Anten trên vệ tinh

Anten trên vệ tinh 1. Các chức năng chính của anten trên vệ tinh - Lựa chọn sóng vô tuyến được phát đi trong băng tần dã cho với phân cực đã cho từ các trạm mặt đất nằm trong vùng phủ sóng của vệ tinh. - Thu can nhiễu càng nhỏ càng tốt. - Phát sóng vô tuyến ở băng tần và phân cực đã cho lên khu vực đã quy định trên mặt đất. - Phát công suất nhỏ nhất ra ngoài vùng quy định. - Nhờ anten mà “công suất bức xạ đẳng hướng tương đương” (EIRP: Equivalent Isotropic Radiated Power) và hệ số phẩm chất thu GR/TS tăng lên. Tuỳ theo dạng phủ sóng, diện tích vùng phủ sóng mà trên vệ tinh sử dụng các loại anten khác nhau, có hình dạng, kết cấu và phương pháp tiếp sóng khác nhau. 2. Các loại vùng phủ sóng Hình2..21: phủ sóng toàn cầu với các góc ngẩng khác nhau 70o 60o 50o 40 30o 20o 10 0o Hình 2.21: Phủ sóng toàn cầu đối với một góc ngẩng đã cho Khác với anten trạm mặt đất, anten trên vệ tinh phải phủ sóng một khu vực gọi là vùng phục vụ với mức công suất yêu cầu (thông thường trong vùng đó mật độ công suất không giảm quá 3 dB so với hướng cực đại). Như vậy tất cả các trạm mặt đất nằm trong vùng phủ sóng đều thu được mức công suất yêu cầu không nhỏ hơn mức cực đại 3 dB. Tuỳ theo đặc điểm thông tin, loại dịch vụ... mà vùng phủ sóng có hình dạng, khu vực phủ sóng và do đó anten sẽ có cấu tạo khác nhau. Có bốn loại vùng phủ sóng cơ bản lên mặt đất của anten trên vệ tinh - Phủ sóng toàn cầu: là vùng phủ sóng rộng lớn nhất của một vệ tinh lên mặt đất. Với vệ tinh địa tĩnh có độ cao bay 35.786 km, vùng phủ sóng có được lớn nhất bằng 42% bề mặt quả đất, với “góc nhìn” từ vệ tinh là 17,4o, như chỉ ra trên hình 2.21 -Phủ sóng bán cầu: là vùng phủ sóng cho một nửa bán cầu phía đông và một nửa bán cầu phía tây, nếu quan sát từ vệ tinh, hai khu vực phủ sóng này cách ly nhau, như chỉ ra trên hình 2.22 - Phủ sóng vùng: khu vực phủ sóng có thể nhiều khu vực khác nhau trên mặt đất như vùng Đông-Bắc, vùng Tây-Bắc... như chỉ ra trên hình 2.23. - Phủ sóng “dấu” (spot footprin): vùng phủ sóng nhỏ như các dấu in trên mặt đất, dùng để thông tin trong một nước nhỏ hay một vùng của một nước lớn như chỉ ra trên hình 2.24. Trong hệ thống thông tin di động qua vệ tinh vùng phủ sóng “dấu” phải kế tiếp nhau và chồng lấn lên nhau để có thể thông tin một cách liên tục khi đầu cuối di động trong vùng phục vụ của mạng, như chỉ ra trên hình 2.25.Vùng phủ sóng có thể là tròn, elip hay dạng tuỳ ý Hình 2. 22: Phủ sóng bán cầu Hình 2.23: Phủ sóng khu vực Hình 2.24. phủ sóng “dấu” Hình 2.25: Vùng phủ sóng lưới 3. Các loại anten Để có được các vùng phủ sóng khác nhau anten trên vệ tinh thường sử dụng hai loại chính anten loa và anten mặt phản xạ với các bộ chiếu xạ khác nhau được tiếp sóng theo các phương pháp khác nhau 1)Anten loa: Có ưu diểm độ tin cậy và đơn giản nhưng tính hướng kém nên được sử dụng để phủ sóng với búp sóng toàn cầu Hệ số tính hướng được tính theo công thức: D = 4pSn/l2 ( 2.4) Trong đó: S là diện tích của miệng loa n là hiệu suất sử dụng bề mặt bằng 0,6 ¸ 0,8 2) Anten gương