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近地轨道卫星的通联捷径 转自2009年第2期《QST》(一)
发表日期:2010-08-10 14:01:24 来源: 作者: 【 】 浏览:6172次 评论:0

我们给大家介绍一种简单、花费少的方式来利用近地卫星(LEO)进行VHF/UHF段FM通信。许多业余无线电爱好者尝试使用他们的手持电台和伸缩天线来与近地轨道卫星通信,但结果往往令人灰心。大家可能手边已经有了所有需要的设备,只不过不知道怎样得到更好的效果。
在和卫星通信之前,除了必要的硬件设备,还需要一些必要的知识。这些知识在新版《ARRL卫星通信手册》或AMSAT的网站上都有详细的介绍。除此之外,还要知道上行和下行频率,这些频率是怎样以多普勒效应的形式转化的,以及何时会处于卫星的覆盖面下。在网络上,有一个多种语言的免费软件,可以提供这些信息。这个软件需要我们输入定位码、精确时间和卫星最新的开普勒轨道根数,这些在AMSAT的网站上也有。如果不想下载这个软件,也可以直接访问AMSAT网站,输入梅登黑德(Maidenhead)全球定位码,就可以得到到达所在位置的所有途径的清单。

需要的硬件
当我们知道何时、何地卫星在什么范围内,我们就要开始考虑用什么样的无线电设备和天线。三大类的配置可以用来与卫星通信:
1. 基本型:需要一个双段手持电台和可折叠的高增益鞭状天线。这样可以进行一些联络,但一般只有在卫星掠过头顶时才成功,而且不超过5分钟。这样的联络通常受到微弱的信号和噪音限制。但至少人们不用昂贵的花费就可以有机会来通联卫星。
2.中等型:是在基本型的基础上提升了电台的能力,使之可以在每一个路径都进行通信。增加设备能力固然是一个办法,但对于在这个阶段的手持设备而言,提高天线的能力是更加经济的方式。可以买到像“Arrow”这样的商业天线,但有更简单的方法自己来制作天线。我们推荐的IOio 2m、70cm的天线,在AMSAT出版的书刊里也有描述。IOio的命名来源于它的构成,它包括了一个2m的直线反射体(I),一个全波段环(O)和一个70cm的重复配置(io)。
3.高级型:一般使用2组交叉的八木天线,一个用于VHF、一个用于UHF。交叉或远程控制极化通常用来处理旋转卫星,而UHF接收系统通常包括一个低噪音预放大器。
对于基本型用户,必须努力从噪音中提取调音。虽然可能通联,但并不容易。对于中级用户,一般需要在卫星经过前用15分钟时间将天线架起,在卫星离开后再用15分钟时间将天线拆分。我们推荐的IOio会快一些,但的确比较占地方。另外,虽然接收很好,但5W的上行频率显得力不从心,尤其是在频率繁忙的时候。

更简单的方法
我们在考虑怎样在保持Arrow和IOio良好接收并可携带的前提下,改进刚才提到的三个不利点:提高上行频率水平、降低天线安装时间和减小设备体积。
ARRL教育协调员马克·斯宾塞(WA8SME)在AMSAT杂志上发表了一篇很有帮助的文章,他在文中分析了怎样通过近地轨道卫星成功进行上行通联和下行通联的最低条件。他得出结论:上行比较容易,但轻松获得下行频率通常很困难,尤其是在UHF频段上。他建议接收天线至少有10dB的增益和一根低损耗馈线,以保证在所有卫星路径上都可以操作。
以此为出发点,我们考虑了不同的方式来直接提高卫星通联效率。我们经常以汽车为基地用手持设备操作。在车顶用50W的VHF移动电台和一根1/4波段的鞭状天线。我们连续几周测试它的上行频率表现,发现它比5W功率配备指向性手持天线更好用。这种现象比较合理,因为我们用额外一个10dB的传输功率来补偿极化的改变。这应该是上行频率通路上更好的方式。

