業余衛星通信系統的基本組成

by Keith Baker, KB1SF/VA3KSF, kb1sf@amsat.org

本文原題為《開啟業余衛星通信之旅II》發表于《監測時報》

（Brasstown, NC 28902）

歡迎再次來到“開啟業余衛星通信之旅”專欄。本人發表系列文章的目的是分享接收和應用不斷發展壯大的OSCAR（支持業余無線電的在軌衛星）系列衛星的實操方法，以幫助衛星操作初學者以及準初學者揭開業余衛星通信的神秘面紗。并對當前在軌衛星，以及仍然處于規劃或預備發射階段的衛星信息開展研討。以下，分享一些需要考慮的細節及技巧，便于成功通信“EZ sats”。

關于手持天線的補充注意事項

衛星通信中，天線是地面電臺最重要的組成部分。因為絕大部分業余衛星的輸出功率不超過1~2W，而AO-51和AO-27的常規輸出功率僅0.5W左右，SO-50的輸出功率甚至更低。 這些衛星通過單根1/4波長鞭狀天線，或由4根這樣的天線組成所謂的“旋轉柵極”天線陣來發射信號。波長為2m或70cm的1/4波長鞭狀天線在衛星底部以45°角向內或向外傾斜。

即使采用天線陣列，實際增益也趨近于0。如果低功率發射不足為懼，試想這些低軌衛星與地球站的通信距離，即便在過頂時段，也至少相距800公里；接近地平面時，距離地球站就有3200公里之多。 所以，業余衛星通信愛好者需要一個好的接收機和高增益的天線，才能實現可靠的衛星信號接收。大部分對講機配備的“rubber duck”天線除非處于“理想環境”（指衛星恰好過頂，而且只有少數幾個人在同時使用這顆衛星的轉發器），否則并不能滿足業余衛星的接收或通信。

圖1 作者的“手持式衛星地球站”嚴酷的太空環境

另外一個必須要考慮的因素是嚴酷的太空環境。當太陽光直射時，衛星要忍受250℃的烘烤。當衛星繞到地球后面，不被太陽光直射時，它的外部環境溫度將迅速降低到接近零下250℃。如果衛星內部不采取散熱措施，快速的溫度變化將直接摧毀脆弱的電子器件。 眾所周知，高溫極易摧毀設備里的半導體器件。

因此大部分業余電臺都安裝有風扇或金屬散熱片，但散熱工作需要空氣，宇宙的近似真空狀態，無法通過安裝風扇和散熱片來給衛星降溫，所以需要其他形式來驅散太陽直射帶來的高溫。 同樣，電池之類的器件在寒冷環境下也不能良好工作。在零度以下的室外使用數碼相機的人都知道，如果希望多拍幾張照片，就必須用溫暖的口袋多裝幾組電池。 可以想象，陽光直射時衛星電池和其他電子設備在金屬盒中忍受250℃烘烤，日食期間又經受-250℃冷凍。

這就是大多數衛星都被設計為在繞地球公轉同時，繞垂直方向軸自旋的原因：有助于設備內部冷熱均勻（一般通過內部組件與外殼的直接接觸來實現），讓電池和衛星內部的其他電子設備保持在正常運行的溫度范圍。所以，簡易“拼湊而成”的衛星可能能夠在軌運行一時，但肯定不會長期保持良好的運行狀態！

圖2 2m/70cm型天線將一個10W的雙工器塞在泡沫把手內（KB1SF提供）衛星姿態的偏轉

為保持下行鏈路天線正確指向地球，衛星從南向北（或從北向南）飛過地球時，將會緩慢偏轉。這種翻轉一方面有助于平衡由太陽輻射引起的冷熱快速交替，另一方面也有助于保持發射天線指向地球方向，以保住其微弱的發射增益。 但這種連續的翻轉意味著當衛星過頂時，其接收和發射天線的極化方式是不斷變化的。由于衛星工作模式是“直射路徑”，除非能夠保持自己天線的極化方式與衛星在整個過境期間的同步，否則由于天線的交叉極化將導致接收信號深度衰落（有時高達5~6 dB）。

由于衛星翻轉過境時，垂直天線通常不能輕易（或快速）地傾斜以匹配衛星極化方式的不斷變化。因此，地球站能否接收到衛星下行信號要看運氣。經驗表明，大多數固定或移動的垂直天線結構過于簡單，不足以克服這些局限條件。 同理，一般對講機配備的1/4波長和5/8波長鞭狀天線也不能適應這種需求。且由于與衛星天線之間的交叉極化頻繁出現，大部分對講機無法提供天線完全生效所需的接地面。

大多數衛星的下行信號剛開始很微弱，具有掃描功能的接收機通常無法用鞭狀天線（即使是外接天線）可靠地接收下行鏈路信號，沒有安裝放大器的接收機增益通常不夠高。 究其根本，衛星通信就是“微弱信號通信”。盡管小型鞭狀天線或“rubber duck”天線適用于大多數地面應用，但通常不能提供足夠的下行鏈路增益，無法提高衛星通信的可靠性，繼而擺脫“靠運氣”通聯的情況。

