Các loại anten trạm mặt đất

Trong thông tin vệ tinh có thể sử dụng nhiều loại anten có đường kính từ 0,6 đến 30m tùy vào mục đích sử dụng cho trạm phát hay thu. Thông thường có loại anten được dùng nhiều trong thông tin vệ tinh là anten Parabol, casegrain và anten lệch (bù)

2.2.1.1. Anten Parabol có sơ cấp đặt tại tiêu điểm

Hình 2-2: Anten phản xạ parabol [10]

Đây là loại anten có cấu trúc đơn giản nhất và giá thành thấp nhất, nó được dung chủ yếu cho các trạm chỉ thu và các trạm nhỏ đặc biệt với dung lượng thấp bởi vì nó có nhiều nhược điểm như hệ số tăng ích, búp sóng phụ không được tốt. Một nhược điểm nữa là cáp đấu nối từ loa thu đến máy phát và máy thu thường dài. Bởi vậy nó không sử dụng ở các trạm mặt đất thông thường ( trạm mặt đất bao gồm cả thu và phát).

2.2.1.2. Anten Cassegrain

Hình 2-3: Cấu hình gƣơng anten Cassegrain [10]

Loại anten này có thêm một gương phản xạ phụ vào gương phản xạ chính, Loại anten này có ưu điểm hơn so với aten parabol có sơ cấp đặt tiêu điểm là hệ số tăng ích của anten được nâng lên và đặc tính búp sóng phụ cũng được cải thiện. Anten Cassegrain còn có một ưu điểm nữa là Feedhorn được nối với LNA bằng một đường ống dẫn sóng rất ngắn vì vậy giảm được tạp âm Phi đơ.

2.2.1.3. Anten lệch (bù)

Anten lệch có bộ phận fiđơ, gương phản xạ phụ được đặt ở vị trí lệch một chút so với hướng trục chính của gương phản xạ chính.

Anten lệch có hai loại chính:

o Loại anten parabol lệch một gương phản xạ.

o Loại anten Gregorian có gương phản xạ phụ dạng elip hoặc hypebol.

Ưu điểm của loại anten lệch:

o Do cấu tạo đặt lệch giữa gương phản xạ phụ và hướng chính của gương phản xạ chính nên gương phản xạ phụ không che chắn đường đi của sóng phản xạ từ gương chính làm tăng hiệu suất anten.

o Các anten này có hiệu quả đặc biệt khi cần giảm can nhiễu từ các đường thông tin vô tuyến khác.

o Loại anten lệch cho hiệu suất cao, tạp âm thấp, búp sóng phụ nhỏ, đặc tính phân cực tốt. Chúng thường sử dụng cho các trạm mặt đất quy mô chất lượng cao cùng thu và phát hoặc phát đồng thời cho nhiều sóng mang.

Hình 2-4: Anten lệch 2.2.2. Hệ số tăng ích của anten

Hệ số tăng ích của anten trên một hướng  là tỉ số công suất phát (hoặc thu) trên mỗi đơn vị góc mở của nó theo hướng  chia cho công suất phát (hoặc thu) trên mỗi đơn vị góc mở của một anten vô hướng có cùng công suất.

G = 4π.Ae.η/λ2 (2.1)

Trong đó: Ae là diện tích hiệu dụng của anten, d là đường kính anten,  là bước sóng làm việc,  là hiệu suất của anten.

Biểu thức này cho thấy, khi nhìn từ đầu phát, khả năng tập trung sóng vô tuyến điện vào một hướng xác định, so với trường hợp sóng bức xạ đồng đều theo mọi hướng. Biểu thức này cho phép ở đầu thu dự đoán khả năng thu sóng khuếch tán yếu.

Trong trường hợp anten gương tròn với đường kính d[m]: Ae = Лd2/4 thay vào (2.1) ta có:

G = (d/ )2 = (df/ c)2 (2.2) Hoặc tính theo dB:

G[dBi] = 10log(η)+ 20log(f[GHz])+20log(d[m]) +20log (1*109*/c) (2.3) Trong đó:

η là hiệu suất của anten d (m) là đường kính anten

f (GHz) là tần số làm việc

c (m/s) = 3.108 là vận tốc ánh sáng

Hiệu suất toàn phần  của anten trên thực tế có giá trị khoảng 55 75. Các mất mát chủ yếu của anten là do hiệu ứng tràn và dung sai chế tạo.

