- Vị trí của An ten trong trạm mặt đất
Việc truyền sóng điện từ trong không gian thường có thể thực hiện theo hai cách:
Cách thứ nhất là dùng các hệ truyền dẫn, nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi... sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc.
Cách thứ hai là sử dụng bức xạ ra không gian, trong trường hợp này sóng điện từ thuộc loại sóng tự do. Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc dùng để thu nhận sóng từ không gian bên ngoài được gọi là anten. Anten
phát có nhiệm vụ biến đổi từ sóng điện ràng buộc thành sóng điện từ không gian tự do và anten thu thì biến đổi ngược lại.
Trong trạm mặt đất thông tinh thì anten là thiết quan trọng nhất, nó chiếm tới 50% giá thành hoặc có thể hơn, bản thân nó quyết định cấu hình, hoạt động khai thác và chỉ tiêu của trạm mặt đất.
Các anten thường thực hiện đồng thời cả hai chức năng thu và phát nhờ có bộ lọc thu/phát siêu cao. Sau đây ta xét một số chỉ tiêu cơ bản của anten ảnh hưởng đến chất lượng của nó.
- Các thông số đặc điểm của anten. Hệ số tăng ích.
Hệ số tăng ích của một anten là tỉ số giữa công suất bức xạ hay thu trong mỗi đơn vị góc khối giưó anten và một anten chuẩn (thông thường là anten bức xạđẳng hướng) ở cùng hướng và cùng khoảng cách khảo sát, với giả thiết công suất đặt vào hai anten là như nhau. Hệ số tăng ích của anten thường được kí hiệu là G và nó được tính theo công thức:
G = (4/2 )Aeff Trong đó:
= c/f , (c = 3.108m/s là vận tốc ánh sáng, f là tần số làm việc của anten). Aeff là diện tích mặt phản xạ sóng điện từ tương đương của anten. Với anten parabol đường kính D thì A = D2/4, và Aeff = A, trong đó là hiệu suất anten. Từ các kết quả trên ta có:
G = (D/2
) = (Df/c)2 Tính theo dB:
G = 10lg[(Df/c)2] [dB]
Hiệu suất anten
Hiệu suất anten là một chỉ tiêu quan trọng nhất của anten và nó quyết định phẩm chất của trạm mặt đất. Muốn đạt tỷ số G/T cao nhất trong giải tần thì thu phải có anten hiệu suất cao và để đạt được tổn hao bộ khuếch đại công suất tới mức nhỏ nhất và để giảm các thành phần nhiễu điều chế trong băng tần phát cũng phải có
anten hiệu suất cao. Hiệu suất của anten được xác định bằng tỷ số của công suất bức xạ trên công suất đặt vào anten.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất anten được liệt kờ như sau:
Tổn hao mặt phản xạ chính pxc do mất mát công suất ra mộp ngoài mặt phản xạ chính, vì thế hiệu suất anten giảm.
Tổn hao mặt phản xạ phụ gây ra do phần bức xạ sơ cấp từ feedhorn bị mất mát một phần công suất ra mộp ngoài mặt phản xạ phụ tạo ra sự suy giảm về hiệu suất.
Hiệu suất che chắn gây ra bởi mặt phản xạ phụ và các thanh đỡ mặt phản xạ phụ, ký hiệu của suất che chắn là cc
Suy hao gây ra do sự không bằng phẳng của bề mặt phản xạ, suy hao này tạo lên hiệu suất bề mặt bm
Với các trạm mặt đất theo tiêu chuẩn A của Intelsat thì giá trị hiệu suất lấy trong khoảng 50% đến 75%.
Độ rộng búp sóng:
Trong thông tin vệ tinh đòi hỏi anten phải có đặc tính định hướng cao nghĩa là năng lượng khi anten phát đi có độ tập trung ở búp sóng chính và tương tự như vậy đối với tín hiệu thu về, độ rộng búp hướng anten cũng thể hiện điều đó. Để so sánh tính định hướng giữa các anten người ta đưa ra khỏi niệm độ rộng của đồ thị phương hướng. Theo định nghĩa, độ rộng của đồ thị phương hướng là góc giữa hai hướng, mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đi đến một giá trị nhất định. Thường độ rộng của đồ thị phương hướng được xác định ở hai mức: bức xạ không và bức xạ nửa công suất. Trong đó độ rộng của đồ thị phương hướng theo mức nửa công suất là góc giữa hai hướng mà theo đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với hướng cực đại. Góc này thường được kí hiệu là BW3dB được tính tại điểm -3 dB (tại điểm này hệ thống tăng ích của anten giảm xuống còn một nửa so với giá trị cực đại).
