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如何接收低軌氣象衛星訊號

No.14   1994 Feb.   p92~103,   by 林茂榮 / BV5OC, 彰化郵箱 575 號



    以業餘的角度來看,從事接收低軌氣象衛星訊號時,常碰到的難題不少,其中有些要靠運氣,例如你所在地沒有干擾訊號;有些必須具備客觀的條件,例如張羅足夠的設備。

    當然,最重要的是熱心不可少;不過,以我近十年的經驗中,最大的問題是:選擇合適的接收天線、接收機的頻寬、系統的校正、及好用的軟體。

    這些問題當中,隨著科技進步,有些已經自然解決了,像是個人電腦發達,顯示圖像比以往方便許多,而好用的衛星追蹤程式也出現不少。

    看來對有志於了解及從事低軌氣象衛星接收的朋友,最需要的是:如何選擇合適的天線、低軌氣象衛星傳送氣象圖片的原理、以及如何有變通的辦法,使用一般接收機來接收低軌氣象衛星訊號,同時能夠有一良好的接收校正系統。

    針對這些問題,本文以深入淺出的方式介紹,一位業餘無線電愛好者,從事低軌氣象衛星接收的經驗;包括如何選擇適合的天線,及自製接收低軌氣象衛星訊號的天線。

    另外,這些氣象圖片是如何從低軌氣象衛星發出的、使用什麼樣的調制方式、如何更改一般接收機的頻寬,使它在接收低軌氣象衛星訊號時,既不會使訊號失真,又不會容易受干擾等,都是本文所要討論的範圍。



低軌氣象衛星天線的極化

    最近發現不少人在討論衛星上的天線極性,很多人對衛星上的發射天線極性的認知模糊不清,下面我們試著來做說明,希望可以澄清某些觀念。

    我們知道,衛星內通常都各備有兩部發射機以上,一般兩部發射機的輸出,會透過併合線路 (HYBRID),接到衛星的十字形交叉 (TURN-STILE) 天線。

    兩部發射機的輸出,接到天線饋送點上,是彼此呈反相的,也就是相位差 180 度,這可以方便交替使用不同的發射機。這樣一來不就一清二楚了嗎?也就是每枚低軌氣象衛星訊號,都有可能是右旋圓極化,或左旋圓極化訊號,這要看是使用那一部發射機而定。

    換句話說,當地面指揮台控制低軌氣象衛星改用發射機時,也同時變換了訊號極化。因此,在這裡毫無「正常極化」可言,就算當初在設計時,也沒有刻意去安排要使它右旋圓極化或左旋圓極化。

    低軌氣象衛星的主要目標之一是,讓地面電台使用簡單的無指向性天線就可以接收,因此,訊號的右旋圓極化或左旋圓極化,也就被淡忘了,實際上,也不需要刻意去安排。

    如果使用圓極化天線接收,當極化不完全匹配時,可能訊號強度會有好幾 dB 的差別。當低軌氣象衛星底端,正指向接收點時,訊號最強 (NOAA. 系列十字形交叉天線是指向北半球,而 METEOR 系列的十字形交叉天線則指向南半球)。

NOAA-9 137.62MHZ LHCP
NOAA-10 137.50MHZ RHCP
NOAA-11 137.62MHZ RHCP
NOAA-12 137.50MHZ LHCP
METEOR 3-2 137.30MHZ RHCP
METEOR 3-3 137.85MHZ LHCP
METEOR 3-4 137.30MHZ LHCP
METEOR 3-5 137.85MHZ RHCP

    除了這些特性外,一般其他因素的影響,會使衛星訊號的極化呈現不規則。如果使用可切換極化的圓極化天線,可以在衛星繞經時,切換右旋圓極化及左旋圓極化,並觀察其間的訊號強度變化。

    尤其是當低軌氣象衛星正處頂端時,可以置右旋圓極化幾秒鐘,左旋圓極化幾秒鐘,觀察接收機的訊號強度指示,馬上可以知道當時衛星訊號的極化 (我觀察約有 S5 的差別)。

