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走近EME通信实验   下篇
发表日期:2010-07-20 08:38:38 来源:《无线电》杂志 2009.03 作者:吴国光(BA7IA) 【 】 浏览:3652次 评论:0

要成功地完成EME通信,必须有一定的基本器材装备,如收发信机、天线以及附属设备等。这些装备的功能与整体系统所能发挥的能力有着密切的关系。从理论上讲,发射部分重点是大的发射功率,对于接收机而言,高的灵敏度和低的噪声是重点,而天线系统主要是高增益低损耗等。EME通信系统中,发射机的输出功率经由低损耗的电缆送至天线端,再由天线向月球发射。由于电波的路径非常长,并且月球反射波散开的面积非常大,接收天线只能收到很小的回波,接收天线输出的微弱信号经过前置放大器预放大以后,送到接收机进行变频、中频放大和解调,最后恢复出声音信号,输出供人或电脑进行信息判读。如上期所述,采用JT65模式进行EME通信,由电脑运算进行信号的调制和解调,操作者根据屏幕的信息进行判读,令EME的操作门槛大为降低,可以采用相对比较普通和简单的器材,即使你只有一根八木天线和几十瓦的功率,通过努力也可以享受EME通信的乐趣。

 

收发信机

 

需要一台VHF/UHF的全模式收发信机,当采用JT65B模式进行EME通信时,对机器的要求并不高,只要频率稳定、至少有USB模式就可以了。可以用ICOM的IC-910H、IC-820H和IC-746PRO等,还有KENWOOD的TS-2000E。在搜集资料的时候,我发现颇多的HAM使用HF收发信机配搭变频器的方式。变频器的工作原理是在接收时把VHF或UHF的接收信号和一个固定频率的本振频率相减,使输出频率落在28~29MHz的10m波段范围内,再用HF收发信机来接收这一信号。而在发射时则把HF收发信机所发射的10m波段信号和本振信号相加,输出成为VHF或UHF的信号,再用适当的放大器把信号放大,经过变频器的变换处理以后,就能够利用HF收发信机来进行EME通信了,可以不用重新添置VHF/UHF的全模式收发信机。HF收发信机以ICOM的IC-756PRO及以后的系列为多,或许这与这系列的机器具有DSP功能有关,还有KENWOOD的TS-850等,变频器为DB6NT生产的LT系列。有动手能力的也可以在网上找到制作资料自制一个。

 

天线

 

天线在EME通信系统中是最重要的一个部分,天线必须要有足够的增益,以提升有效的发射功率,同时增加接收信号的强度,天线也必须具有尖锐的方向性和低的旁瓣。一般操作在VHF或UHF的EME天线都采用高增益的八木天线阵列,比较流行的是四堆叠的八木天线阵列和两堆叠的八木天线阵列结构。当然,也有采用单八木天线的成功例子。大多成品天线都是宽带设计,性能最好的在频段中部,但EME所使用的频率集中在频段的低端,2m波的在144.200MHz以下,70cm波的在432.200~432.400MHz,有动手能力的朋友完全可以按照这些频段自己制作,省钱之余又有高性能,一举两得。

 

 

 