但是,额外增加的传输功率并不能帮助下行频率路径。我们需要一个移动或便携的、可以接收调频UHF下行频率的电台。我们还需要一根有足够增益的天线,可以从卫星接收足够信号,为无线电台的良好接收打下基础。我们本希望找到一个可以直接附在手持设备上的高增益天线,但除了伸缩鞭状天线外找不到更好的了。手持式天线的一个优点是它不需要有环形的或交叉的极,可以将直的天线绕手腕上,以得到最好的信号。
有一些现成的组件可以用,比如Arrow或者IOio。Arrow有4英尺长,即使减少原有的7个组件,我们还可以得到足够的增益。IOio的UHF部分有一个方形振子和一个仅8英寸长的线性反射子。据我们先前经验可知它有足够增益。但是我们必须证明,增益至少有10dB且辐射模式是合适的。

CJU天线的性能
我们根据经验,利用EZNEC软件为其他种类的天线建模。建模必须考虑到横向和纵向极化,因为在实际情况下,天线需要和旋转卫星的极化方式达到最好的吻合。坐标图是从自由空间获得的,至少比地面高出5英尺,这是我们用手持设备经常用的高度。我们之后会讲述为何我们将“半个IOio”命名为“CJU”。
图1是我们小型天线的详细构造图。图2显示天线在水平和垂直方向极化的SWR关系图。请注意当我们变极时并不会显著影响阻抗。图3显示了在自由空间的增益图,0°时的方位和海拔。图4显示了在地面以上的增益。这里我们可以清晰地看到当选择垂直或水平时它是怎样变化的,因为水平单元更受地面反射的影响。预计的增益在12.3和9.6dBi之间。根据WA8SEM的计算,这个增益比较适合与卫星通联。
有了手持天线,馈线的损失可以忽略不计。在与天线谐振的频率上,阻抗是超过60Ω的,导致了SWR在1.2:1左右。在卫星的整个频段上,SWR是1.4:1甚至更少,所以我们并没有无止境地追求SWR的完美。

CJU天线的制作
我们先从找材料开始。对于横梁,需要轻的圆形塑料,或者一个PVC管,其直径刚好和手持设备上的BNC接头大小匹配。还需要一个内径在0.4英寸左右的管子。胡安和他爸爸(EA4ABV)讨论过此事。他爸爸除了爱好业余无线电,还喜欢养金丝雀。胡安从金丝雀笼得到启发:雀笼里的塑料栖杆就刚刚合适。当然,也可以找其他可用的材料。
胡安只需要找些粗的硬电线来作天线的组件。他找到了一把废雨伞,伞布的骨架正好适合。他用了一小段RG-223同轴电缆将驱动组件和BNC接头连接起来。任何50Ω的同轴电缆都可以,因为电缆长度仅有4英寸。
胡安用了两个晚上制作了一个初步的天线形状。当他把它展示给彼得罗看并告诉他这是用金丝雀笼(Canary Jail)的一根横杆和废雨伞(Umbrella)骨架做的时候,哈哈大笑了一会儿,并马上将之命名为CJU。我们都怀有同样的问题:这东西好用吗?现在轮到彼得罗来测试它了,因为彼得罗是我们便携天线的“专家”。如果读者不相信这个天线,可以在他的网站上看到令人惊讶的录像。

CJU天线的实际使用
彼得罗用FM和SSB V/UHF卫星对CJU测试了几个星期,获得了令人惊讶的结果。只有大的Arrow天线才能与之媲美。这个天线有2个优点:一个高的dB/尺寸比,以及几乎可忽略不计的馈线损失。这天线表现得很好,仿佛有一个预放大器一样。用TH-F6从FO-29接收到的信号高达S-5,而且天线在全路径接收SO-50信号没有一点问题。
许多HAM已经有了车载电台和手持电台。如果再有一个CJU,就可以与卫星通信。车载电台可以提供有效的上行频率,而手持电台和CJU天线可以提供所需的下行频率增益。那些已经拥有了全模式车载台,比如ICOM IC-706或者YAESU FT-857/897系列和全模式手台的HAM,甚至可以通过近地轨道卫星完成SSB通信。
读者可以在题图中看到整个电台的全貌。对于上行频率子系统,用了一个50W的

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Tags:近地 轨道 卫星 通联 捷径 转自 2009年第 QST 责任编辑:aimy
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