    一般說來,我習慣參考下列的記錄做為接收低軌氣象衛星訊號的極化參考:


天線極化選擇器

    高頻通訊時,因為在電磁波經過電離層時,電波的極化特性往往被破壞殆盡,毫無痕跡可循,因此在高頻通訊時,很少會提到電波的極化問題。

   但接收低軌氣象衛星訊號時,當衛星出現 (LOS; Line Of Sight),要地面電台的天線極化與衛星訊號一致時,才能接收到最強的訊號。

    天線的極化可以說是根據它與接地的位置來決定的,其實,訊號的極化也是根據相同的參考接地做定義的。

    一只天線若是頂立在接地面上,我們稱它輻射的電波為垂直極化,而若與接地面平行的天線則稱為水平極化。

    假使接收的天線與電波的極化相反,我們稱為極化交錯,若發射與接收天線的極化交錯,則訊號強度大為衰減,其程度可以達到 20 至 30dB 左右。

    換算成比較熟悉的說法,就是訊號強度減少了大約 100 倍到 1000 倍,這足以使聽來滿強的訊號,變成幾乎無法接收。

    因此若要有效率的訊號轉移,接收與發射雙方,要有一致的極化。而針對地面電台來說,若要有效地接收低軌氣象衛星訊號,必須能與衛星訊號極化一致。

    很可惜的是,軌道運行中的衛星相對於地面某一點來說,它是不斷地變換姿勢,尤其是繞極低軌道衛星,這變化特別快,因為它的速度可以高達每分鐘數百公里。

    所以要保持與低軌氣象衛星訊號極化一致,地面電台就必須俱備各種不同極化的天線,包括水平、垂直、右旋、左旋、45 度直線、及 135 度直線等六種不同極化。


天線系統切換極化的實驗

Fig 01
圖 1:供作改變天線極化的接線盤

    圖 1 是一個方便實用的方法,可以供給頻率達 500MHz 使用。使用的接頭都是供基座使用的 BNC 座,以線路板的銅面為接地,BNC 接頭接地點就直接焊在上面;BNC 與 BNC 之間的同軸電纜接點,要盡量靠近 BNC,使阻抗能保持 50 歐姆,若沒有把握,可以在焊妥後檢查這些接點,在 BNC 頭上接個駐波比錶測量看看。

    而銅板面也提供 7 與 8 點之間,兩條同軸電繞的隔離網線接點。若是沒有把握同軸電纜的速率因子,可以利用陷波錶測量,先找出二分之一波長,再對等切割,就是四分之一波長;若使用的是全新的 0.88 速率因子的同軸電纜,這長度大約是 48 公分,若速率因子是 0.66,長度則為 36 公分 (上述是以 137MHz 為中心頻率)。
Fig 02
圖 2:左旋極化原理
Fig 03
圖 3:右旋極化原理


接點說明

    P1 點=垂直極化:BNC 1 及 BNC 2 之間使用一極短的跳線 (約 8 公分) 連接,垂直天線的饋送線則接在 BNC 1 上,BNC 2 則是接往接收機。

    P2 點=水平極化:接法與 P1 相同,只不過 BNC 1 上是接水平天線饋送線。

    P3 點=左旋極化:接收機是接在 BNC 5 上,此時 BNC 5 與 BNC 4 及 BNC 6 之間都連接有一條四分之一波長的 75 歐姆饋送線,其原理參看圖 2。

    P4 點=右旋極化:接收機是接在 BNC 5 上,而垂直天線饋送線接在 BNC 3 上,這可以加入一條二分之一波長 50 歐姆的延遲線,水平天線饋送線保持在 BNC 6 上。其原理參看圖 3。

    P5 點=45 度線性極化:接收機是接在 BNC 8 上,水平天線饋送線接在 BNC 9 上,這可以加入一條四分之一波長 75 歐姆的匹配線。垂直天線饋送線則接在 BNC 7 上,這介入了都是四分之一波長的 50 歐姆及 75 歐姆的匹配線。

