Bộ phát đáp là một thiết bị quan trọng nhất của một vệ tinh thông tin, nó thực hiện các chức năng thu sóng vô tuyến từ trạm mặt đất phát từ tuyến lên, sau đó khuếch đại và đổi tần tín hiệu rồi phát trở lại trạm mặt đất thu trên tuyến xuống. Bộ phát đáp bao gồm tập hợp các khối nối với nhau để tạo nên một kênh thông tin duy nhất giữa anten thu và anten phát trên vệ tinh thông tin. Một số khối trong bộ phát đáp có thể được dùng chung cho nhiều bộ phát đáp khác.
Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo bộ phát đáp
Bộ phát đáp phải bảo đảm một số các chức năng như một bộ phát đáp tích cực trên mặt đất: tín hiệu từ trạm mặt đất tới (tuyến lên) đi qua anten vào máy thu của bộ phát đáp. Tín hiệu sau khi xử lý ở máy thu sẽ được đưa tới bộ phân kênh đầu vào IMUX. Tại đây tín hiệu phân ra thành các kênh riêng rẽ sau đó được đưa đến bộ khuếch đại công suất cao HPA nhằm khuếch đại tín hiệu đủ lớn. Sau đó tín hiệu của các kênh đưa đến bộ ghép kênh đầu ra OMUX và ra anten phát xuống đất (tuyến xuống). Đây là quá trình nêu tổng quát, thực chất trong bộ phát đáp có nhiều tầng khuếch đại công suất và nhiều bộ xử lý khác nữa [2]. Máy thu Phân kênh đầu vào
Khuếch đại kênh
Khuếch đại kênh
Khuếch đại kênh
Ghép Kênh Đầu ra
a. Máy thu
Máy thu thực hiện chức năng khuếch đại tín hiệu và đổi tần số tuyến lên thành tần số tuyến xuống. Yêu cầu đặc tuyến nhiễu phải đạt sao cho tỷ số tín hiệu trên tạp âm phải tốt nhất cho tuyến lên. Hệ số khuếch đại của nó thường là (50÷60)dB để bù lại trong bộ lọc và đổi tần.
Bộ thu là một máy thu băng rộng có độ rộng băng thông là 500MHz (băng C) đến 1GHz (băng Ku) tùy thuộc vào băng tần sử dụng và loại LNA.
Sơ đồ cấu tạo máy thu:
Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo máy thu
- Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier): Bộ này quyết định chủ yếu hệ số phẩm chất G/T của bộ phát đáp. Bộ khuếch đại này phải có hệ số tạp âm thấp đồng thời phải có hệ số khuếch đại cao để hạn chế tạp âm phân bố của các tầng sau.
Các thông số đặc trưng cho bộ LNA:
+ Băng tần hoạt động: băng C là 6GHz, băng X là 8GHz, băng Ku là 14GHz, băng Ka là 30GHz.
+ Hệ số khuếch đại: (50÷60)±0,5 dB.
+ Hệ số tạp âm: 1,6 (6GHz), 1,9 (14GHz), 2,2(30GHz).
Để đảm bảo hệ số tạp âm của bộ khuếch đại thấp thì cần có nhiệt độ bên ngoài bộ LNA thấp, nên người ta đặt nó trong Heli lỏng gần độ 0 tuyệt đối.
- Bộ đổi tần xuống: Bao gồm một bộ trộn Mixer, một bộ dao động nội
Khuếch đại LNA Bộ lọc thông dải Bộ lọc thông dải Khuếch đại IF Bộ tạo dao động Bộ trộn tần
công tác cũng như bộ phát đáp thực hiện đổi tần bao nhiêu lần.Tầng này cần có tín hiệu dao động nội để biến đổi tần số. Công suất tín hiệu cấp từ bộ dao động nội cho đầu vào bộ trộn khoảng 10dB. Tần số của bộ dao động nội phải rất ổn định và có ít tạp âm.
- Bộ khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu sau khi đã đổi tần nhằm cung cấp công suất tín hiệu đủ lớn cho các tầng sau. Bộ khuếch đại này được thiết kế sao cho hệ số khuếch đại có thể điều khiển được từ xa. Do hoạt động trên băng tần rộng và khuếch đại một cách đồng thời nhiều sóng mang nên đặc tính truyền đạt của bộ khuếch đại này yêu cầu rất cao và công suất của hài bậc ba phải nhỏ hơn công suất của sóng mang ít nhất là 40dB đầu ra bộ khuếch đại.