圖3 作者組裝的天線（KB1SF提供）

以下，介紹一個經過改造的小型且相對便宜的八木天線。它能提供更多的上、下行鏈路增益，從而使對講機成為一個能夠和業余衛星有效通信的地面站！

圖4 箭牌天線（KB1SF提供）手持八木天線

要使用對講機規律收聽或開展FM衛星通聯，就需要使用某些特定形式的手持式八木天線來獲取足夠有效的上行鏈路發射功率和下行鏈路接收增益。 多年來，很多業余衛星愛好者自制的手持式八木天線專門用于低軌衛星通信。例如，來自英國的資深VHF頻段“火腿”Kent Britain（WA5VJB），在互聯網上免費分享了使用常見材料自制2m波段和70cm波段手持式八木天線的方案。 Kent Britain的文章《業余衛星通信的廉價天線》展示了如何簡單制造一個用于FM衛星通聯的雙頻段手持式八木天線。

AMSAT網站給初學者提供了自制天線方案，網址www.amsat.org/amsat-new/information/faqs。 很多公司也為愛好者提供了用于低軌業余衛星通信的手持天線。Arrow 146/437-10型手持式雙頻段天線，Elk 2m/440L5型天線都是認可度很高的產品。使用3~5瓦發射功率的雙頻段對講機開展FM衛星通信，或使用VHF/UHF掃描式接收機接收信號時，兩幅天線均能提供足夠的增益。

圖5 70cm波段天線連接結構（KB1SF提供）其他有用的操作提示

與業余衛星通信時，要牢記衛星在軌道上不停的自旋和翻轉，上、下行鏈路天線的極化處于不斷的變化中。若僅用對講機連接一根鞭狀天線接收衛星信號，那么在衛星過境時，不斷移動對講機將會有益于接收效果。這種移動可能使得你和衛星的天線極化在某些時候能夠相互匹配。另外，導體表面（如汽車車身）的反射有時會有助于改善接收或發射信號。

圖6 卸下雙工器和泡沫把手，將天線安裝到三腳架（KB1SF提供）

使用對講機與業余衛星通聯，還需要一個麥克風。有了頭戴式麥克風，就不用一手拿天線，一手拿對講機，盡管都是由輕量化材料制成，但在衛星過境的15分鐘內舉著它們也會感覺費力。

圖7 天線的兩個連接臂

使用麥克風或頭戴式耳機的另一個好處是避免嘯音。如果使用全雙工對講機開展衛星通信，把麥克風和揚聲器放在同一個單元里，通常會在傳輸的時候產生嘯叫。

圖8 Craig Wolsey（AC8EJ/VA3ICW），通過AO-51進行通聯

由于AO-51、AO-27和SO-50下行鏈路信號太弱，難以觸發大多數FM接收機的靜噪。在開始接收之前，要確保接收機靜噪開啟，直到聽到噪音。當衛星覆蓋區進入地球站位置時，噪音會“安靜”下來，這是一個明確的提示：你確實“捕捉”到了業余衛星下行鏈路信號。

和“鱷魚”一起游泳

調頻信號具有非常明顯的捕獲效應（capture effect），當很多用戶同時使用這顆衛星通信時，可能會出現無論如何努力都無法接入轉發器的情況。偶爾也會遇到大功率用戶，即所謂的“短吻鱷”。這些用戶通常采用“只說不聽”的操作方式，通過大功率發射最終霸占了業余衛星的上行鏈路。 遇到這種情況，愛好者需要在傳輸間隙不斷嘗試呼叫或者期望衛星下一次過境時，“鱷魚”離開了衛星覆蓋區。 如果在距離海岸幾百英里以內的區域進行操作，可能會發現，低功率衛星飛越海洋上空時實現通信，要比飛越北美或歐洲時容易。這是因為，此時覆蓋區內地球站很少，而且大多數競爭站與衛星的距離都比你遠。如果接收不到衛星信號呢？

首先在業余無線電愛好者網站重新核對衛星轉發器時間表，確保在正確的頻率上收聽和發射。也可能是跟蹤軟件提供了錯誤的過境數據。仔細檢查衛星跟蹤程序，確保加載了最新的開普勒軌道根數、正確的位置文件（經緯度或Maidenhead區塊坐標），以及正確的格林尼治標準時間與本地時間之間的時差。此外，要考慮所在地的夏令時。

圖9 可將收集天線零件的便攜布袋（KB1SF提供）

需要注意的是，衛星的轉發器時間表和過境時間都是用格林尼治標準時間表示的，每天都會有所不同，需要使用衛星跟蹤軟件進行跟蹤。

為了獲得最佳效果，應至少每月更新一次開普勒軌道根數文件。如果還未安裝跟蹤程序，可以訪問AMSAT網站上的軟件跟蹤頁面www.amsat-na.com/store/category.php?c=Software，獲取SAT-PC32軟件。

此外，AMSAT網站對許多AMSAT衛星（包括AO-51、AO-27和SO-50）進行了在線追蹤展示。在地圖顯示界面下，使用下拉菜單選擇要跟蹤的衛星。

展望未來

希望未來可以通過“EZ-sats”通信取得聯系。在之后的專欄，將討論一些優化天線和饋電線路的創新方法，同時介紹一些其他的“小技巧”，使愛好者與衛星的接觸更加頻繁和愉快。

圖10 Kent Britian的“LEO”天線（WA5VJB提供）

圖11 LEO天線通聯（WA5VJB提供）

（編譯：楊旭、戴慧玲、紐麗榮、劉明星、張寧）

責任編輯：xj

原文標題：《走近業余衛星通信》| 你的第一次業余衛星通信：它比你想象中更簡單（二）

文章出處：【微信公眾號：電磁兼容EMC】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。