Der geostationäre Amateurfunksatellit QO-100 hat den Satellitenfunk für Funkamateure grundlegend verändert. Er ermöglicht stabile Verbindungen über Europa, Afrika und Teile Südamerikas und Asiens – rund um die Uhr und ohne die typischen kurzen Überflugzeiten von LEO-Satelliten.
Für einen stabilen Empfang des QO-100 Downlinks bei 10 GHz verwenden viele Funkamateure modifizierte SAT-LNBs in Kombination mit SDR-Empfängern. Genau hier kommt ein Triplexer für QO-100 ins Spiel.
Ein Triplexer (oder ein Diplexer mit integriertem Bias-T) für den QO-100 ist eine frequenzselektive Weiche. Er kombiniert Versorgungsspannung, Referenzsignal und ZF-Empfangssignal und ermöglicht so die Verbindung zum LNB über eine einzige Koaxialleitung.
Dadurch wird der Aufbau deutlich einfacher und durch die externe Referenz wird das LNB gleichzeitig wesentlich frequenzstabiler.
- Grundsätzlich arbeiten die meisten modernen LNBs mit einer PLL
- Nur solche PLL-LNBs lassen sich mit einer externen Referenz stabilisieren
- ⚠️ LNBs älterer Bauart mit dielektrischen Resonatoren sind für Satellitenfunk ungeeignet
- Es wird verschiedentlich berichtet, dass selbst extern stabilisierte LNBs „wobbeln“
- Vor dem Kauf sollte man sich bei anderen Funkamateuren über deren Erfahrungen erkundigen.
Grundvoraussetzung ist ein modifiziertes LNB, das eine Möglichkeit zur Einspeisung einer externen Referenz hat. Ein konkretes Beispiel anhand eines Goobay Single LNB mit detaillierten Angaben zum Umbau ist in einem separaten Beitrag beschrieben.
Was ist ein Triplexer im QO-100 Satellitenfunk?
Ein QO-100 Triplexer ist eine spezielle HF-Schaltung, die drei unterschiedliche Signalarten über ein gemeinsames Koaxialkabel überträgt:
| Signal | Beschreibung | Richtung | Aufgabe |
|---|---|---|---|
| DC-Spannung | Gleichspannung | zum LNB | Versorgung des LNB mit 13 Volt, bzw. 18 Volt |
| 25-MHz-Referenz | Präzise stabile 25,000 MHz Referenzfrequenz mit ca. -5 bis 0 dBm Pegel | zum LNB | Stabilisierung des LNB-Oszillators, Referenztakt für die PLL im LNB |
| IF-Signal | 10 GHz Satelliten-Empfangssignal heruntergemischt auf die ZF | vom LNB | Empfang des Satellitensignals auf der Zwischenfrequenz bei 739,5 MHz |
Hauptvorteil eines QO-100 Triplexers
Weniger Verkabelung – Nur ein einziges Koaxkabel verbindet:
- Empfänger (SDR)
- Spannungsversorgung
- Referenzgenerator
mit dem LNB
Erweiterungen
Über die Grundfunktion hinaus macht es Sinn einige Erweiterungen vorzunehmen um den Funkbetrieb einfacher und sicherer zu machen.
Eine selbstrückstellende Sicherung (Polyfuse) in der Betriebsspannungszuführung vermeidet Folgeschäden bei falschem Anschluss und auch bei Fehlern im LNB. Als Nennwert habe ich 100 mA gewählt, wodurch handelsübliche LNBs gut versorgt werden und im Fehlerfall eine schnelle Reaktion erreicht wird.
Eine Z-Diode kappt Spannungsspitzen und löst bei Verpolung die Sicherung aus.
Eine LED Betriebsanzeige hinter der Sicherung angeordnet zeigt an ob Spannung am LNB anliegt, oder ob es einen Fehler gibt. So lässt sich der Betriebszustand mit einem Blick erkennen und mögliche Fehler schnell eingrenzen.
Mit einem ZF-Filter werden Störungen durch Außerbandsignale wirkungsvoll reduziert. Besonders in Regionen wo im Mobilfunk die niedrigen Frequenzbänder verwendet werden, berichten Funkamateure über „Geistersignale“ beim QO-100 Empfang. Ein Filter kann solche Effekte verhindern.
QO-100 Triplexer selber bauen
Der Schaltungsaufbau des QO-100 Triplexers ist vergleichsweise einfach und mit überschaubarem Aufwand realisierbar. Dank der Verwendung preisgünstiger Standardbauteile bleiben die Materialkosten überschaubar.