个人认为,使用2×5单元阵列比使用单个10单元八木天线有优势。为啥?从方向性方面想想,方向性越尖锐越能集中能量击中月球。把八木天线堆成天线阵列可以提高增益和方向性,但将八木天线摆在一起会产生彼此干扰的现象,因此天线之间的距离需要耐心调整,以求得到最佳的增益和方向性。天线阵列由多条八木天线组合,若分别输入信号会形成非常复杂的系统,一般采用功率分配器及电缆移相器等将输出功率做适当的分配,调整后再分别馈送到每条八木天线的输入端。频率高的天线结构比较小,并且增益容易做得比较大。因此,在居住条件比较狭小的日本,天线比较小的430MHz和1.2GHz等高频段EME通信比较活跃。1.2GHz频段以上的微波频段除了用八木天线阵之外,比较多的是采用抛物面反射式天线,抛物面天线的增益更大,方向性更好。抛物面反射式天线的增益和抛物面的截面积有关,所以,抛物面天线的增益能够做得非常大。抛物面天线的反射面并不需要用整块金属板制作,可以采用金属网或金属条来构成,只要反射网的网孔小于十分之一波长就可以。这样可以节省制作材料,使制作变得容易,同时,也可以大为减轻天线的重量,减少天线的风阻,减轻天线在架设、跟踪和定位等方面的困难。抛物面天线只要通过更换或者增加馈源就能改变天线的工作频段(当然增益和指向性等特性会有变化),而且通过旋转小小的馈源就能改变天线发射和接收的极化,这样就能更方便地跟踪调整天线的极化来减小法拉第旋转引起的信号衰落。因此,抛物面天线被广泛应用于EME通信。

 

 

天线的架设和跟踪

 

由于EME通信所用的天线波束很窄,因此,天线的架设必须特别考虑,以使架设的天线能经受不同环境的变化,天线的架设以坚固和稳定为基本原则。我查找了许多资料,总结出惯常EME通信天线的3种基本架设结构。第一种是固定架设。这是很多低配置电台或临时架设时的做法。如前所述,天线水平地(或以5°~8°的小仰角)指向月亮升起或者下落的地平线方向,可以得到6dB的地面增益,达致成功的QSO。这种架设方法最简单,而且天线在整个QSO过程中甚至并不需要进行调整,但这种架设方法QSO时间比较短,只在月亮升起或者下落0~12°这段时间进行(QSO时间约40min,若天线以7°左右的仰角安装,则QSO时间可延长到1个多小时)。

 

第二种是极轴架设。天线固定在一个主轴上,预先调整主轴安装仰角角度和月亮轨道平面相垂直(注意不是和地面垂直哦)的位置上固定好,这样只要单纯旋转主轴,就能在整个看到月亮的天空中跟踪月亮。由于月亮在天空的移动速度比较慢,大约每小时15°,因此,采用这种架设方法很容易用人工追踪月球,只要你有足够的体力跑来跑去调整天线的旋转角度就行了,这可是强身健体的好方法。就算用电动控制,也只需要采用一个天线旋转器,只要坐在Radioroom(电台室)里就能够随时控制天线对准月球,多爽!第三种是两轴架设。天线分别由水平方向(东南西北)旋转器和垂直方向(仰俯)旋转器控制(有的厂家把两个旋转器做在一起称为水平仰角旋转器)。采用这种架设方法的天线可以指向空中任意一点,这是最普遍的EME通信天线的架设方法。受欢迎的原因是建造的方法清楚明白,不像极轴架设那样需要设置极轴仰角角度(因为这个角度会随着月亮的轨道平面相对地球赤道面作不停地摆动而变化,每天大约有2°的变化量,因此,每次运用都要进行调整)。但是,两轴架设要有效地追踪月球,需要同时调整方向角和仰俯角。所幸的是随着个人电脑的普及,已经有HAM开发出利用电脑控制两轴旋转器的跟踪软件和接口,只要在软件中设置好电台所在位置坐标,软件会自动从网上下载标准时间和月球准确的轨道信息,软件即可自动计算和控制天线实时跟踪月球,在整个EME通信的过程中,甚至都不需要人去干预。通过改变下载输入的不同轨道参数信息,软件还可以使天线用于跟踪各种卫星,从而使天线很容易地用于进行卫星通信。有的HAM嫌用电脑控制麻烦,干脆在天线上安装一个小摄像头,通过人工操作旋转器使从摄像头上看到的月亮影像在屏幕中间,由于月亮在天空的移动速度慢,如此也能达到跟踪月亮的目的。但这种方法在有密云或雨天时就无法应用了。

 

 

 

 

馈线

 

