10dB geht, also einem 1/10 der Leistung. Ganz soweit möchte ich nicht gehen und werde den Öffnungswinkel ein wenig größer halten, wofür ich 4 Windungen brauche. Die geringe Leistung welche am Rand der Schüssel vorbeigeht kann man vernachlässigen. Für mich wiegt der Vorteil einer geringeren Abschattung des LNBs größer, als wenn ich 6 oder gar 7 Windungen machen würde.

In einem Bericht im Funkamateur 1/2020 wird eine Helix mit 3,24 Windungen beschrieben, die zum Abgleich noch in der Länge abgezwickt wurde. Dieser Bericht zeigt einige sehr eigenartige Werte, ohne Angaben zur Leistung beim Öffnungswinkel usw. Ich bin nicht der einzige der diesem Bericht nicht wirklich glauben möchte, daher wird das in meinen Überlegungen nicht berücksichtigt. 

Am Band bekommt man soviele unterschiedliche Erfahrungsberichte wie es Antennen gibt. OMs die sich auf rechnerische Daten stützen empfehlen 6 oder 7 Windungen für eine normalen TV Offsetschüssel. OMs die von rein praktischer Erfahrung berichten, haben deutlich weniger Windungen, meist 3 oder max. 4. Ich habe Berichte aus der Praxis, das eine Helix mit 3 Wdg. merkbar lauter ging als eine mit 5 Windungen. Das widerspricht der Theorie, aber das kennen wir bei der HF Technik ja nicht anders. Ein OM auf dessen Erfahrungen ich sehr vertraue (DG8FAC) hat mit 4 Wdg. eine perfektes DATV Signal hingestellt. Das ist auch mein Ziel, als baue ich die Helix ebenfalls mit 4 Windungen.

Drahtdurchmesser:

auch hier scheiden sich die Geister, wie bei fast allen Parametern der Helix. 

In einem Bauvorschlag schreibt DF2GB Zitat: "Versuche haben gezeigt, bei Verwendung von kleinerem Querschnitt des Kupferdrahtes der Helix, dass sich die Effizienz der Antenne bis zu 30% reduziert". Er empfiehlt Draht mit d=4,4mm und 10²mm Querschnitt. Allerdings hat ein 4,4mm Draht 15mm². Auf ca. 10mm² kommt man mit 3,5mm Durchmesser. Das ist der Draht den ich benutzen werde, denn es ist ein handelsüblicher Kupferdraht der im Baumarkt als grün/gelber Erdungsdraht verkauft wird.

Allerdings habe ich auch Dokumente gefunden die sagen, dass der Drahtdurchmesser völlig unerheblich ist. Wie auch immer, wir arbeiten auf 2,4 GHz, da kann etwas mehr Draht-Oberfläche nicht schaden und ich neige dazu den Erfahrungen von DF2GB zu vertrauen.

der Aufbau (LNB und Reflektor):

hier eine Bilderstrecke mit den einzelnen Schritten zum Aufbaui der Helix.

alles beginnt mit einer Kupferplatte: 120 x 120mm und 2mm dick. 2mm ist ideal, in dieser Stärke ist die Platte bereits sehr stabil, wiegt aber noch nicht allzu viel.

Durch Loch in der Mitte wird später der LNB gesteckt. Der Außendurchmesser meines LNBs hat vorne am Horn 50mm, daher habe ich ein Loch mit 49,9mm gemacht, sodass ich den LNB fest sitzend einpressen kann.

Links das Loch für den N-Stecker. Die zwei Schraubenlöcher werden nur zur Halterung beim Löten benutzt.

Rechts eine 3,1mm Loch wo ein Haltearm für die Helix montiert wird.

das Reflektorblech ist unten um 8mm abgeschnitten. Das ist fast immer erforderlich damit der Reflektor nicht an den Auslegerarm der Schüssel stößt. Gleichzeitig ist damit "unten" definiert.

der N-Stecker wird nicht angeschraubt sondern flächig verlötet. Immerhin arbeiten wir auf 2,4 GHz, da muss jeder Kontakt so satt wie nur irgendwie möglich sein.