    P6 點=135 度線性極化:接收機依然是接在 BNC 8 上,水平天線饋送線與垂直天線饋送線的接法與 P5 相反。




Fig 04
圖 4:水平元件興垂直元件的相位相差 90 度,水平及垂直元件前後相距四分之一波長,可以產生圓極化波。

圓形極化波

    什麼是圓形極化波?怎麼產生?簡單的說,就是電波沿著一固定軸旋轉前進。如把元件交叉的定向天線,安排成水平元件與垂直元件的相位相差 90 度 (把水平及垂直元件前後相距四分之一波長,參看圖 4),就可以得到圓形極化訊號。

    基本上,圓極化訊號與水平極化訊號或垂直極化訊號可以相容,其間的訊號強度相差約 3dB 左右。針對衛星通訊來說,採用圓極化天線最適合,就像上面討論過的低軌氣象衛星,訊號都是圓極化的。


氣象傳真校正訊號產生器

    氣象傳真簡寫為 WEFAX,它是一種透過無線電來傳送氣象傳真圖或衛星氣象圖。

    利用無線電來傳送的氣象傳真圖,基本上有三種調制方式。其一為 AM SUB-FM,像是高頻 (HF) 內的氣象傳真圖,就屬這類型。它就是把氣象傳真圖的資料,以調頻的方式為副載波,把圖片的黑白表現出來,再以此副載波以調幅的方式調制在高頻上。

    另一種方式是 FM SUB-AM,像是 VHF 的氣象傳真圖訊號。它以 2400Hz 為副載波,而影像以調幅 (AM) 的方式對 2400Hz 進行調制,然後此訊號再以 FM 調制方式在 VHF 波段內 (頻率通常是介於 136MHz - 138MHz) 由低軌繞極衛星向地球發射。

    至於更詳細的相關資料可以參看 ARRL 每年出版的年鑑手冊 (The ARRL Handbook For The Radio Amateur),及氣象衛星實驗參考手冊。

    過去數年當中,很高興能從美國及前蘇聯所發射的氣象人造衛星中,接收自動影像傳輸系統 (APT; Automatic Picture Transmission) 的影像訊號,但是因為接收系統都屬自製,所以沒有很理想的校正系統。

    經過多次被訊號笨拙地玩弄後,我深深地體會到,非要有一個校正設備不可。但是市場上無法買到氣象人造衛星傳真灰調畫面訊號產生器 (WEFAX GRAY-SCALE GENERATOR),因此只得自製,所以有興趣或正從事氣象人造衛星的氣像傳真訊號接收者,相信對此製作會感興趣。


為什麼需要灰調校正訊號產生器

Fig 5a

圖 5(a):傳統的接收機附有圖鼓可以直接使用碳紙描出。
Fig 5b

圖 5(b):可以配合監視器顯示圖照的解碼器。

    好的傳真接收系統,必須能夠很完整地把圖片上介於黑白之間的灰調表現出來。如果沒有標準的灰調訊號產生器,那麼系統是處於何種狀態,就無從明瞭起,是表現正常或有偏差呢?

    根據我的經驗,市場上無法找到可以產生低軌氣象衛星 (FM SUB-AM) 的訊號產生器。我曾經使用過電子機械式及數位儲存式的氣象傳真訊號接收系統,參看圖 5,但只有數位系統內才有灰調訊號產生器提供校正。

    遺憾的是,即使有校正系統,往往並非真正從輸入端載入校正訊號,而是在電子線路的後端輸入,這就變成只校正了系統的一部份,也就是數位線路;而類比部份則往往不得而知。

    因此我常碰到一個問題,系統校正時沒問題,接收效果卻不怎麼理想。我想那一定是訊號強度方面須要校正,也就是說,系統內的校正只做到了一半,因為我不能保證在怎麼樣的訊號強度之下,才可以把灰調表現得恰到好處。

    這使我不知如何是好,想要懷疑系統本身的校正嗎?或者是乾脆利用 NOAA 或 METEOR 系列衛星所傳送下來的 8 階灰度校正訊號來校正?


