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微衛星天線的極化

No.19   1994 July   p54~56,   by 林茂榮 / BV5OC 彰化郵政 575 號信箱



微衛星天線為何極化

    微衛星內部各備有兩部發射機,透過併合線路 (HYBRID),接到十字型交叉天線,這 兩部發射機,輸出到天線饋送點上,彼此呈反相,相位差 180 度。也就是每枚微衛 星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。


微衛星無正常極化

    換句話說,當地面指揮台控制微衛星改用發射機時,也同時變換了訊號極化。因此, 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用右旋圓極化或左旋 圓極化。而在 23 x 23 x 23 公分的小空間內 (微衛星的大小),擠了許許多多的線路, 那還能安排複雜的接線呢?

    再者,微衛星的主要目標之一,是要讓地面電台使用簡單的無指向性天線,就可以做 通訊,因此,訊號的右旋圓極化或左旋圓極化,也就被淡忘了,實際上也不須要刻意 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 。微衛星底端正指向接收點時,訊號最強 (AO-16、DO-17、及 WO-18 微衛星的十字 型交叉天線指向北半球,LO-19 則指向南半球)。

    除了這些特性外,一般其他因素的影響,會使微衛星訊號的極化,呈現不規則。如果 使用可切換極化的圓極化天線,可以在微衛星繞經時,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。尤其是當微衛星正處頂端時,可以置右旋圓極化幾秒 鐘,左旋圓極化幾秒鐘,馬上可以知道當時微衛星訊號的極化 (我觀察一般有 S5 的 差別)。

    至於使用那一部發射機,不費吹灰之力就可以明白,因為微衛星的主要與次要發射機 的頻率都不一樣,唯一的例外是 D0-17,不過,你可以從傳送下來遙測資料的 STATUS 行,得知是使用那一部發射機。通常 DO-17 是使用二號發射機比較多,因為 該部發射機效率較高。


從 STATUS 資料中得知

    另外,在 STATUS frame 中也有一些可用資訊,例如原來遙測通道 32H、33H 是用來 記錄 DO-17 上面兩部發射機的輸出功率大小,現在只能從 STATUS 資料中得知。

    STATUS frame 具有 21 位元的 16 進位數,如下所示:

DOVE-1STATUS-0 80 00 00 84 25 18 AA 02 00 50 00 00 0A 0F 3C 05 13 00 0F 04 01

    其中第 8 位元記錄著目前所使用的發射機編號,以 01 或 02 表示;第 7 位元記錄 的是發射機的輸出功率,左半位元是第一部的,右半位元是第二部的;功率大小以 0 至 F 的 16 進位數來表示,從 0 代表 0 瓦到 F 代表 4 瓦功率的輸出。

    如上例的 STATUS frame 資料中可看出,目前使用中的發射機是第二部,輸出功率大 約是 4x (10/15)=2.67 瓦特。


微衛星的訊號極化問題

    WDØE Jim White,是 DO-17 指揮電台的成員,他以從事業餘微衛星通訊的經驗,提 出對於衛星通訊天線的極化問題看法。

    下面有關天線極化的資料,是根據設計資料、實際測量、試驗、調查、及討論的結果 中,總結出來的。我個人相信這些珍貴的資料是正確的,雖然那麼有自信而這樣認為 ,可是也難保不會出差錯,這其中可能會有一兩個小錯誤,也不一定。

AO-16, DO-17, WO-18 及 LO-19

    對此四枚運行中的業餘微衛星而言,它們的訊號極化 (左右旋) 與選用的發射機有關 。為什麼會有左右旋之分,也並不是當初微衛星設計的重點,實際上,也並沒有刻意 的安排,之所以會有左右旋之別,是因為每枚微衛星上,裝置兩部發射機,共用同一 天線時,因為饋送線的安排,所自然造成的。下表是這些微衛星的極化:

微衛星名 發射機 使用頻率 天線極化 備註
AO-16 RC 437.050 RHCP 目前使用中
AO-16 PSK 437.025 LHCP 目前停用
DO-17 XMTR A 145.825 LHCP 效率低不常用
DO-17 XMTR B 145.825 RHCP 目前效率比A高
WO-18 RC 437.100 RHCP 使用中
WO-18 PSK 437.075 LHCP 目前停用
LO-19 RC/CW 437.125 RHCP 目前較常用
LO-19 PSK 437.050 LHCP 不常用

    AO-16 與 WO-18 上的 PSK 發射機,前後分別出了問題,現在它們已經停用。AO-16 上的 PSK 發射機,已經服務了三年,但是因為零件惡化,效率一直降低,到後來, 連發射出的 PSK 訊號都解不出來了。而 DO-17 上的兩只 VHF 發射機 A 及 B,目前 因為 B 發射機效率比較高,所以 A 發射機很少用。當 L0-19 做測試時,偶而會切 換這 A、B 兩部發射機,不過,還是以使用 RC 發射機的機會比較多。這樣看來,這 四枚微衛星,目前都是右旋極化訊號。