经过月球反射回来的信号通常都很微弱,如果传输电缆损耗大的话,弄不好都给馈线损耗了。因此,连接的馈线必须采用发泡或超发泡低损耗电缆,如10D-SFA、8D-SFA、LMR400、Belden9913、10D-FB、RG-213U等型号的电缆,不能用RG-58或RG-8这样的普通同轴电缆。同样地,低损耗的传输同轴电缆可以把发射功率最大限度地传输到发射天线。另外,由于发射功率比较大,因此发射用的同轴电缆除了要求低损耗以外,还要能耐受较大的功率,通常发射同轴电缆采用如LAF4-50A、HRCAY-50-9等1/2寸波纹同轴馈管为佳。为了使电缆对电波信号的损耗最小,连接电缆的长度也应尽量地缩短。有一个经验数据是,若采用8D-FB的电缆,长度应小于15m,如果需要的电缆长度比较长,就要用更粗或者损耗更小的电缆。对于接收和发射采用不同电缆的安装方法,需要在天线端安装一个同轴开关,在发射和接收时自动切换到相应的电缆上,有的接收前置放大器内部带有此功能。

 

 

接收前置放大器

 

接收前置放大器除了用于补偿传输馈线的损耗以外,更重要的功能是提高信号的信噪比。因此,EME通信的接收前置放大器需要用一个小于1.5dB噪声系数和增益大于20dB的低噪声前置放大器。一般来说,所有的接收系统都有他自己的本底噪声,使用了低噪声的前置放大器后,机器的信噪比会大幅度的改善,这个对于弱信号能否成功解读很关键。低噪声前置放大器一般采用GaAsFET或HEMTFET等低噪声场效应器件制成,为了得到良好的效果,通常把放大器造成天线杆顶盒的形式,安装在离天线馈电端最接近的地方,并且,通常内部带有收发电缆的转换开关,通过收发转换信号控制开关对接收和发射信号进行切换。有些厂制的接收前置放大器是通过接收信号同轴电缆供电的,因此,不需要另外架设供电线路,使用非常方便。

 

线性功率放大器

 

一般的VHF/UHF全模式收发信机的最大发射功率只有VHF100W/UHF50W,为了达到EME通信所要求的发射输出功率,通常需要在收发信机后面加上一个线性功率放大器提升发射功率。EME通信要求入门级的输出功率要在200W以上,一些所谓的"大炮"电台的输出功率可达几千瓦级!功率放大器可以采用电子管或晶体管构成,VHF/UHF功率放大器厂制的和自制的都有,频率超过1.2GHz的就以自制的为多。由于EME通信采用CW和SSB模式,前者可以采用效率比较高的C类放大器,输出功率容易做得比较大,对电路的线性也没有特殊要求,有很多以前BB机发射机上的功率放大器模块可以利用。而后者则需要采用线性特


性比较好的AB类放大器,但电路的效率比较低,需要采用比较有效的散热方式,以提高放大器的稳定性。近年来,随着器件性能的不断提高,有动手能力的HAM采用大功率的并联FET管自制VHF的1000W和UHF的500W线性功率放大器已不是难事。

 

 

 

 

 

软件

 

用于EME通信的计算机辅助软件可分成两类,一种是月球跟踪和传播预测软件。在网上可以找到一些外国HAM编写的这类软件,大家可以到这些网站下载:

①N1BUG的"Z-Track",用于对月球的跟踪。www.g1ogy.com/www.n1bug.net

②GM4JJJ的"MoonSked",用于EME的传播预测以及跟踪月球。www.gm4jjj.co.uk/MoonSked/moonsked.htm

③W7GJ的"Tracker",用于对月球进行跟踪。www.bigskyspaces.com/w7gj/tracker.htm

④VK3UM的"EMEPlanner",用于预测太阳、月亮与地球的位置。www.ursa.fi/extra/ohjelmarekisteri/show_prog.php4?id=209&version_id=1&lang=en

⑤SebastianStoff写的著名卫星跟踪软件"Orbitron"也可用于对月球基本轨迹预计。www.stoff.pl/orbitron/files/orbitron.exe