我想出的解答

Fig 5c
圖 5(c):自製的傳真解碼器,可以由列表機印出。
Fig 5d
圖 5(d):插在個人電腦內的介面卡,可以利用個人電腦的高解析顯示及影像處理的優點。

    既然商品中無法找到灰調訊號產生器,我決定自行設計一個線路,以彌補其中之缺憾,當然要自製,就必須認定,且死抱「越簡單越好」 (KISS) 這個原則。可是也總得滿足一些基本的要求。例如電子零件要容易取得才行、線路也毋需特殊的屏蔽及結構才屬方便。

    而以操作觀點來看:它必須容易使用及校正。針對技術性需要而言:它最好是能以石英晶體提供時基,可保持長期 (LONG-TERM) 的穩定性,同時還可提供各種不同的傳速與灰調層次訊號。

    表面上看來,KISS 原則好像難保,因為上述的要求還算複雜,但是經過多次的的考慮與重新設計,最後的線路設計總算離 KISS 原則不很遠,還算簡單而直接,只要有基本的數位邏輯常識,便可以貫穿整個線路,然而在未進入此製作主題之前,我們先來看看如何產生校正用的灰調訊號。


如何產生標準的灰調訊號

    我們先想看看,假設這個灰調校正訊號產生器已經做好,那麼打開電源開關之後會是什麼樣子?

Fig 06
圖 6:灰調產生器輸出的標準校正訊號。

    參看圖 6,輸出就是不斷地重覆如圖 6 所示的波形。它以線性的方式,從小到大,產生由黑到白的訊號,其中每個灰調訊號,不論層次或長度,均極為準確,這樣的訊號,如到接收系統的訊號輸入端,便可以在圖鼓 (Drum)、螢幕、或其他輸出裝置上,產生條紋測試圖案。

    首先讓我們先檢視一下在氣象衛星傳真的接收系統中,所可能碰到的參數。

    在氣象衛星傳真中有兩種主要的傳速:120 或 240LPM (Lines Per Minute),因此,這個校正訊號產生器,也必須提供這兩種傳速的訊號。另外為了實際校正目的,灰度的層次應該有 8、16、或 32 階。因為超過 32 階已屬於於人類眼睛所能夠分辨的範圍之外,行話就是已超過靈敏度,所以沒有很大的意義。至於 8 階對大部份圖像而言,顯然不甚理想,但是若能夠從 8 階校正起,對整個校正工作會更方便。

    另外,一般 APT 的 AM 調制,是以線性方式,從大約數個百分比調制深度的黑色,到幾乎百分之百調制的白色,因此這個標準灰調校正訊號產生器的輸出訊號,也必須依循這個原理。

    屬美國發射的 NOAA 氣象人造衛星上,其 2400Hz 的副載波訊號是取自於與原子鐘同步的標準頻率,因此對於頻率的穩定性大可放心,所以此校正訊號產生器的 2400Hz 也必須只能有±0.01Hz 的誤差,並且得保持在這個範圍內,否則,以此校正儀提供的訊號所產生的畫面條紋,便會有傾斜的情形。

    以上所提到的就是這個校正訊號產生器所要做到的重要規格。接下來我們就看看電子線路如何完成這些使命。


電子線路

    參看圖 7 (58k), U1 做為石英晶體振盪線路,振盪頻率為 2.457600MHz。U2 是一只計數器,它提供「除 4」的功能,可以把振盪頻率降除為 614400Hz,並從第 7 腳輸出。

    另外從第 14 腳可以得到除 1024 之後的脈衝,也就是頻率 2400Hz 的訊號。它可提供視頻訊號的副載波 (SUB CARRIER),此訊號經其他線路處理之後,被視頻訊號調制,以產生灰調的校正訊號。

