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地面電台適用的衛星天線

No.21   1994 Sep.   p64~67,   by 林茂榮 / BV5OC 彰化郵政 575 號信箱



    不管你是否有足夠的經驗,一般人大概不會認為業餘人造衛星通訊天線有什麼問題。 一般人的印象是,架設起可以左右旋轉的機械,並且把高增益的天線裝載其上;再有 什麼問題的話,那就裝個可以和旋轉器聯線的人造衛星自動追蹤裝置。

    這的確是個理想的業餘人造衛星通訊天線系統,但若把所需的費用考慮進去,可就不 是最好的天線。實際上。就理性分析,並且把不必要的條件除去,那麼,針對初入門 者而言,業餘人造衛星通訊用的天線,可不是想像中那麼複雜。

    最近相關的收發機設備普遍,使得有條件可以投入業餘人造衛星通訊的人,多了起來 ,於是有人徹底地檢討了過去的一些經驗與觀念,結果發現,有些早就要丟諸腦後, 棄如蔽屣,但卻被如蔽帚般,保存至今,緊抱不放。我們就針對此問題,來探討如何 自製一個理想的業餘人造衛星通訊用天線。首先。當然得知道,什麼樣子的天線,適 合業餘人造衛星基地通訊的用途。


訊號太強也不好

    有過經驗的朋友,可以發現像 LUSAT、PACSAT 等「微業餘人造衛星」 (MICROSAT) 系列的 PSK 訊號,若強度過強,在調整接收頻率時常會受騙,因為往往數據機 (TNC) 的 DCD 指示燈已經亮起,卻解不出任何資料!原來是過強的 PSK 訊號,會讓 數據機鎖錯另一邊帶,如此一來,接收到的資料,當然解不出任何有意義的內容。

    在我的接收解碼經驗中,只要訊號強度不超過 9,數據機鎖錯邊帶的現象,便不會是 一個問題。這樣說來,訊號太強也不一定是有好處,若用術語來說, PSK 訊號的動 態範圍不大,因此訊號也不宜太強。既然這樣,針對微業餘人造衛星系列通訊用的天 線,就不須要使用增益過大的定向天線了。實際上,幾乎沒有增益的無方向性天線, 也可以從容地擔任此類用途。

    對於上聯 (UPLINK) 用途,若是用在微業餘人造衛星上,發射功率不能太大,天線增 益也要懂得限制,否則真會上了賠了夫人又折兵的當。早期的 OSCAR 系列低軌業餘 人造衛星,也是使用低增益的天線,例如附有反射板的圓形極化十字形天線 (Circularly Polarized Turnstile- Over-Reflector Antenna),這類天線在後來的 太空梭飛行任務中的各種試驗,也有許多人採用。

    在 1983 年的 STS-9 任務飛行中,一般人都還相信圓形極化十字形天線會有不錯的 表現,但是,萬萬沒有想到,在使用圓形極化十字形天線的基地台,尚無法收到訊號 時,有人使用八分之五波長垂直天線的汽車移動台,卻可以輕易地與剛昇起水平面的 STS-9 通訊。這證明了圓形極化十字形天線在 STS-9 飛行任務通訊上,已經徹底的 失敗。這不得不讓我們想起,要是把圓形極化十字形天線,應用在微業餘人造衛星通 訊上,是否也會同樣失敗。


Fig 1
圖 1:對基地電台而言,低軌業餘人造衛星出現的比例



Fig 2
圖 2:圓形極化十字天線的輻射圖



Fig 3
圖 3:陽春型二分之一波長垂直天線應用在微業餘人造衛星通訊的系統性能

卡內君的重要研究

    讓我們先看看卡內君 (Courtney Duncan, N5BF) 所進行的一項研究,他的一個重要 結論,參看圖 1,對於基地電台而言,低軌業餘人造衛星出現的比例是:仰角 10 度 以下是 51%,仰角 20 度以下占去 76%,若把仰角加到 30 度,則占走了 90%。另一 項結論是: 仰角 60 度以上,所占的比例相當少。這實在是考慮使用那一種天線的有 用背景資料。

    參看圖 2,是圓形極化十字形天線的輻射圖,在仰角 30 度以下的靈敏度極差,這麼 說來,用作微業餘人造衛星通訊的圓形極化十字形天線,可以扔掉了!

    另外,使用像圓形極化十字形天線的圓形極化,也有待商榷,微業餘人造衛星系列的 訊號,基本上雖然可以說是右旋圓形極化,但也只有在業餘人造衛星高懸頭頂方向時 才算,因為一旦業餘人造衛星在低空時,不論是控制高度或正常軌道運行的裝置,都 會改變衛星的旋轉與姿勢,使得相對的運行動作極為複雜。

    早在 OSCAR-8 號的通訊研究中。就有如下的結論:在任何地面電台接收低軌業餘人 造衛星的圓形極化訊號時,隨著衛星的運行,極化的情形會不斷的變化。也因此,不 可能總是保持圓形極化的訊號。所以要保有良好的低軌業餘人造衛星通訊,若是採用 固定的圓形極化天線,好像是與理想背道而馳。