Im Folgenden beschreibe ich eine kompakte Lösung, die auf einer einzigen Leiterplatte basiert und vollständig in ein kleines Abschirmgehäuse passt. Durch den Einsatz von Streifenleitungselementen für die ZF-Filterung sowie eines schmalbandigen Quarzfilters für die 25-MHz-Referenz ist kein nachträglicher Abgleich erforderlich.
Sämtliche verwendeten Komponenten sind gut erhältlich und lassen sich mit einem Handlötkolben verarbeiten.
Schaltung und Dimensionierung
Die Dimensionierung der Schaltung und der einzelnen Filter erfolgte mithilfe klassischer HF-Filterberechnungen sowie elektromagnetischer Simulationen der Streifenleitungselemente. Je nach gewünschter Funktion kamen unterschiedliche Filtertopologien zum Einsatz: Während für die breitbandige Entkopplung und Impedanzanpassung überwiegend Pi-Filter verwendet wurden, eignen sich T-Filter insbesondere für schmalbandige Signalpfade mit hoher Selektivität und guter Sperrdämpfung. Die konkrete Wahl der Topologie erfolgte jeweils unter Berücksichtigung von Einfügedämpfung, Anpassung, Bauteilverfügbarkeit und praktischem Leiterplattenlayout.
Zum Streifenleitungsfilter für 740 MHz gibt es einen ausführlichen Beitrag mit Details zum Entwurf und zur Simulation.
Anordnung der Funktionselemente
grün: 25 MHz Eingang
- oben Hochpass
- unten Quarzfilter
blau: DC Eingang
- oben Durchführungskondensator, Polyfuse, Z-Diode, Abblockkondensator, Tantal Kondensator
- unten links LED mit Vorwiderstand
- unten rechts Längsinduktivität, Kondensator nach GND, Längsinduktivität
gelb: Hochpass 739 MHz
lila: Bandpass 739 MHz
Mechanik
Der Aufbau wurde aus gefrästen Leiterplattensegmenten realisiert. Im Zentrum befindet sich die doppelseitige Hauptplatine aus 0,8 mm starkem FR4-Material, welche die eigentlichen Leiterbahnen trägt. Die Rückseite ist vollflächig kupferbeschichtet und dient gleichzeitig als durchgehende Massefläche. Die übrigen Gehäuseteile bestehen aus einseitig kupferkaschiertem Platinenmaterial mit einer Stärke von 1,6 mm.
Zur Dimensionierung der Gehäuseteile einschließlich der notwendigen Einschnitte und Steckverbindungen eignet sich beispielsweise das Onlinewerkzeug MakerCase. Nach Eingabe der gewünschten Abmessungen erzeugt das Tool DXF-Daten für sämtliche Einzelteile, die direkt für die CNC-Fertigung verwendet oder als Grundlage für weitere mechanische Konstrukionsschritte genutzt werden können.
Beim hier gezeigten Triplexer wurden die generierten DXF-Dateien anschließend mit FreeCAD weiterbearbeitet. Dabei kamen insbesondere die Ausschnitte für die SMA-Buchsen, die Laschen zur Befestigung, sowie zusätzliche Bohrungen hinzu.
Zusammenbau
Zunächst werden die Seitenteile mit der bestückten Hauptplatine verlötet, anschließend wird der Deckel aufgesetzt. Durch die umlaufenden Masseverbindungen entsteht ein Gehäuse mit guter Abschirmwirkung und hoher mechanischer Stabilität.
Messungen
Für die Bewertung eines Triplexers sind insbesondere die S-Parameter von Bedeutung, da sie direkte Aussagen über Anpassung, Einfügedämpfung, Entkopplung und Selektivität der einzelnen Signalpfade ermöglichen. Von besonderem Interesse sind dabei die Einfügedämpfung S21 im jeweiligen Durchlassbereich, die Rückflussdämpfung beziehungsweise Anpassung S11 an den Ports sowie die Isolation zwischen Referenz-, DC- und ZF-Pfad. Gerade bei QO-100-Anwendungen sind eine hohe Entkopplung zwischen 25-MHz-Referenz und ZF-Ausgang sowie eine wirksame Unterdrückung von Außerband-Störsignalen entscheidend für einen störungsfreien Empfang.
739,5 MHz ZF-Bandpass vom LNB-Anschluss zum RX-Ausgang
Die gemessene Einfügedämpfung S21 zeigt sowohl eine gute Selektion als auch eine für diese Filtertopologie akzeptable Dämpfung im Bereich der Mittenfrequenz. Insbesondere zu erwartende Störsignale aus dem Mobilfunkbereich knapp unterhalb von 700 MHz sowie Nahfeldsignale von 433-MHz- und 868-MHz-Anwendungen werden wirksam unterdrückt.
