《走近业余卫星通信》| 你的第一次业余卫星通信:它比你想象中更简单(三)

2021年1月16日    20:58    热度:45 dbw     0 条响应   |  业余卫星 -> 业余无线电

业余卫星通信天线(上)

by Keith Baker, KB1SF/VA3KSF, [email protected]

本文原题为《开启业余卫星通信之旅III》发表于《监测时报》

(Brasstown, NC 28902)

        通过前面两篇文章的介绍,很多业余无线电爱好者对卫星通信应该已经熟悉了。或许,他们开始尝试“打卡”每一个没有通联的Maidenhead区块坐标或者像短波爱好者一样尝试远距离通信。长时间的卫星通信,爱好者会越来越感到既举着天线,又拿着对讲机的辛苦。因此,建议经常通信的爱好者为自己的地球站搭建一个固定天线阵列,预算有限的初学者可以考虑使用全向天线。

        地球站使用全向天线可以省去天线驱动装置,也可以简化天线旋转器。在卫星迅速过境期间,爱好者就能集中精力去寻找和跟踪下行信号,但不是所有的全向天线都适用于卫星通信,所以本文将侧重介绍如何选择合适的地球站天线。

卫星天线

        在不具备“终极”装备:一个或多个安装在玻璃纤维架上配有方位俯仰角驱动的圆极化八木天线天线阵列的情况下,下文将介绍如何投入更少的成本,建立低轨卫星良好通信。

        大多数架设的方向性天线习惯指向地平线方向,这时卫星距离最远,下行信号最弱。当卫星运行超出天线接收范围时,即使卫星过顶时段也无法通信。

        并且,卫星为保持天线指向地球将持续缓慢偏转,连续的偏转,使其接收和发射天线的极化方式不断变化。这意味着,卫星翻转过境时,如果地球站天线不能匹配卫星极化方式不断变化,即使是大功率的上、下行信号也无法被接收。为了减少这些问题,卫星通信通常使用圆极化天线,便于极化方式切换。使用圆极化天线接收线极化,右旋圆极化 (RHCP)与左旋圆极化(LHCP)接收损耗只有3dB。虽然这个损耗约占上、下行链路信号功率的一半,但是使用线极化天线接收卫星信号的损耗大约有30-40dB。所以,很多相对简单的全向天线也被设计成具有高角度、圆极化的特性。

打蛋器天线

图1  打蛋器天线是一种适合低轨卫星通信的全向天线

        打蛋器天线由2个全波长钢性金属丝或管状金属环组成,互成90度接入,这样的结构会产生一个圆极化的辐射图。在金属环下,可以使用一个或者多个无源反射振子,使辐射图更大幅度地向上调整。经验表明,当反射振子安装在金属环正下方时,天线垂直方向增益最高;在水平方向,天线呈现出水平线性极化,可以接收地面VHF/UHF频段的微弱信号。随着仰角增加,辐射图呈现出更明显的右旋圆极化,这使得打蛋器天线成为卫星通信的理想天线。

图2   在打蛋器下加入反射振子会增加天线增益

图3    作者架设的打蛋器天线(KB1SF提供)

        卫星通信就是微弱信号下的通信。打蛋器天线虽然不能像长臂八木天线在水平方向上接收或发射最高强度(S9)信号。但采用较为合理的上行链路发射功率(通常低于25瓦)和安装在天线桅杆上的下行链路前置放大器(或者安装在室内,此时你使用高质量且足够短的馈线),在大多数卫星过顶(或临近过顶时)可以取得良好效果。卫星运行高出地球站地平线45~50度时,可以尝试使用打蛋器天线与卫星通信。

四臂螺旋天线

        卫星天线系统自旋,以及法拉第旋转效应,导致卫星信号极化不可测。这种情况下,采用线极化天线将会出现深衰落,但采用螺旋天线,这种衰落基本上可以得到消除。

        螺旋(helical)天线是一种具有螺旋形状的天线,它由导电性能良好的金属螺旋线组成。螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。当螺旋线的圆周长比一个波长小很多时,辐射最强的方向垂直于螺旋轴;当螺旋线圆周长为一个波长的数量级时,最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。这种天线有两个特性使得它在卫星通信非常有吸引力,第一个是天线为圆极化;第二个是在相当宽的频段内,具有可以预测的辐射图、增益和特征阻抗。

        四臂螺旋(Quadrafilar Helicoidal)天线是美国约翰普金斯大学应用物理实验室博士Kilgus于1968年提出的,最初是为早期太空探索的航天器设计的,之后人们对其进入了深入的研究。该天线具有心型方向图、良好的前后比及优异的圆极化特性,因此被广泛应用于卫星通信系统。

        四臂螺旋式天线(Quadrifilar Helix Antenna )一般由四条按特定规则弯曲的金属线条镶于圆柱形基材上,无需任何接地。每根螺旋臂的长度为四分之一波长的整数倍,天线可以看作是两股相互垂直于轴线的双臂螺旋线组成,其馈电相位相差90;四根螺旋臂馈电端的电流幅度相等,具有心形方向图、良好的前后比及优异的宽波束圆极化特性,波束宽度通常大于90度,由于处在谐振状态,螺旋线上的电流分布近似认为是正弦分布,电流零点位于螺旋线中间。所以,其中一条双臂螺旋线可以看作是一根线偶极子及一根半环偶极子组成,十分适合用作卫星通信的接收天线。天线体积相对较小,很容易用普通材料如铜管和PVC管建造。但是,器件的长度和间距必须非常精确,方能实现优异的圆极化特性。

图4   四臂螺旋天线

        一些业余无线电爱好者(以及其他对气象卫星接收感兴趣的人)在很多网站详细介绍四臂螺旋天线的设计和构造细节,和在线计算器,可以通过输入所需的谐振频率来计算天线的元件长度和间距。

林登布莱德天线

        美国无线电公司的Nils Lindenblad是林登布莱德天线的发明者。大约在1940年,他设计出采用4个同相等效接入的偶极子振子,每根振子与水平方向倾斜30°,等距安放在1/3波长直径的圆内。这种天线极化方式为圆极化,它的大部分增益出现在小仰角上,因此非常适合低轨卫星通信。

图5  林登布莱德天线

        由于该天线是一种全向天线,因此不必将天线对着卫星,也不必使用天线旋转器。鉴于此,林登布莱德天线在便携式或临时卫星通信中特别有用。网上有大量关于林登布莱德天线的文章。Howard Sodja(W6SHP)在上世纪90年代初撰写了针对接收卫星信号而对林登布莱德天线进行优化设计的系列文章:http://www.amsat.org/amsat/articles/w6shp/lindy.html。此外,Tony Monteiro(AA2TX)也介绍了他所设计的天线构造细节。网址: http://www.qsl.net/nwlarn/sat/70ParaLindy.pdf

编译:魏梅英  王孟  杨娟  张磊  马晓莹

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