    另一方面,614400Hz 訊號經由 U3 除 3 成為 204800Hz,再經由 U4 除 100,成為 2048Hz。調制的深度與周期的精確,都是由這個 2048Hz 訊號配合 U5、 U6、U7、及U8 完成的。

    為什麼是 2048Hz 呢?還記得嗎?此校正儀必須提供兩種傳速,120 及 240LPM。而 U7 是 2716 EPROM,它是存放產生階梯波所須要的資料,而且存放的內容剛好是一個掃描行,也就是在 2716 EPROM 的 512 位元中所存放的資料,可提供 240LPM 傳速下的掃描。

    傳速 240LPM 轉換成每秒鐘的話,就是 4LPS,也就是每秒鐘要對 512 位元位址掃描 4 次,以產生 240LPM 的傳速訊號;也就是須要 512 x 4 = 2048Hz。

    同樣道理,如果傳速是 120LPM,那麼掃描的時脈頻率就是 512 x 2 = 1024Hz,至於實際頻率的選擇,就由 U5 的正反器 (FLIP-FLOP) 來決定。

    Q1、DS1、及 SYNC OUT 端點,製作完成時,可用來幫忙校正此校正儀。U6 上的輸出可打開 Q1,因此 DS1 就會隨著所選的傳速而閃爍。

    觸發訊號可以讓你在示波器上監視此校正訊號時,讓示波器很容易可以取得同步。數位/類比轉換器 (DAC; Digital-Analogue Converter) U8 可以產生一個以 U7 送進來的資料成正比的電壓。

    在這裡,U7 的資料是 00 的話,U8 的輸出電壓是 0V,而 U7 的資料是 FF 的話,U8 的輸出電壓是 5V。U9 是直流放大器 (DC Amplifier),它呈現梯形狀輸出,從 0V 到 -5V,在這裡,每一個階梯代表不同的灰度,介於 U9 第 2、3 腳之間的二極體頗為重要,它可以防止當電源的電壓供應不穩時,輸入電壓降到 -0.6V 以下,U10、U11、及 U14 為反相器及電壓位準的轉移。

    階梯波到了 U14 的輸出時,已經落在±5V 範圍內,此訊號被送往 U13 的偏流輸入腳,U13 是互導運算放大器,在這裡做為振幅調制器。第 6 腳的±5V 階梯波是調制波,那麼載波從那裡來呢?當然是來自 U2 的 2400Hz 訊號,它經過 U12 組成的帶通濾波器之後,便成為正弦波,而供給 U13 使用。因為 U13 的輸出大小是隨著偏流而改變,也就是透過這個原理,進行振幅調制。

    這個偏流是來自直流階梯波訊號。因此 U13 產生了一個由 8、16、及 32 階對 2400Hz 進行調制的灰調訊號。調制器的輸出再送到直流放大器 U15,在這之前先經由電阻 R3 以便控制增益,使得輸出的振幅大小可以從 0V 到 8V 峰值Vp-p 之間調整。此處的輸出阻抗是 600 歐姆,非平衡式。


製作

Fig 08
圖 8:供製作此校正訊號儀用的線路板。

    製作此校正儀並沒有任何的特殊要求,唯一要特別注意的是,電源極性一定要接對,尤其是 +5V 及 +12V。

    +5V 供給 U5、U6、U7、及 U8,如果 +12V 加到 U6 及 U7 上,後果不堪設想。尤其 U7 是 EPROM,若被加上 +12V,勢必燒毀此 IC,所以建議你使用 IC 座,這樣萬一有問題,更換 IC 時容易進行。同時在有任何因電源所引發的問題,都可以事先預防。因為在插入 IC 之前,可以逐一先在 IC 座上確定電源腳。參看圖 8,是製作此校正訊號儀的線路板。