Im Durchlassbereich beträgt die Einfügedämpfung etwa 6,4 dB. Aufgrund der hohen Verstärkung des verwendeten LNB hat dies praktisch keinen merklichen Einfluss auf den Empfang des QO-100 Transponders. Im Gegenteil: Die zusätzliche Dämpfung wirkt sich sogar positiv aus, da sie den SDR-Eingang wirksam vor Übersteuerung durch starke Signale schützt.
25 MHz Referenzeingang zum RX-Ausgang
Die Entkopplung zwischen dem 25-MHz-Referenzeingang und dem Ausgang zum Empfänger beträgt bei 25 MHz mehr als 80 dB. Dadurch wird verhindert, dass das Referenzsignal direkt in den ZF-Pfad einkoppelt und damit den angeschlossenen SDR-Empfänger beeinflusst.
Selbst bei der ZF des QO-100 Schmalbandtransponders von 739,5 MHz liegt die Entkopplung noch bei besser als 53 dB. In diesem Frequenzbereich sind praktisch nur noch Oberwellenanteile der 25-MHz-Referenz zu erwarten, die durch die Filterstruktur, bestehend aus Hochpass und bandpass, wirksam unterdrückt werden.
Eine Übersteuerung oder Desensibilisierung des Empfängers wird damit zuverlässig vermieden. Auch im praktischen Betrieb zeigen sich beim Empfang des QO-100 Schmalbandtransponders keinerlei störende Signale oder spektrale Artefakte durch die eingespeiste Referenzfrequenz.
25 MHz Referenzeingang zum LNB
Der Signalpfad vom 25-MHz-Referenzeingang zum LNB ist durch das eingesetzte Quarzfilter äußerst schmalbandig ausgelegt – dies wird insbesondere anhand der hohen Auflösung der Frequenzskala deutlich. Mit den ursprünglich berechneten Bauteilwerten lag die Mittenfrequenz geringfügig oberhalb von 25 MHz (blaue Kurve). Durch eine leichte Anpassung der Serienkondensatoren konnte die Filtercharakteristik optimiert werden (braune Kurve). Dadurch wurde bei exakt 25 MHz eine Einfügedämpfung von lediglich 1,2 dB erreicht.
Gleichzeitig verbesserte sich auch die Anpassung am Eingang deutlich. Der Reflexionsfaktor S11 weist nun eine Rückflussdämpfung von über 20 dB auf, was auf eine sehr gute Impedanzanpassung des Filters hinweist.
Der Pegel der eingespeisten 25-MHz-Referenz sollte grundsätzlich nur so hoch gewählt werden, dass die PLL des LNB mit ausreichender Reserve sicher einrastet. In vielen Fällen ist es sinnvoll, am 25-MHz-Eingang zusätzlich ein 3-dB- oder 6-dB-Dämpfungsglied vorzusehen. Dadurch verbessert sich die Anpassung S11 weiter, und gleichzeitig gelangen am ZF-Ausgang in Richtung Empfänger deutlich weniger Anteile der 25-MHz-Grundwelle sowie deren Oberwellen.
Triplexer mit ZF-Filter verbessern den QO-100 SDR-Empfang deutlich
Ein QO-100 Triplexer ist eine zentrale Komponente für stabilen und störungsarmen Satellitenfunk über QO-100. Gegenüber herkömmlichen Aufbauten reduziert sich der Verkabelungsaufwand erheblich, wodurch das Gesamtsystem nicht nur kompakter, sondern auch deutlich weniger fehleranfällig wird.
Besonders bei digitalen Betriebsarten sowie schmalbandigem CW- und SSB-Empfang ist eine stabile Frequenzreferenz entscheidend für eine zuverlässige Funkverbindung. Zusätzlich verbessert eine integrierte ZF-Filterung die Empfangsqualität deutlich, da unerwünschte Signale und Störungen wirksam unterdrückt werden. Das ist insbesondere in der Nähe von Mobilfunk-Basisstationen oder anderen starken HF-Quellen von Vorteil.
Die Kombination aus:
- Referenztakt-Einspeisung
- DC-Versorgung über Koax
- integrierter ZF-Filterung
ermöglicht einen professionellen und gleichzeitig kompakten Stationsaufbau. Mehrere einzelne Baugruppen und zusätzliche Koaxverbindungen entfallen vollständig. Zwischen Transceiver und LNB wird lediglich ein einziges Koaxkabel benötigt, was den Aufbau erheblich vereinfacht und die HF-technische Betriebssicherheit verbessert.
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