2.2.3. Độ rộng búp sóng

Độ rộng bước sóng của anten là độ rộng của búp sóng của tín hiệu cao tần mà anten phát ra. Độ rộng búp sóng được định nghĩa cụ thể là độ rộng búp sóng góc nửa công suất (HPBW: half power beamwith). Công thức tính góc nửa công suất như sau:

HPBW = 

𝑑 𝑛 57,29 (2.4)

2.2.4. Búp sóng phụ

Ngoài ra trị hệ số tăng cho hướng búp sóng chính, xét đến hệ số tăng ích của búp sóng phụ. Giá trị GUIWS được tính dựa vào giản đồ bức xạ của anten trạm mặt đất gây nhiễu và góc lệch trục θt là góc tính từ hướng của búp sóng chính đến hướng của búp sóng phụ.

Trên hình 2.5 là giản đồ bức xạ của một anten Parabol có xét đến đặc tuyến của búp sóng phụ

Hình 2-5: Đồ thị bức xạ của anten parabol Hệ số tăng ích của anten được tính theo 2 trường hợp sau:

Nếu d/> 150 thì G = 29 -25logθt (2.5)

Nếu 35<d/<100 thì G = 52 -10log d/-25logθt (2.6)

Giá trị t được thính theo giá trị g là góc giữa vệ tinh vệ tinh mong muốn

và vệ tinh bị gây nhiễu được tính gần đúng như sau:

t= arcos 𝑑12+𝑑22−(84.332 sin

𝑔 2) 2

2𝑑1𝑑2 (2.7)

Trong đó:

- d1, d2 (km) là khoảng cách từ trạm mặt đất bị nhiễu đến các vệ tinh mong muốn và vệ tinh gây nhiễu.

- g(độ): là góc trong mặt phẳng quỹ đạo giữa vệ tinh mong muốn và vệ tinh gây nhiễu, có tính đến cả việc ổn định vị trí vệ tinh.

2.3. ĐẦU THU PHÁT SÓNG (FEED HORN) 2.3.1. Chức năng đầu thu phát sóng 2.3.1. Chức năng đầu thu phát sóng

Hệ thống đầu phát sóng là bộ phận bức xạ ra sóng điện từ của anten. Ngoài chức năng bức xạ, đầu thu phát sóng còn có các nhiệm vụ sau:

- Tạo dạng cho búp sóng. Trên hình 2.5 ta thấy độ rộng của búp sóng phụ thuộc vào góc phát xạ của đầu thu phát sóng.

- Phân tách tín hiệu phát và tín hiệu thu với yêu cầu gây can nhiễu và suy hao nhỏ nhất vì các ES thường thu phát sóng đồng thời trên 1 anten.

- Biến đổi phân cực từ phân cực tròn thành phân cực thẳng khi thu và ngược lại khi phát.

Hình 2-6: Đầu thu phát sóng của ăn-ten 2.3.2. Cấu trúc của đầu thu phát sóng

Hình 2.6 cho ta thấy cấu trúc tổng quát của một đầu thu phát sóng. Nó gồm có ba bộ phận chính sau:

- HORN là bộ phận định dạng búp sóng. Có nhiều kiểu Horn khác nhau trong đó loại Horn nhăn hình côn (The corrugated conicol horn) là loại phổ biến nhất trong hệ thống anten Cassegrain. Nó phát ra một búp sóng đối xứng trục có độ rộng bất biến theo tần số và gây hiệu ứng tràn gần như không đáng kể. Tuy nhiên loại Horn này có nhược điểm là tạo ra một độ mở anten khá lớn gấp khoảng 1.5 lần độ mở mong đợi.

- Bộ phân cực POLARIZER dùng để biến đổi phân cực tròn của sóng mang thành phân cực thẳng đối với tuyến xuống và ngược lại đối với tuyến lên tạo điều kiện cho bộ nối vuông góc dễ dàng phân tách tín hiệu thu và tín hiệu phát.

- Bộ phân tách (DIPLEXER) là bộ chia tách tín các hiệu thu và phát cùng sử dụng một anten chung. Trong bộ phân tách tín hiệu phát có công suất rất lớn còn tín hiệu thu có công suất rất nhỏ. Do công suất tín hiệu thu rất yếu, máy thu rất nhạy cho nên dù chỉ có một lượng nhỏ tín hịệu phát can nhiễu sang đường thu cũng đủ làm cho máy thu bị hỏng hoặc chèn lấp tín hiệu thu. Vì vậy thông thường ở cổng thu của bộ phân tách phải có một bộ lọc để loại bỏ thành phần tần số cao của tín hiệu phát bị lẫn vào đường thu. Bộ lọc này cần phải đảm bảo một sự phân cách trên 50dB giữa tín hiệu thu và tín hiệu phát.

Trên thực tế người ta hay sử dụng loại đầu thu phát sóng sử dụng lại tần số. Lúc đó bộ phân cực còn có tác dụng phân tách sóng mang LHCP và RHCP ở hướng thu, chuyển thành các phân cực thẳng rồi đưa đến hai bộ phân tách riêng và thực hiện quá trình ngược lại ở phía phát. Ngoài ra còn có loại đầu thu phát sóng làm việc đồng thời được với băng C và băng Ku thông qua một thiết bị đặc biệt, có đặc tính trong suốt đối với sóng mang băng Ku và phản xạ sóng mang băng C. Với thiết bị này ta có thể phân tách riêng hai băng sóng mang trước khi đưa đến hai bộ phân cực tương ứng.