校正

    此灰調校正訊號產生器,所需要的電源是:±12V/35mA 及±5V/60mA,電流的消耗大小可能會因為零件不同而有稍許差異,但總該不會有百分之十以上的差別。

    為了校正工作能夠順利進行,必須準備三用電錶、計頻儀、及示波器。

    首先把 R1 到 R5 的所有 10 圈可變電阻,都調到中央位置;在插上 IC 之前,先確定各 IC 座上的電源電壓都正確無誤後,才可以插上所有 IC,當然要記得,在插上 IC 之前要把電源關掉;IC 插妥之後,再檢視一遍;確定無誤之後,重新加入電源。保持靈敏的感覺,看是否有 IC 過熱的情事發生,如果一切還好,可進行下面的步驟。

    現在用計頻儀,先監測 U1 第 3 腳的輸出,是否為 2.457600MHz,如果有必要,可以說整 C1,使頻率輸出達到我們的要求。假如無論如何調整 C1,都無法達到此頻率值的話,可以考慮做下列的嘗試。更換另一只 U1,幸運的話,也許問題就這樣解決了。

    如果仍然不行,而且頻率太高的話,可以在 C1 並聯另一只電容,如果頻率太低的話,可以把並聯在 C1 的 22pF 電容拿掉,相信這可以解決頻率調整的問題。

    為了此灰調訊號產生器能夠保持一定的水準,此 2.457600MHz 的時基頻率應該盡可能保持在±10Hz 範圍內。

    監測 U2 的第 7 腳,頻率應該是 614400Hz,而順利的話,U2 的第 14 腳應該是 2400Hz,至於 U6 的第 10 腳上,如果傳速選擇 120 LPM 的話,應該是 1024Hz,否則應該是 2048Hz。

   這個時候,應該看看 DS1 是否以和傳速相當的頻率閃爍著,也就是 120LPM 傳速,DS1 應該每秒閃爍二次,而 240 LPM 會快些,是每秒 4 次。如果 DS1 不閃爍,首先確定 DS1 的好壞,正常的話,那問題一定出在 U6 或 U7。

    把示波器垂直靈敏度設定在 2V/ 格,然後監視 U12 的第 6 腳,並調整 R1,使得輸出的波形為對稱的三角波。這表示此濾波器的中央頻率已落在 2400Hz。此後 R1 就不須要有任何的調整。接下來示波器所要量測的訊號並非連續的周期波形,因此必須解決同步的問題,這可以使用示波器的外部觸發,這也就是為什麼此灰調訊號產生器會留有 SYNC OUT 的原因。

    把示波器的同步觸發源選擇外部,掃描時基設為 50 毫秒,垂直靈敏度定為 0.5V,觸發極性設為 "+",灰調的階度選擇 8,此時觀看 U9 第 6 腳的波形,應該可以看到一個從 -5V 到 0V 的 8 階梯形波,它或許會有一些晃動,但只要稍許的調整示波器,應該可以監看到極為穩定的梯形波。

    改變示波器垂直靈敏度成 1V,然後監測 U10 第 6 腳,可以發現同樣是梯形波,不過此時的梯形波是介於 0-1V 之間,再次改變示波器的垂直靈敏度為 0.5V,此時監看 U11 第 6 腳的梯形波是介於±0.5V,如果不是的話,可以調整 R5,使梯形波以 0V 為中心線,±0.5V 為邊緣,呈對稱狀。

    示波器的垂直靈敏度設為 5V,監測 U14 的第 6 腳,梯形波應該是±5V 為範圍,而以 0V 為對稱中心,如果不是這樣,可以調整 R3。

    以上是檢查梯形波產生線路及電壓位準的轉換線路。

    接著把示波器垂直靈敏度設定為 0.2V,並檢視 U13 第 6 腳的波形,發現呈對稱的梯形波。把示波器的時基切換到 0.5ms 的話,在梯形波內可以發現 2400Hz 的載波。

    把示波器的時基設為 20ms,垂直靈敏度為 1V,一面監看 U15 第 6 腳,一面調整 R4,使得監視的波形以 0V 基線為中心,而呈完美的對稱。如果振幅不相稱,可以調整 R2。

