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K Band Transmitter

Fabrication Responsibility:
Danny Orban, ON4AOD (Belgien)
Stefaan Burger, ON4FG (Belgien)
Peter Pauwels, ON1BPS (Belgien)
Philip Sanders, ON7IZ (Belgien)
Size:
270x200 (Transmitter)
120x200 (Oszillator)
Average Power Dissipation:
15 Watt (Transmitter)
1 Watt (Oszillator)

Inhaltsverzeichnis

  1. Geschichte
  2. Wieviel Leistung brauchen wir?
  3. Konzept
  4. Oszillator
  5. Untere Hälfte des Transponders
  6. Stromversorgung
  7. Obere Häfte des Transponders
  8. Antenne

Geschichte

Im April 1993 haben wir darüber nachgedacht, etwas auf dem Ka-Band für den Phase-3D Satelliten zu schaffen. Die ursprüngliche Idee war eine Bake. Es sollten ein paar Watt auf 8 GHz erzeugt werden, die dann mittels Varactor verdreifacht werden sollten. Diese Idee wurde Karl Meinzer (DJ4ZC) im Juli 1993 vorgestellt. Karl hat uns überzeugt einen Transponder anstatt einer Bake zu bauen. Als gröstes Problem stellte sich die Erzeugung der notwendigen Leistung dar: 30 dBm auf dem Ka-Band sind eine Menge. Die Verfügbarkeit von 1-Watt-Transistoren ermöglichte die Realisierung. Der Transponder wird von Stefaan Burger, ON4FG, und mir, ON4AOD. Die Verdrahtung und der Test der fertigen Endstufe wird von Peter Pauwels, ON1BPS und Philip Sanders, ON7IZ, durchgeführt. Die Flugversion der Hardware ist seit Juni 1995 in Betrieb und arbeitet zur vollen Zufriedenheit.

Wieviel Leistung brauchen wir?

Because of Doppler shift, the transponder will be switched on at apogeum only. So the path loss needs to be calculated for 47000 km. From this distance and the diameter of the earth we know that we need an antenna with a -3 dB beam width of 13.7 degrees. Converted into gain, this gives us 23 dB. We assume a receiver system noise figure of 2 dB. By the time this project will be operational, we will be able to get a noise figure well below 2 dB with amateur means. The receiver bandwidth was assumed to be 2400 Hz. Reducing the receiver's bandwidth to 1 kHz reduces noise power by 3.8 dB. The sky temperature is assumed to be 50 Kelvin. Some documents claim a sky temperature of 10 Kelvin at Ka-Band. This would result in 0.9 dB less noise power. The receiver antenna gain can be higher than the 35 dB used. 40 dB seems reasonable. Calculating a link budget with these parameters tells us we need 800 mW of power.

On top of the calculated link budget, we have a number of parameters that will further weaken the signal. Atmospheric losses losses are an estimated 0.15 dB/km for water vapour and 0.01 dB/km for oxygen. Rain is obviously another major cause of loss. A good estimate for absorption on 24 Ghz is 1 dB/km in the case of 5 mm/h rainfall, and approaching 10 dB/km in the case of 30 mm/h.

Konzept

Der Transponder ist ähnlich wie die Mode-L und Mode-S Transponder auf OSCAR 13. Prinzipiell sind das HELAPS-Transponder ohne Wiederherstellung der Amplitude. Das Modul ist in vier Teile gespalten:

  • Oszillator
  • Untere und
  • Obere Hälfte des Transponders
  • Netzteil

Oscillator

Der Oszillator erzeugt ein 65 MHz LO Signal. Die Schaltung sitzt in einer eigenen Box um den Temperatur-Einfluß von anderen Teilen zu verringern.

Untere Hälfte des Transponders

Die 10.7 MHz von der IF-Matrix und die 65 MHz LO vom Oszillator werden in diese Hälfte geführt. Ausgangssignale sind die 470 MHz ZF und 1200 MHz LO. Diese Platine enthält außerdem den Schaltkreis für das Clipping und das Bandpass-Filter für die ZF. Die Platine ist aus dem üblichen Epoxy-Material hergestellt, die meisten Filter sind Helicals.

Stromversorgung

Das Schaltnetzteil befindet sich in der selben Box wie die untere Hälfte des Transponders. Das Netzteil wandelt die 28 V des Satelliten in die benötigten Spannungen, auch die Endstufe wird hierüber versorgt. Der Entwurf des Netzteils ist von Werner Haas, DJ5KQ.

Diese Box sitzt auf der nächsten Box.

Obere Häfte des Transponders

This part is fed with 470 MHz IF and 1200 MHz LO. The output delivers 800mW on 24.048 GHz into the antenna. The circuit is partly built on pcb and partly in waveguide. The part from 470/1200 MHz to 7000 MHz LO and 2800 MHz IF is done on 0.79 mm Teflon. All filtering is done in microstrip. The tripler from 7 GHz to 21 GHz is partly microstrip - partly waveguide and the mixer is waveguide. Both the 21 GHz LO and 24 GHz output filters are waveguide. The final stages are again in microstrip: 0.25 mm Teflon with 6 mm aluminum on the back side to facilitate the mounting of the connectors and to allow sufficient cooling for the power transistors. These pcb's are fixed to an aluminum plate that covers the whole back of the module. This plate radiates the heat. All connectors at 24 Ghz are SUHNER 3.5 mm. All others are SMA.

The mixer delivers about -10dBm. From there we amplify with HEMT's to 11 dBm. This signal is amplified by two modules to 26 dBm and by the final to 30dBm. The drivers are HEMT's from Toshiba. They are actually specified up to 18 GHz but work well at 1.5 cm. Depending on the device, they give between 5 and 10 dB amplification. The modules are FMC2223P1-02 and FMC2223P5-01 from FUJITSU. They are internally matched devices that have internal power supply biasing networks. They will deliver 21 dBm at 12 dB gain and 28 dBm at 9 dB gain. Since they are matched for the 22.4 to 23.6 GHz region, we lose some of the performance. Fuji was so nice to test a batch at our band for us, and have come up with an actual decrease in gain of 3 dB. This can be partly compensated by external tuning. The final stage is the prototype of a new type of transistor from RAYTHEON. It's a 1 Watt PsHEMT, with a typical gain of 7.0 dB (at 2 dBc) from 20 to 25 GHz. We mounted the devices on standard 5880 Rogers substrate and obtained very good results.

Antenne

Although a dish looks promising, there is a problem with the feed. Both horn and waveguide feeds are mechanically weak and might not survive the launch. A Cassegrain feed is good but not suited for this small a dish. The hyberboloid would block too much of the primary reflector and thus reduce efficiency.

A horn with a 13.7 degrees beamwidth at -3 dB, a gain of about 23 dB, would have an aperture of 7 by 10 cm and a length of 22 cm. We have the flight version of the horn. It is a 26.5 dB gain horn. It is compensated for equal E and H planes and reduced sidelobes. Because of this the - 3dB points are close to those of the 23 dB horn. Also, with 40 cm in length, the feed point is close to the bottom of the module where the output is. This saves on coax.


Created: 1996-02-06
Updated: 1996-02-06
by Ralf Zimmermann,
DL1FDT
This URL: http://www.RalfZimmermann.de/phase3d/k_tx.ger.html