 

  

gelötet wird mit einer Gaskartusche aus dem Baumarkt. Der Stecker muss natürlich aus Teflon sein, PVC Stecker würden sofort schmelzen.

Zunächst habe ich den Stecker von oben gelötet. Das Kupfer und ein wenig auch der Stecker werden mit der Gasflasche erwärmt und dann das Lötzinn rumherum aufgetragen. Es zieht von selbst ein. Wärend dieser Arbeit war der Stecker mit 2 Schrauben fixiert welche dann wieder entfernt wurden.

Danach wurde der Stecker auch auf der Unterseite verlötet.

als nächstes wird vom bereits modifizierten LNB die Schutzkappe vorne abgenommen. Dann wird er in das Loch des Reflektors geschoben. Das muss sehr eng gehen, ich habe noch mit einem Gummihammer nachgeholfen. Schließlich gibt es keine weitere Befestigung der Helix, also muss diese Passung sehr streng gehen.

Ich habe das Loch um 0,1mm kleiner gemacht als den Außendurchmesser des LNB-Horns. Durch die Elastizität des Kupfers und auch des Alus passt es zusammen und sitzt dann sehr fest.

ACHTUNG: der LNB muss richtig eingeschoben werden, es gibt hier mehrere Möglichkeiten für Irrtümer:

1. der N-Stecker muss zum LNB-Gehäuse schauen, siehe Bild

2. der LNB wird nicht genau nach "unten", in Richtung des abgeschnittenen Teils positioniert sondern um den Skew-Winkel gedreht. Das sind bei uns ca. 10 Grad im Uhrzeigersinn, wenn man wie in diesem Bild hinschaut.

Im Internet gibt es Sat-Rechner wo man den exakten Skew Winkel bestimmen kann, aber das ist unerheblich, 10 Grad sollte überall in Mitteleuropa passen.

Ansicht von vorne:

man sieht in das Horn des LNBs. Hier ist es ein Rillenhorn, diese Rillen spreizen den Öffnungswinkels auf die Breite üblicher TV-Offsetspiegeln. Die Schutzkappe vorne wird nicht mehr aufgesteckt, da diese ein paar zehntel dB kostet und wir sowieso eine komplette Abdeckung brauchen.

Fall jemand einen "Rocket"-LNB benutzt, so muss die Kunststoffkappe schon aufgesteckt werden, da diese als Ersatz für das Rillenhorn dient.

jetzt kann das Kunststoffgehäuse des LNBs wieder aufgeklipst werden.
jetzt prüft man ob das ganze gut in die Sat-Halterung der Schüssel passt. Im Bild sieht man auch warum der Reflektor unten etwas abgeschnitten werden muss.
vorne wird die Ritze noch mit Silikon abgedichtet, man kann das auch auf der anderen Seite machen. Vorne mache ich später eine Haube drüber, aber von hinten darf kein Wasser eindringen können.

damit ist der Grundkörper fertig, jetzt geht es ans Wickeln der Helix:

zum sauberen Wickeln eines sehr störrischen Drahtes mit 3,5mm Durchmesser ist ein Wickelkörper unerlässlich. Ein Plastikstab wurde auf 40mm gedreht. Zum Glück hatte Ernst, DL1EV, eine neue Zyklensteuerung für seine Drehbank bekommen.

Damit haben wir eine Steigung von 29mm eingestellt und mit dem Gewindeschneiderprogramm eine 2mm tiefe Rille in den Stab gedreht. Danach habe ich mittels einer Bohrung das Drahtende befestigt und mit richtig viel Krafteinsatz den 3,5mm Kupferdraht fest, mit aller aufzubringender Gewalt, in diese Rille gewickelt.

Das Ergebis war fast perfekt. Der Draht hatte nach dem Herausschrauben aus dem Wickeldorn genau den gewünschen Innendurchmesser von 40mm.

aus einem grünen Stück Kunststoff wurde eine Halterung ausgesägt. Diese befindet sich gegenüber des N-Steckers. Die Helix wird also einmal an der Haltung und einmal an der Lötstelle des N-Steckers gehalten. Es hat sich gezeigt dass diese zwei Punkt für eine sehr gute Stabilität sorgen da der 3,5mm Draht sehr starr ist.