⑥VK3UM的"EME2008",用于点对点的最佳窗口预计,"EMECalc"则用于系统性能的计算。www.vk3bez.org/vk3um_software.htm

另一种是通信调制/解调软件。比较有代表性的就是上期提到的由1996年诺贝尔奖得主K1JT编写的软件WSJT,软件下载地址:physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/。

WSJT软件所采用的JT65数字编码技术是专门为像在EME通道上所遇到的那些极端微弱信号的沟通而设计的,JT65数字编码技术是以现代信息论的数学理论为基础,传输的信息首先被格式化和压缩,在被精确压缩以后的信息流中插入用于纠错的RS(63,12)里德所罗门冗余码,然后码流再经过交错和格雷编码处理,另外,还在码流中加入一个伪随机"同步矢量"编码,用以精确校准收发编码/解码系统的时间和频率误差,使软件可以克服由多普勒漂移、EME通道延迟和误差等对信号的扭曲。最后把这些数据信息采用对65个音频载波进行频移键控的方式进行基带调制(其中64个音频载波用于传输信息数据,一个音频载波用于传输同步编码),让信息分布在一个广阔的音频频谱上(0~3000Hz),这一调制形式比幅度键控调制更有效率,比相移键控调制更能宽容频率的不稳定。通过这一系列处理以后的编码信号,再送到收发信机上通过SSB调制模式变成高频信号发射出去。经过这样处理的JT65数字编码信号具有强大的自我纠错和抗衰落能力,信号即使经过EME通信通道的深度衰减、衰落、干扰以及加入了改变幅度、频率和相位的"通道调制"噪声,也能从中解调出正确的信息。实践证明,在比CW信号低十几分贝的被埋入噪声之中的信号中采用WSJT软件,仍能正确无误地解调出信息,确实令人惊叹数字编码技术的神奇和伟大!

由于JT65数字编码所处理的是幅度恒定的连续音频信号,对于已调波信号的放大处理并不要求是高线性的,因此,处理调制后的JT65高频信号可以像对待CW信号一样,这样,功率放大器就可以采用效率比较高的C类放大器,放大器容易获得比较大的输出功率。

在WSJT最新版本的软件中,甚至还嵌入了一些天文计算,提供太阳和月亮跟踪的数据,EME信号的多普勒频移,天空背景温度等天文数据处理功能,操作上更加方便EME通信的应用。

 

 

一个典型的最小化144MHz频段EME电台

 

一条单水平极化VHF八木天线,其增益大约是12.5dBd(或大约14.6dBi),天线以极轴方式架设,用一个方位旋转器来跟踪月球。收发信机采用任何能操作在VHF频段的全模式接收机和发射机或收发装置。作为接收机需要有RIT或分开的VFO功能用于补偿多普勒频移。接收机应具有窄带的中频滤波器(例如500Hz带宽),采用内置或者外置的DSP将有助于改善收听微弱EME信号的信噪比。还要配备一台至少输出150W功率的功率放大器和一台少于1.5dB噪声系数的低噪声接收前置放大器。接收前置放大器要安装在天线输出端上,在发射时用继电器把前置放大器切换开,以避免发射的高电平信号损坏前置放大器。低损耗馈线电缆将会使接收机的信号衰减到最少,而且使传送到天线的功率最大化。有条件的可以用1/2寸波纹馈管电缆,以减低信号损失,甚至把接收和发射信号分别用两条电缆进行传输,以获得最好的效果。轻便的笔记本电脑用于运行WSJT软件,借助软件在电脑上完成QSO的全过程。

 

实践证明,如果一些EME通信的QRP电台,在掌握好时机的情况下,是完全可以和一些EME通信大台通联上的。本文的撰写得到了VR2KW的大力协助并提供宝贵意见,另外,还参考了www.hellocq.net上的其他HAM提供的一些资料和心得,在此深表谢意!

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Tags:EME 通信实验 责任编辑:yanhuo
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