2.4. BỘ KHUẾCH ĐẠI TẠP ÂM THẤP 2.4.1. Giới thiệu 2.4.1. Giới thiệu

Tín hiệu thu từ vệ tinh về rất yếu, thường khoảng -150 dBW trên nền tạp âm lớn, vì vậy bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) có một vai trò quan trọng trong trạm mặt đất để vừa khuếch đại tín hiệu vừa không làm giảm chất lượng tín hiệu.

Vị trí lắp đặt LNA càng gần đầu thu càng có lợi về mức tín hiệu vì giảm tạp âm và suy hao do giảm được chiều dài ống dẫn sóng.

2.4.2. Các loại khuếch đại tạp âm thấp

Khuếch đại GaAs-FET: khuếch đại dùng transistor trường loại bán dẫn

hỗn tạp Gali-Arsenic (GaAs-FET) được sử dụng rộng rãi ở vùng tần số cao với đặc tính băng rộng, hệ số khuếch đại và độ tin cậy cao.

Khuếch đại thông số: Nguyên tắc hoạt động của loại này là khi một tín

hiệu kích thích đặt lên một điốt điện dung, các thông số mạch điện của nó thay đổi và tạo ra một điện trở âm, do đó khuếch đại tín hiệu vào. Như vậy, từ sự biến đổi điện dung của điốt do tín hiệu kích thích được dùng cho khuếch đại. Việc giảm nội trở của điốt sẽ tạo ra các đặc tính tạp âm thấp.

Bộ khuếch đại thông số có một hạn chế so với bộ khuếch đại GaAs-FET như sau:

- Cần có một mạch tạo ra tín hiệu kích thích.

- Khó điều chỉnh và không phù hợp với việc sản xuất hàng loạt. - Băng tần hẹp, bất lợi về độ tin cậy và bảo dưỡng.

Khuếch đại Transistor: có độ linh động điện tử cao HEMT (High Electron

Mobility Transistor): nguyên lý của bộ khuếch đại này là lợi dụng chất khí điện tử hai chiều với độ linh động cao phù hợp đối với khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu tần số cao. Ưu điểm của nó là băng thông rộng, kích thước nhỏ, dễ bảo dướng và thuận lợi cho sản xuất hàng loạt.

2.5. BỘ ĐỔI TẦN 2.5.1. Khái niệm 2.5.1. Khái niệm

Cũng giống như vệ tinh, các trạm mặt đất cũng có các bộ đổi tần (FC) nhưng không phải là để đổi từ tần số hướng lên thành tần số hướng xuống mà là để đổi từ tần số cao của sóng mang thành trung tần và ngược lại. Vị trí của bộ đổi tần là thường ở đằng sau bộ khuếch đại tạp âm thấp của máy thu và sau bộ khuếch đại công suất cao của máy phát. Trong một số trường hợp để thuận tiện và tránh suy hao trên Feeder, người ta phối hợp LNA và bộ đổi tần thành một khối chung gọi là bộ đổi tần tạp âm thấp (LNC - Low Noise Convertor) đặt ngay sau anten. Bộ đổi tần của các trạm mặt đất được đánh giá bằng những thông số đặc trưng sau:

Tại trạm mặt đất các bộ đổi tần làm việc với hai băng tần tín hiệu là băng cao tần RF (Radio Frequency) và băng trung tần IF (Intermediate Frequency). Khi độ rộng băng RF khá hẹp, ví dụ như đối với một bộ phát đáp 36MHz, tần số IF thường vào khoảng 70 MHz hay dải IF bằng 7018 MHz. Nếu như RF rộng hơn thì tần số IF cũng thường được chọn lớn hơn (ví dụ như 14036 MHz ) để có thể lọc tốt hơn các tần số ảnh. Trong trường hợp này trạm mặt đất có thể thu phát luồng số có tốc độ 120 Mbit/s TDMA-PSK.