parabol: hầu hết các anten trên vệ tinh là loại anten gương parabol, với khẩu độ khác nhau và phương pháp tiếp điện khác nhau tuỳ theo yêu cầu vùng phủ sóng f (tiêu cự) bộ chiếu xạ khẩu độ mặt phản xạ parabol r q o z x x Hình 2.26: Anten gương parabol đối xứng Hình 2.27 : Anten parabol gương lệch Anten gương parabol đối xứng (trục quang của nó là trục đối xứng của gương), như chỉ ra trên hình 2.26. Để tăng hiệu suất, giảm búp phụ dùng anten gương parabol lệch như chỉ ra ở hình 2.27. Bộ chiếu xạ của anten đặt lệch ra khỏi hướng trục quang, các tia sóng phản xạ từ mặt gương sẽ không bị bộ chiếu xạ che chắn, không gây ra hiệu ứng che tối làm méo tính hướng của anten, như chỉ ra trên hình 2.27. Anten gương parabol lệch dùng để phủ sóng “dấu”, với bộ chiếu xạ là anten loa. Phương trình mặt cong parabol có dạng: Trong toạ độ cực: r = 2f/(1 - cosq) (m) (2.5) Trong đó: r là bán kính cực có tâm toạ độ trùng với tiêu điểm của gương q là góc hợp bởi trục quang với phương của điểm bất kỳ nằm trên gương (góc cực) Trong hệ toạ độ vuông góc thì: x2 = 4fz (2.6) Hệ số tăng ích ở hướng cực đại (q = 0): G = 4pAh/l2 (2.7) Trong đó A là diện tích mặt bức xạ của anten, với anten gương là diện tích của miệng gương (m2); h là hiệu suất của anten (h £ 1), thường chỉ đạt tới 0,55 hay 0,6. Với mặt parabol tròn xoay thì A = pd2/4 (d là đường kính miệng gương hay còn gọi là khẩu độ anten), thay vào công thức 2.4 ta được: G = h(pd/l)2 (2.8) G thường được tính theo dB; bước sóng công tác thay bằng tần số công tác f = c/l, đồng thời đổi các thông số trong công thức 2.5 ra đơn vị thường sử dụng ta nhận được công thức tính hệ số tăng ích của anten gương parabol tròn xoay bằng: G = 20lgd(m) + 20lgf(GHz) + 10lgh + 20,4 (dBi) (2.9) Ở đây hằng số 20,4 dB/m2GHz2 = 20lg(p/c), c = 0,299792458 m/ns là vận tốc ánh sáng, dBi là so sánh với một anten vô hướng (isotropic) bức xạ ở hướng cực đại của anten parabol lớn hơn G dB. Trong thực tế hướng cực đại của anten trên vệ tinh chỉ chiếu đúng vào một trạm mặt đất, còn các trạm khác đều nằm ở một góc lệch nào đó thường quy định trong vùng phủ sóng của góc nửa công suất (hay trong độ rộng búp sóng 3 dB). Như vậy các trạm mặt đất nằm trên đường giới hạn của vùng phủ sóng sẽ nhận được công suất tín hiêụ nhỏ hơn 3 dB so với trạm nằm ở tâm vùng phủ sóng, nghĩa là công suất nhận được giảm đi một nửa, nếu hai trạm có anten thu giống nhau. Các trạm nằm trong vùng phủ sóng với góc nửa công suất, nếu hướng thu lệch một góc q (q < 2q1/2/2), như chỉ ra trên hình 2.28 thì hệ số tăng ích của anten vệ tinh ở hướng đó sẽ được tính theo công thức: G(q) = Gmax - 12 (q/2q1/2)2 (dBi) (2.10) d Gmax –3dB Gmax(dB) z q 2q1/2 Hình 2.28: Hệ số tăng ích ở các hướng khác nhau Góc nửa công suất (2q1/2) hay còn gọi là độ rộng búp sóng ở mức 3 dB (q3dB) bằng: 2q1/2 = 70l/d (độ) (2.11a) Đổi bước sóng ra tần số công tác f, với đơn vị GHz được: 2q1/2 = 21,1/(dmfGHz) (độ) (2.11b) Từ công thức 2.5 và 2.8a ta rút ra quan hệ giữa hệ số tăng ích của anten ở hướng cực đại với độ rộng búp sóng ở mức 