Wenn man dünneren Draht nimmt, wäre evt eine dritte Halterung erforderlich.

Nach dem Abgleich wurde die Helix mit der Halterung verklebt.

Hier das Anpassblech, zwischen N-Stecker und Helix. Die Anpassung war eher kompliziert, daher folgt jetzt ein eigenes Kapitel darüber.

Anpassung:

die Anpassung der Helix auf 2,4 GHz ist deutlich komplizierter als bei einer POTY Patchfeed Antenne.

Man kann es so beschreiben: die POTY geht fast immer, auch ohne Abgleich. Sie geht nicht optimal, aber sie geht. Wer keine entsprechenden Messgeräte hat ist mit der POTY gut bedient. Ein einfach aufzubauender Feed mit ein paar Kompromissen, aber mit schnellem Erfolgserlebis.

Eine Helix geht erstmal überhaupt nicht. Sie benötigt einen Abgleich in Form eines Blechstreifens zwischen Stecker und Beginn der Helix. Der genaue Abgleich in NUR mit gutem Messequipment möglich. Wer einen VNA für 2,4 GHz hat kann diese Arbeiten leicht erledigen. Wer keinen hat ist verloren. Hat man aber ein Messgerät, so kann man die Helix auf SWR 1 : 1 einstellen bei fast perfekter Zirkularpolarisation. Irgendeinen Bauvorschlag nachzubauen wo das Blech die Maße x/y hat und vergebens, das klappt einfach nicht, die Antenne muss individuell abgeglichen werden. Ist das geschafft, erhält man eine Antenne die einer POTY deutlich überlegen ist, zumindest in einer TV-Offsetschüssel.

Zum Abgleich bin ich so vorgegangen:

  1. Anstelle des Kupferblechs wurde ein 31mm langes Stück dünnerer Schaltdraht angelötet.
  2. Die Messung zeigte überhaupt keine Resonanzen und ein hohes SWR
  3. Jetzt habe ich selbstklebende Kupferstreifen genommen und davon kleine Stücke von ca. 10x30mm, auch schräg, abgeschnitten und auf den Schaltdraht geklebt. Die Anpassung hat sich dadurch verändert. Gleichzeitig habe ich die Impedanz gemessen: Zxx + jyy. Dabei hat sich folgendes Bild ergeben
  4. Folgendes gilt für meine Heli, ich habe keine Ahnung ob das allgemeingültig ist !



    In der Nähe des Steckers (A) kann man beeinflussen ob die Antenne mehr kapazitiv oder mehr induktiv ist. Eine größere Kupferfläche an A macht die Antenne induktiver. Wenn man also ein negatives j misst, so muss man die Breite des Kupferbands an A vergrößern. Misst man ein positives j so muss man sie verkleinern.

    Nahe der Helix, an Position (B), kann ich die Impedanz der Antenne beeinflussen. Wenn die Impedanz viel größer als 50 Ohm ist, so muss das Blech an (B) kleiner gemacht werden. Liegt man unter 50 Ohm, so muss man das Blech vergrößern.
  5. Ich habe also so lange Kupferfolienstreifen geschnippelt bis die Antenne bei ca. 53 Ohm +j2.1 lag. Dann habe ich ein 1mm dickes  Kupferblech genommen und das gleiche Stück, aber ca. 1mm größer ausgesägt.
  6. Wie zu erwarten, lag die Antenne jetzt bei 68 Ohm +j12.5 , also war sowohl an (A) als auch an (B) zuviel Kupfer. Mit einem Dremel habe ich jetzt immer kleine Stücke vom Kupferblech abgefräst und wieder neu gemessen. Nach knapp 10 mal Abfräsen war das gewünschte Ergebnis erreicht: SWR 1,06 : 1 bei 53 Ohm -j0.28 . Folgende Bilder zum Vergrößern anklicken.

           

es hat sich gezeigt, dass dieser Abgleich recht stabil ist. Selbst wenn man an der Spitze der Helix biegt und wackelt, ändert sich kaum etwas. An der Unterseite muss die Helix natürlich stabil sein, was durch die Halterun gegeben ist.

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