Trong thực tế, máy thu được chế tạo theo modul phải đảm bảo được hệ số tăng ích yêu cầu và không đổi trên toàn bộ băng thông hoạt động. Để tăng độ tin cậy của hệ thống, máy thu có thể được đấu nối theo cấu hình dự phòng 1:1 [2].
b. Bộ phân kênh đầu vào IMUX
Máy thu là thiết bị băng rộng, trong khi đó có thể khuếch đại tín hiệu tới công suất đủ lớn cho đường xuống phải sử dụng các bộ khuếch đại công suất cao. Do vậy, để giảm hài xuyên điều chế băng thông của bộ phát đáp phải chia băng tần thành các băng con.
Hình 2.4. Sơ đồ bộ phân kênh đầu vào Kênh 1 Kênh 3 Kênh 5 Kênh 2 Kênh 4 Kênh 6 Bộ lọc giải Bộ lọc giải Bộ lọc giải Bộ lọc giải Bộ lọc giải Bộ lọc giải f K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K 6
- Nhiệm vụ của IMUX: Phân băng tần của máy thu thành các kênh tần số của bộ phát đáp 36MHz, 54MHz hoặc 72MHz…Các kênh này thường được tổ chức thành các nhóm số chẵn và số lẻ. Việc tổ chức này cho phép tăng thêm phân cách và giảm nhiễu giữa các kênh lân cận trong một nhóm.
- Yêu cầu: Tại tần số trung tâm đặc tuyến cộng hưởng của bộ lọc không được thay đổi trong suốt quá trình vệ tinh hoạt động. Do vậy các hốc cộng hưởng phải làm bằng vật liệu chịu nhiệt, có hệ số dãn nở nhỏ, độ dẫn tốt.
- Cấu hình của bộ phân kênh bao gồm các bộ xoay vòng và các bộ lọc thông dải, các bộ lọc thông dải này quy định băng thông của bộ phát đáp. Các kênh được tổ chức thành hai nhóm chẵn và lẻ. Sử dụng bộ Hybrid để chia thành hai phần dùng chung công suất đầu ra máy thu. Suy hao tín hiệu phụ thuộc vào số lần tín hiệu đi qua bộ xoay vòng và số lần phản xạ tại bộ lọc thông dải. Do vậy suy hao tín hiệu đối với các kênh khác nhau là khác nhau và đạt giá trị cực đại tại kênh xa đầu vào của bộ IMUX nhất. Để giảm chênh lệch suy hao giữa các kênh người ta chia bộ IMUX thành nhiều phần, mỗi phần hỗ trợ một số kênh [2].
c. Bộ khuếch đại kênh
Đây là thiết bị quan trọng nhất của bộ phát đáp, nó bao gồm nhiều bộ khuếch đại công suất cao HPA. Nhiệm vụ của HPA là cung cấp công suất theo yêu cầu cho đường xuống, xác định được công suất phát xạ đẳng hướng tương đương EIRP của mỗi kênh. Yêu cầu khuếch đại phải bảo đảm tính chất tuyến tính để hạn chế tạp âm xuyên điều chế phân bố tại đầu vào các trạm mặt đất. Ngoài ra cần có cấu hình dự phòng.Và để đạt được yêu cầu trên thì người ta có các giải pháp như sau:
- Do tín hiệu đầu vào máy thu sau khi khuếch đại bị suy hao trong bộ IMUX nên sử dụng bộ tiền khuếch đại trước bộ HPA để đạt tín hiệu đủ lớn điều khiển bộ HPA.
- Sử dụng các bộ cân bằng để bù đặc tuyến biên độ -tần số và pha -tần số của HPA.
Có hai bộ khuếch đại công suất cao thường được sử dụng trên vệ tinh đó là bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWTA (Traveling Wave Tube Amplituder) và bộ khuếch đại bán dẫn SSPA. Các thông số kỹ thuật của hai loại HPA như sau:
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của các loại HPA
Các thông số kỹ thuật TWTA SSPA
Băng tần hoạt động C, Ku, Ka C, Ku
Công suất bão hòa tại đầu vào (20÷200) W (20÷40) W Hệ số khuếch đại điểm bão hòa ~55 dB (70÷90) W
Tỷ số C/N (10÷12) dB (10÷18) dB
Hệ số chuyển đổi AM/PM 4.50/dB 20/dB
Hiệu suất (50÷60)% (30÷45)%
Khối lượng (1.5÷2.2) kg (0.8÷1.5) kg
Xác suất hỏng trong 109h <150 FIT <150 FIT
d. Bộ ghép kênh đầu ra OMUX
Tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại được tập hợp lại tại đầu ra của bộ phát đáp bằng bộ ghép kênh tại đầu ra để đưa ra anten. Yêu cầu không làm tổn hao công suất bức xạ của các bộ khuếch đại.
Để thoả mãn yêu cầu trên thì các bộ lọc đầu ra bộ khuếch đại công suất sẽ được ghép trực tiếp lên ống dẫn sóng chung trong đó ống dẫn sóng được ngắn mạch tại đầu cuối và đầu kia được nối với cổng tiếp sóng của anten [2].