低水平夾角指向的天線

    現在讓我們看看,有那些天線可以有效地接收來自低角度的訊號;我們可以從簡單的 二分之一波長垂直天線開始,這是最基本的天線,既沒有接地面,也沒有同相匹配 (COLINEAR)。參看圖 3,是此陽春型二分之一波常垂直天線的輻射圖,可以看出對不 同仰角的相對增益,在低於 60 度,都還算有不錯的靈敏度。除此之外,從圖 3 中 的另一條曲線,可以看出業餘人造衛星經過的仰角越大,與基地電台的相對距離越小 ,當然訊號衰減也就越小。

    訊號衰減小,可以看成是一種相對的增益,所以把這兩條曲線相加,得到第三條曲線 ,它可以代表整個系統的性能。詳細觀察圖 3 的總性能曲線,要在仰角超過 70 度 時,增益才會低於 0dB。

    這意謂著,這樣的系統對微業餘人造衛星系列而言,在人造衛星出現時,有超過 95% 的比例是可以收到訊號,這對一只無方向性的簡易天線來說,的卻了得。想想看,既 無旋轉器,也不用追蹤,可以說是無憂無慮的天線系統,多好!剩下來的只是要知道 業餘人造衛星何時昇起 (AOS),何時落入水平線 (LOS)。

    除此之外,使用無方向性的垂直天線,也並非是可以不顧一切,它也常被過份抬舉, 以致於有些人火上加油,認為無方向性垂直天線那麼好,何不考慮使用幾個元件加在 一起的同相 (COLINEAR) 垂直天線。問題是,這樣一來,便會有很明顯的指向性,把 原本分配得不錯的夾角過份集中,變成水平的增益過大,使得系統的總性能與圖 3 一樣。

    那麼,或許有人會問,這一番的討論之後,是不是有那一種天線,既便宜又能符合 KISS (Keep It Simple Stupid) 原則。

    平常我就有些與它人不大一樣的習慣,每當我在雜誌上看到有關天線的製作,一定先 看看它的指向性 (垂直與水平) 及匹配方式,然後才是增益。因為天線實在沒有絕對 的優良,只有適不適用而已,也就是應用上能各得其所,就算是好天線。

    在英國 PW (PRACTICAL WIRELESS) 所出版的冊子上,有一 2 公尺波段用 J POLE 天 線的介紹,而且對方向性的描述特別詳細,並且在舊版的 ARRL 天線手冊上,發現已 經有人把 2 公尺波段與 70 公分波段的 J POLE 天線裝在同一支竿子上,如圖 4 所 示。這似乎是能滿足我們需要的天線,尤其是業餘人造衛星通訊,因為一下子就能很 方便地把 2 公尺波段與 70 公分波段天線,裝設在一根直徑 2.54 公分,約 1.8 公 尺長的鋁管上。

    基本上,J POLE 天線是屬於二分之一波長端點饋電天線,利用四分之一波長的匹配 管子,來滿足高電壓饋送點。這不但結構簡單,匹配也很容易,真是最理想的選擇。

    利用雙波段 J POLE 天線,把兩只二分之一波長天線裝在同一根桿子的上下,的確是 最理想不過的結果。上端裝設的 70 公分波段天線,並不會受下方的 2 公尺波段天 線的影響;同樣的,下方的 2 公尺波段天線對上方的 70 公分波段天線而言,可視 而不見,只不過是較胖的頂端而已。也就是上下兩只天線不互相影響。當然這也是有 條件的,這要在 J POLE 天線方圓兩波長之內,無任何障礙物。


製作雙波段 J POLE 天線

    參看圖 4, 請注意圖 4 並沒有按照比例。各元件的加工參看圖 5,所選用的零件材 料,已經把不容易買到的舊規格,用新品替代,所以很方便買到。 (BV3FG 註:雜誌中並沒有 圖 5,我猜這可能是印刷錯誤,將圖 4 誤植為 圖 5。)

    "J POLE" 柱子是直徑 2.54 公分的鋁管,長度是 185 公分。天線體則使用 1.27 公 分的鋁管,2 公尺波段長 66.1 公分,70 公分波段長 23 公分。

    所有的固定材料,包括固定螺絲、墊圈、最好使用不袟鶚鷜銵A免得寶島多濕及高鹽 份的空氣,很快地腐蝕了千辛萬苦才校正好的天線。

    只要耐心調整,幾乎可以在中央頻率處,得到完全的匹配。同軸電纜的選擇也很重要 ,在 70 公分波段,當然要重視饋送電纜的傳導衰減,但因為饋送點是露天的,因此 也要特別考慮耐用性,建議採用 RG-142/U 同軸電纜。饋送接點可用膠布包紮同軸電 纜,加強接點保護。


結論

    接收從 PACSAT 群不斷發送下來的訊號,在過去的經驗中,只要 J POLE 天線沒受阻 ,也就是微業餘人造衛星出現在 J POLE 天線的「可視」範圍,都可以收聽到訊號, 通常這都是在微業餘人造衛星露出水平面後 30 秒,這個時候,就算是訊號帶有很重 的雜訊,數據機也都能解出資料。在 J POLE 天線底下,配備有低雜訊的射頻前置放 大器,那是自製的,NF 值低於 1,在 435MHz 處的增益超過 20dB。 END



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