3 dB bằng: G = h(70p/q3dB)2 = 48360h/q23dB (2.12) G ở hướng cực đại tính ở tỷ số, q3dB góc nửa công suất ở độ 3) Anten có nhiều búp sóng (multibeam antenna: MBA): là anten có thể tạo ra nhiều búp sóng từ một mặt bức xạ đơn. Các búp sóng có thể ở băng tần và phân cực khác nhau. Dạng búp sóng quyết định bởi hình dạng của mặt phản xạ. Thường có dạng phủ sóng lên mặt đất là hình tròn. Loại anten nhiều búp sóng đơn giản và phổ biến nhất là anten mặt phản xạ có nhiều bộ chiếu xạ (multiple feeds). Anten bức xạ nhiều búp sóng có một mặt phản xạ và nhiều bộ chiếu xạ đặt xung quanh tiêu điểm. Mỗi bộ chiếu xạ sẽ tạo ra một búp sóng riêng rẽ, hoặc bởi tổ hợp của các bộ chiếu xạ Một loại điển hình là dùng một bộ phản xạ và một dãy các bộ chiếu xạ đặt trên mặt phẳng tiêu cự của gương mà mỗi bộ chiếu xạ được tiếp điện riêng rẽ. Tuỳ theo cách tiếp điện có thể tạo ra anten nhiều tia hoặc anten có dạng đồ thị tính hướng đặc biệt. Đặc tính của búp sóng được quyết định bởi tính chất tiếp điện cho hệ thống. Nếu tiếp điện tối ưu để có hệ số tăng ích cực đại thì các búp sóng sẽ tách rời nhau như chỉ ra trên hình 2.29 Để nhận được nhiều búp sóng chùm lên nhau xấp xỉ 4 dB, thì anten nhiều búp sóng dùng một mặt phản xạ cần có ma trận tiếp điện thích hợp cho các phần tử. Khi chia hoặc tổ hợp tín hiệu ở mạch tạo dạng búp sóng (BFN:beam forming network) phải thực hiện ở mức công suất thấp, do đó phải có bộ khuếch đại trước lúc phát hoặc bộ khuếch đại sau khi thu, như chỉ ra trên hình 2.30 Anten có búp sóng dạng đặc biệt có hai loại được sử dụng cho vệ tinh thông tin hiện nay: Loại anten dùng nhiều bộ chiếu xạ: gồm một mặt phản xạ lệch (offset) và một dãy phần tử. Đây thực chất là một anten nhiều tia được tiếp điện riêng biệt cho từng búp sóng, ở cửa vào được khống chế bởi một mạch tạo dạng búp sóng (BNN) để tạo búp sóng có dạng đặc biệt, như chỉ ra trên hình 2.31 Búp sóng dạng đặc biệt được tạo dạng từ các anten phần tử mà đồ thị tính hướng có dạng elip hoặc tròn Loại anten dùng mặt phản xạ có dạng đặc biệt: Anten này chỉ có một mặt phản xạ lệch mà bề mặt của nó được thiết kế đặc biệt để tạo ra búp sóng có dạng mong muốn mà chỉ cần sử dụng một bộ chiếu xạ đơn. Loại anten này được sử dụng khá phổ biến hiện nay vì nó có các ưu điểm: Chỉ cần một bộ chiếu xạ (không cần mạch tạo dạng búp sóng) Dạng mặt phản xạ không phải là parabol Tổn hao thấp Dễ dàng thực hiện ít các bộ phận phụ Đơn giản trong lắp đặt và thử Trọng lượng nhẹ Hiệu quả cao Tiêu chuẩn hoá khi sản xuất bằng phần mềm tối ưu Giảm chu trình thiết kế Hê thống anten điển hình cho vệ tinh dịch vụ cố định, búp sóng có dạng đặc biệt băng C hoặc Ku chỉ ra trên hình 2.32 bộ chiếu xạ phân cực đứng bộ phát đáp giành cho phân cực đứng bộ phát đáp giành cho phân cực ngang D D bộ chiếu xạ phân cực ngang mặt phản xạ phân cực đứng mặt phản xạ phân cực ngang Hình 2.32: Anten búp sóng đặc biệt cho vệ tinh dịch vụ cố định Phân cực thẳng, dùng anten mặt phản xạ lưới kép Bộ chiếu xạ chung cho thu và phát có bộ lọc phân hướng (D: diplexer) theo tần số