    基本上,微衛星上的發射機功率都還算不小,所以地面電台只要收到微衛星強訊號, 就算是極化有差錯,通常並不會影響訊號的解碼。不過,偶而微衛星也會把發射機功 率降低,如果地面電台收到不很強的微衛星訊號,那麼天線極化不對,可能會使你解 不出資料來。

    至於地面電台的上聯訊號,一般不會有問題,因為微衛星使用的接收天線是單極的一 根天線,而且接收機也都非常靈敏。

FO-20

    FO-20 也是圓極化波,與微衛星不一樣的是,它的上下聯天線都是圓極化的。但是這 並沒有任何優點,因為若要保持與衛星訊號的極化一致,那麼因為衛星是低軌運行的 ,衛星與固定地面電台的相對位置千變萬化,所以光是一次的 15 分鐘的繞經時間內 ,你可能要切換好幾次的天線極化。尤其是類比詢答機時,這就更明顯。

AO-21

    AO-21 上頭的 435MHz 接收天線,是供數位與類比兩套系統共用的,它是螺旋狀 (HELIX),有 3dB 的增益,是右旋極化的繞法。而 2 公尺波段的天線是半波長雙偶 極天線,因為該衛星的穩定裝置,所以此天線可以永遠指向地表方向。

    從監聽 AO-21 訊號就可以做些基本的實驗,尤其是監聽 DSP FM 中繼模式,左右旋 的天線極化差別極大,甚至可以達到聽得見與聽不見的分別。

UOSAT

    UOSAT 的天線都是單極天線,所以切換天線極化,我看不出有什麼差別。

AO-26

    我沒有 AO-26 的詳細資料,究竟它的發射機採用何種極化天線,也無從知道,不過 AO-26 也是微衛星系列,使用相同的模組結構,所以若是選用不同發射機,它的極化 也勢必跟著變化。

    在頭一週的資料轉送運作中, AO-26 的發射機功率很小,因此,地面電台天線若選 錯了極化,幾乎解不出任何資料。因此,這枚微衛星要是發射機功率一直維持目前狀 況,或者是說它繼續使用左旋極化的那一部發射機 (並非發射機可以決定極化,而是 那一部發射機與天線接線的安排造成的),那麼,接收 AO-26 就要使用左旋極化天 線,而且要不斷地切換,才能保持一定的接收訊號水平。

AO-27

    AO-27 的接收天線是單極,所以不受極化的影響。但是低軌微衛星不論使用何種天線 ,對固定位置的地面天線而言,它的訊號會是不斷改變極化的。 但是 AO-27 發射機功率很低 (只有一振盪級),為了要接收微弱訊號,一定要注意 訊號極化的變化。未來就只能盼望第二部業餘用的發射機功率,所以下聯訊號的極化 ,可能會是一個關鍵的問題。而上聯訊號,因為 AO- 27 的接收天線是單極,接收機 也很靈敏,所以不會有任何問題。

UN-AMSAT

    UN-AMSAT 是墨西哥發展中的一枚業餘微衛星,它的下聯訊號,想必也是因為選用的 兩部發射機,而有右旋或左旋訊號之分。當然這只是順水推舟的猜測,真正的訊號極 化與發射機功率,要在微衛星升空並正常運作後,才能成定局。不過根據觀察,一般 業餘微衛星剛升空的那一段日子,為了整體測試,往往會勤加切換發射機,所以接收 訊號時,當然也要改變極化。

    因為 UN-AMSAT 也是使用微衛星系列的模組,因此在太陽能系統不變的情況下,多加 了做流星雨試驗的發射機,估計它會比 AO-16 或 LO-19 的發射功率更低。這已經 有前例可循,例如,WO-18 就因為酬載了許多實驗,電源就顯得沒有那麼充裕,所以 WO-18 的 RC 發射機功率,就比 AO-16 或 LO-19 低了很多,大約只有它們的一半功 率。

VOXSAT

    VOXSAT 這衛星與 AO-21 一樣,使用的是單極天線。使用情況應該會與目前的 AO-21 相類似。

AO-13

    AO-13 的增益天線使用右旋極化,當 AO-13 在近距點或是方向正確時,以使用右旋 圓極化波最理想。當方向不對,或是該衛星使用無指向性天線時,上聯訊號以採用左 旋極化波最好。使用左旋極化不只可以使訊號強度加強,還可以防止因衛星自旋調制 (SPIN MODULATION) 產生的訊號衰落。

    預計 1995 年發射的 PHASE 3D 上,所有指向天線也都採用右旋極化。因為此枚衛星 相對地球而言,幾乎不動,所以此枚衛星用的天線,就不必切換極化,當然這得一切 計畫都能順利才行。

    上面也許有漏掉幾枚衛星,或是發展中的業餘衛星沒能全部含蓋在內,不過,我並非 有一網打盡的念頭,也不是侷限在衛星指揮電台用的天線。但是,從中我們可以嗅出 一種傾向,那就是左旋極化是有其必要,因為在某些情況下,極化錯誤會使通訊無法 進行,甚而使樂趣全消。

    當然,以右旋極化天線做業餘微衛星通訊,以目前情況言,並無不妥,但是我認為, 若要物盡其用,充分發揮業餘衛星的功能,備有可切換的極化天線,是有必要的明智 之舉。 END



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