    現在把灰調開關設為 32 階,如果有必要的話,調整 R5,使梯形波的第一階幾乎從 0V 起步,但比 0V 大一些,這一步就代表黑色,而第 32 階則代表白色。再利用開關 S2,把灰調在 8、16、及 32 階之間變動,並從示波器上確定都出現了適當的梯形波。記得 R5 是決定黑色的水平深度,所以不要調得太深,否則你可能會失去剛開始的幾個階調。

Fig 09
圖 9:灰調校正訊號產生器完成時的樣子。

    參看圖 9,是此灰調校正訊號產生器完成後的樣子。此灰調校正訊號產生器的輸出阻抗非常的低,輸出的振幅可以在 0~8Vp-p 之間,適用於絕大多數的氣象傳真接收系統。

    我並沒有預設此校正儀用在何處,所以並沒有特別做輸出的匹配,只是把輸出阻抗壓低到可以接用任何系統。另外,建議在拉出輸出訊號時,採用隔離線接到傳真接收系統,以避免不必要的干擾。

    現在你已經有一個真正可以校正傳真系統的校正訊號了。相信它一定可以幫你很大的忙,可以隨時讓你接收到幾乎完美的氣象傳真圖。


自製簡易十字形接收天線

    前面已經討論過天線的極化問題,現在我們打算分別自製一簡單的接收天線,及一具有指向性的天線,這兩只天線都屬圓極化天線。

Fig 10
圖 10:簡易自製接收天線。
Fig 12
圖 12:完成後的簡易接收天線。

    越來越多的業餘無線電愛好者,喜歡接收低軌氣象衛星訊號。這裡提供一只容易自製的簡易接收天線,參看圖 10,它是以 137MHz 為中心頻率,我曾使用過各種的相位補償方式,讓天線產生左右旋圓極化,當然技術上沒有什麼問題,但是使用上倒是有些不方便,因為交錯極化現象會使訊號強度衰減 100 倍以上,使接收中斷,因此這天線我就使用幾乎無相位匹配的接線方式,架好啟用後效果不錯。

    材料可以使用鋁管,支撐桿選用直徑 3 公分左右,天線元件的直徑可以是 1 公分左右,U 形固定環可以在五金行買到,支撐桿也可以改用塑膠管,參看圖 11、圖 12。

Fig 11
圖 11:製作接收天線的細節。



自製十字形定向接收天線

    接收低軌氣象衛星訊號的成功關鍵在天線系統,然而許多業餘無線電愛好者,無法從系統性做考慮,只在其他方面下功夫,把天線系統擺一邊,等到最後才來解決天線問題,這有點本末倒置,應該一開始就認真考慮天線系統才對。

    第一件要考慮的是天線的極化,雖然電波的極化是以與參考接地的交角來定義,但是架設在地面的話,通常是以天線元件的面來定義。

    大多數點對點的通訊採用水平極化,因此發射及接收天線都是水平架設,家用電視訊號就是典型的例子。而牽涉機動車輛通訊的系統,因為垂直天線在機動車輛上比較容易架設,所以通常採用垂直極化。

    要發射與接收都採一致的極化才能有最好的通訊效果,如果通訊雙方極化彼此相反,我們稱它為極化交錯,這會使訊號大大地衰減。

    從低軌氣象衛星接收訊號,也會碰到這類問題,因為軌道運轉中的衛星與地面接收點的相對速度極快,相對位置也不斷地變化,在接收點看來,訊號的極化也不斷地變化。

    若以水平極化或垂直極化天線,接收低軌氣象衛星訊號,通常會有一倍的損失,若要效果最好,當然要以圓極化天線來接收。

    接著要考慮的是天線的增益,要多大增益才夠?我們要知道,天線的增益是靠著改變天線輻射圖案而來的,也就是犧牲某方向的接收訊號能力,而成為定向天線。

    理想的低軌氣象衛星天線應該是沒有方向性,也就是說,只要低軌氣象衛星升出水平線,在每個方向的接收能力都一樣。但問題是,低軌氣象衛星發射機功率不強,加上平均也有 1000 公里以上的距離,光靠一只沒有方向性、沒有增益的天線,來接收低軌氣象衛星訊號,恐怕力不從心。