Một vệ tinh có nhiều bộ phát đáp. Vì vậy mà trong ES có thể có nhiều bộ đổi tần để làm việc với các bộ phát đáp đó. Đối với hệ thống vệ tinh đơn búp sóng (Mono Beam), vệ tinh phủ sóng đồng thời đến tất cả các ES trong mạng. Do đó tín hiệu đầu vào các trạm mặt đất là toàn bộ dải 500MHz của vệ tinh chứa tin tức của tất cả các trạm. Các trạm mặt đất thông qua bộ đổi tần và các bộ lọc BPF để lấy ra các tin tức của mình trong đó.

b) Độ linh hoạt tần số

Tần số cũng như độ rộng của các băng sóng (IF hoặc RF) có thể phải thay đổi ở một lúc nào đó vì nhu cầu gia tăng lưu lượng thông tin hay khi hệ thống thay vệ tinh mới. Vì vậy các bộ đổi tần cần phải có khả năng thay đổi các thông số làm việc một cách nhanh chóng, thuận tiện, dễ dàng và ít tốn kém nhất. Khả năng này gọi là độ linh hoạt và các bộ đổi tần kép đều có độ linh hoạt rất cao.

c) Độ tuyến tính

Trong những hệ thống SCPC một sóng mang chỉ mang duy nhất một kênh cho một bộ phát đáp. Để tiết kiệm, một số sóng mang tín hiệu có thể cùng được đưa vào một bộ đổi tần chung và do đó chúng có thể gây nên các thành phần xuyên điều chế hay là các tần số ảnh (Image Frequency). Để giảm đến mức tối thiểu sự ảnh hưởng này thì các bộ đổi tần phải có độ tuyến tính tốt và có một khoảng ngăn cách đủ lớn giữa các sóng mang. Đối với một sóng mang nhưng chứa một số lượng lớn các kênh thông tin như trong hệ thống MCPC thì độ tuyến tính của bộ đổi tần cũng cần phải cao để loại bỏ sự méo tín hiệu do can nhiễu giữa các kênh.

d) Độ dung sai tần số sóng mang

Trong quá trình truyền dẫn, tần số sóng mang có thể bị trượt bởi nhiều nguyên nhân ví dụ như do hiệu ứng Doppler. Khi đến máy thu của trạm mặt đất, các sóng mang bị di tần trong khoảng cho phép vẫn phải được thu một cách chính xác. Khoảng tần số có thể xê dịch được quy định cụ thể và thông số này càng nhỏ đối với các tần số càng thấp (ví dụ 40 KHz cho sóng mang 1.25 MHz; 50KHz cho cho sóng mang 2.5 MHz;  80KHz cho cho sóng mang 5 MHz; 250KHz cho cho sóng mang TV). Đối với hệ thống SCPC dung sai này yêu cầu thấp hơn nhiều (chỉ khoảng 250 Hz). Để có thể chấp nhận được dung sai tần số sóng mang các bộ dao động nội phải sử dụng các mạch dao động tinh thể tự động điều chỉnh.

2.5.2. Các bộ đổi tần kép

Bộ đổi tần đơn là bộ đổi tần đơn giản và rẻ tiền vì nó chỉ thực hiện đổi tần một lần, do đó chỉ cần sử dụng một bộ trộn tần và một bộ dao động nội. Tuy nhiên bộ đổi tần đơn lại có những nhược điểm lớn như thiếu độ linh hoạt, kém chính xác khi làm việc ở tần số cao, tạo ra nhiều thành phần xuyên điều chế. Khi thay đổi tần số làm việc, không những tần số dao động nội phải thay đổi mà đặc tuyến của bộ lọc BPF 36MHz cũng phải thay đổi.

Bộ đổi tần kép sử dụng hai bộ đổi tần đơn ghép nối tiếp nhau do đó việc đổi tần được thực hiện hai lần. Trong đó bộ dao động nội thứ nhất có thể thay đổi được tần số ngoại sai. Tính linh hoạt của nó thể hiện ở chỗ khi cần thay đổi tần số hay dải tần làm việc thì người ta chỉ phải điều chỉnh tần số của bộ dao động nội thứ nhất mà không phải thay đổi các bộ lọc BPF 36MHz. Các bộ đổi tần kép lên (Double Up Converter) và đổi tần kép xuống (Double Down Converter) có thể khắc phục được các nhược điểm chính của bộ đổi tần đơn nên thường được dùng rộng rãi trong các trạm mặt đất hiện nay.

Hình 2-7: Bộ hạ tần kép băng C độ rộng 36 MHz

Hình 2.7 cho ta một ví dụ về bộ hạ tần kép làm việc ở băng C có tần số trung tần bằng 70MHz độ rộng băng là 36 MHz. Sau khi được phân chia công suất nhờ bộ chia, tín hiệu thu được khuếch đại rồi đưa qua bộ BPF 500 MHz để lọc bỏ nhiễu sau đó đưa vào trộn tần. Thiết bị này có hai bộ hạ tần đơn trong đó LO1 (độ dao động nội) thay đổi được tần số ngoại sai. Khi thay đổi tần số làm việc F0 ta chỉ việc thay đổi tần số của LO1 mà không phải thay đổi bộ lọc BPF 36 MHz. Điều này được thể hiện trên hình 2.8.

Hình 2-8: Nguyên lý hai kiểu hạ tần: a) Đơn - b) Kép