《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(四)

2021年1月16日    21:03    热度:95 dbw     0 条响应   |  业余卫星 -> 业余无线电

业余卫星通信天线(下)

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)

        在前面几个章节,我们为大家介绍了业余卫星通信概述、业余卫星通信系统的基本组成等内容。本章将延续前一章节,接续介绍业余卫星通信天线有关内容。后续文章中,我们也将继续讨论业余卫星线性转发器、载人航天,以及更多如何寻找和跟踪业余卫星的技巧。

定向天线

        定向天线最主要的优点是有很好的增益和方向性,能将射频能量集中在一个方向。只要天线指向正确的方向,天线不仅能把信号发射到距离很远的卫星上去,同样也可以帮助我们接收微弱的卫星信号。对接收者来说,通过优化接收设备从而改善对弱信号的接收能力是很有意义的一件事。

        低轨卫星通信中,最常用的定向天线是八木天线。这种定向天线一种端射多单元阵列,由一个偶极子振子(驱动振子),和多个紧密的耦合寄生振子(通常是一个反射器和一个或者多个引向器)组成。反射器在偶极振子的后面,引向器放在偶极振子的前面,平行排列。八木天线可以是线性极化,也可以是圆极化。仅有一行振子的八木天线的线极化(无论是水平极化还是垂直极化)取决于振子的固定方式。当两个八木天线安装在同样的支撑杆上,安放成水平或者垂直极化,用正确的相位差(90°)结合起来,就是圆极化模式。

        八木天线的引向器越多,方向性越强,增益越高。但爱好者需要在增益和波束宽度间折中,增益越高,方向性越好,波束越窄。虽然40个单元的八木天线可能提供很高增益,但要它持续指向过境卫星就很困难。

        圆极化八木天线非常适合各种卫星通信,但不是不可替代。低轨卫星通信中,不论是线极化八木天线还是打蛋器天线,都能获得稳定的通信效果。但在高轨道(HEO)卫星通信中,要获得可靠的通信,则要求增益比较高,因此从VHF波段到1.2GHz和2.4GHz,通常使用由2副、4副、8副或更多副八木天线构成的,方位和垂直位置可控的天线阵列。

        用线极化八木天线能够成功是因为大多数卫星在下行链路使用圆极化天线,且运行姿态不断偏转,所以交叉极化的实际影响被这两个因素部分弱化了。

        你可以在网上找到便宜和简易的八木天线设计和组装细节。Richard Crow(N2SPI)发表过3篇文章,网址: www.amsat.org/amsat-new/information/faqs/crow/index.php

图1   一对安装在木质横杆上,由铁丝和木头自制的垂直极化八木天线

碟形天线

        碟形天线是八木天线的进一步发展。爱好者对它的兴趣几乎没有天线可以与之相比,因为碟形天线有3个部件:抛物面反射器、梁和馈源。制作者有多少,碟形天线的构建方法就有多少,这对爱好者来说是一个试验和修改现有设计的大好机会和重大挑战。

        但低轨卫星通信中不需要使用碟形天线,除非高轨道卫星(HEO)通信中,上、下行信号的频率都位于微波波段。比这低的VHF/UHF频段上,八木天线是更现实的选择。例如,要实现400MHz频段通信,碟形天线的直径最小要达到4.8米,风载和冰载对这种尺寸的系统安装和放置都提出了很高的要求;针对不同用途,爱好者还需要手动调整碟形天线的馈源和反射器。

图2   碟形卫星天线

馈线

        馈线在地球站通信系统中起传输信号的作用,通过它将天线接收的信号传给前端系统,前端输出的信号也是由馈线传输到天线;它的唯一目标是尽可能有效地把射频功率从一端传到另一端。因此馈线的质量和型号直接影响地球站通信系统收发效果和信号传输质量。

        尽管地面VHF中继器或扫描式接收机使用质次的馈线也能正常工作,但业余卫星通信功率微弱,馈线的损耗又随着频率的升高而增加,这些馈线用在卫星通信频段损耗非常大,所以地面通信可以使用的很多馈线类型不适合地球站通信系统。

        馈线的主要问题是损耗。每条馈线都会有一些固有损耗,一方面是因为导体的阻抗,另一方面是因为能量被用于使导体绝缘的电介质所消耗,还有一些损耗是因为小部分能量以辐射的形式从传输线以热能形式消耗了。

馈线上的损耗随频率和长度正比例增长而增加。馈线的能量损耗并不直接与馈线的长度成比例,而与长度成对数变化关系。如果有3%的能量在确定长度的一段馈线损失了,那么剩下能量的3%会在下一段同样长度的馈线中损失,依此类推。同时,随着频率增长,导体损耗(趋肤效应)和电介质损耗的增加,馈线的功率使用容量相应减少。如果电台输出50瓦功率,天线发射功率总会小于50瓦;天线接收的信号到达电台时也会减弱。

图3  射频同轴电缆

        所以有经验的爱好者使用低损耗的同轴电缆。这种馈线,特别是在VHF/UHF频段的损耗要比用于其他(主要是HF)业余通信活动的损耗低得多。在挑选馈线时一定要牢记馈线每百米的衰减值。因为,信号每衰减3 dB,大约一半的信号能量被馈线消耗掉了。虽然一定程度上行信号馈线损耗可以通过增大发射功率来补偿,但下行链路的微弱信号,馈线损耗无法弥补。

 编译:张宁  李英华  王孟  马晓莹

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