    因此只能求助於有增益的定向天線,但是基本問題又來了,定向天線的半功率輻射夾角變小了,而且這角度隨著天線增益的提高而減小,也就是使用高增益的定向天線,就必須準確的追蹤對準衛星才行。

    所以問題的焦點就在,如何適度地提高天線增益,但不要過度減小半功率輻射夾角。

    另一個解決的方法是在沒有增益的天線饋送點下方,加裝一只射頻前置放大器。

    我們現在就來看一只定向的十元件十字形天線。

    圖 13 從圖面上只能看出五根天線元件,另五根元件是與紙面垂直的,就在每根水平元件下方五公分處。天線主桿是 3 公分直徑的鋁管,天線元件則是 0.7 公分直徑的鋁管,所有尺寸均標示在圖 12 內,天線每根元件要取中點放在主桿上,而輻射元件就像雙偶極天線。

Fig 13
圖 13:定向圓極化十字形天線。
Fig 14
圖 14:定向圓極化十字形天線用的饋送線加工。

    圖 14 是針對材料容易取得而設計的饋送線方式,300 歐姆扁平饋送線接水平及輻射元件,其中多出長 55 公分接垂直輻射元件,這可以調整訊號相位,使它成為圓極化波,參看本文前頭說明。

    主要的饋送線是 300 歐姆扁平線,但是要接到接收機時須要 50 歐姆的非平衡接頭,所以利用 75 歐姆的同軸電纜,RG-59U,做一平衡非平衡轉換,也就是利用同軸電纜做匹配,如果沒有 75 歐姆同軸電纜,改用 50 歐姆型也可以。


修改接收機頻寬

Fig 15
圖 15:更改 R-2000 接收機頻寬的一個例子。

    接收機之所以要修改,往往是因為頻寬不夠,但那裡頻寬不夠呢?當然不會是射頻線路。通常,接收機為了選台,會在方便的 (或說經濟的) 地方,使用各種技巧,讓想要的訊號出現,而把其餘的訊號排除在外,這發生在那裡呢?

    以普通的超外差原理接收機而言,是在中頻線路,以濾波器來選擇訊號,濾波器可以安排適度頻寬,讓訊號通過。

    所謂適度是因不同的需要來安排,例如一般 AM 廣播頻寬是 10KHz 左右,而 FM 廣播則可能高達 70KHz 以上。另外有一種用在通訊的窄頻寬 FM,它的頻寬是 15KHz。

    但是要接收低軌氣象衛星訊號,最好要有 35KHz 左右的頻寬,怎麼辦?只能更改中頻的濾波器線路,還好一般稱 SCANNER 的 FM 解調線路往往使用現成的中頻處理 IC,所以不難找到下手的地方。

IC 名稱 訊號輸出腳
MC3357P 9
MC3361D 9
TA7761F 9
TK10420 9
TK10420L 11
TK10420M 11
TK10485M 11
TK10487M 11

    圖 15 是一個典型的更改例子,它是 R-2000 接收機,在中頻處理 IC 附近線路找到濾波器,它原本是一頻寬 15KHz 的濾波器,兩邊切斷,改接一只 0.01uF 電容來代替原本的濾波器,這樣頻寬可以達 30 到 40KHz 左右,滿足接收低軌氣象衛星訊號的要求。而為了不影響接收機平時的運用,利用一繼電器可以很方便切回原本的濾波器。

    但是每部接收機多少有些差異,如何是好?沒關係,因為我們已經把焦點縮小在中頻處理線路上,很容易找到更改線路的地方,當然最好有詳細的線路圖可供參考。

    萬一沒有的話,參看上表,是一般的中頻處理 IC,可以很快找到線路供判斷。 END



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