BW3dB = 70 fD D 1 . 21 (độ)
Trong đó: f: tần số làm việc tính bằng GHz D: đường kính anten tính bằng một Ta lại có: G = 2 2 c Df D suy ra: G = 2 3 2 70 dB c f
Như vậy hệ số tăng ích G không những phụ thuộc vào hiệu suất của anten mà nó còn phụ thuộc vào góc nửa công suất 3dB (hình H.2.2). Nói cách khác, hệ số tăng ích của anten còn phụ thuộc vào tính định hướng anten. Khi độ rộng búp sóng càng nhỏ (tính định hướng càng cao) thì hệ số tăng ích anten theo hướng búp sóng chính càng lớn, và ngược lại độ rộng búp sóng càng lớn thì hệ số tăng ích anten càng nhỏ.
- Anten CASSEGRAIN
Hiện nay hầu hết các trạm mặt đất tiêu chuẩn A đều dùng loại anten Cassegrain. Anten Cassegrain thuộc loại anten gương kộp và có cấu tạo như hình vẽ dưới đây: O2 D O1 D F Hình 1.5: Anten Cassegrain
Hệ thống bức xạ của anten bao gồm: Một mặt phản xạ chính có cấu tạo Parabol, mặt phản xạ phụ có cấu tạo Hypecbol và một Feedhorn như hình vẽ trong đó 01 là tiêu điểm của mặt phản xạ chính và 02 là tâm pha tương đương của Feedhorn. Feedhorn được nối với bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA bằng đường ống dẫn sóng rất ngắn nhưng giảm được tạp âm phiđơ. Hơn nữa hiện tượng spillover (hiện tượng tổn thất sóng ở gương phản xạ) đối với Cassegrain xảy ra tại rìa gương phụ theo hướng truyền của sóng làm giảm biên độ búp sóng phụ nên giảm được phần nào tạp âm anten do búp sóng phụ gây nên. Giá trị góc mở của anten 2 thông thường người ta chọn từ 1400
đến 1800 trên cơ sở đặc tính bức xạ và kết cấu cơ khí anten. Giá trị F/D liên quan chặt chẽ đến chỉ tiêu chất lượng anten như tải trọng gió chịu đựng và nhiờtj độ tạp âm. Giá trị Ds/D thường được chọn bằng khoảng 1/10, có cân nhắc đến ảnh hưởng che chắn của mặt phản xạ phụ và khả năng tạo chùm tia của nó.
Anten cassegrain có ưu điểm so với anten parabol là kích thước theo hướng trục của nó nhỏ hơn đồng thời do bộ chiếu (feedhorn) đặt gần đỉnh gương nên kết cấu sẽ đơn giản và tiện lợi hơn. Nhược điểm duy nhất của loại anten này là gương phụ sẽ chắn mất một phần không gian trước gương chính gây ra một miền nối, làm ảnh hưởng tới hiệu suất anten.
Góc quay và độ chính xác cơ khí của anten: Anten trạm mặt đất phải có khả năng quay được tối thiểu 100
cho cả góc phương vị và góc ngẩng xung quanh chiều hướng tới vệ tinh địa tĩnh mới đáp ứng được tiêu chuẩn một trạm mặt đất làm việc trên mạng thông tin vệ tinh Intelsat.
Trên phương diện bảo quản, bảo dưỡng và đo thử người ta cần loại anten quay được càng rộng càng tốt, ngày nay các anten có thể quay được tới 3600
(quan sát được toàn bộ bầu trời) với các cơ cấu cơ khí gọn nhẹ nhưng chắc chắn.
Ngoài ra để đạt được tính định hướng cao, các mặt phải có độ chính xác bề mặt cao đồng thời anten phải có độ chắc chắn cơ học để chống các tác động từ bên ngoài như gió bão, động đất hay các tác động khác.
- Hệ thống bám vệ tinh trong anten trạm mặt đất:
Về mặt lý thuyết, vệ tinh địa tĩnh được xem như đứng yên so với trái đất. Nhưng thực tế do các tác động của sức hút trái đất, mặt trăng, mặt trời làm cho vệ tinh không ở đúng vị trí quỹ đạo và độ nghiêng của nó trên quĩ đạo cũng thay đổi. Vì vậy, để bảo đảm cho anten trạm mặt đất luôn luôn hướng đúng vệ tinh người ta phải trang bị các thiết bị bám vệ tinh để điều khiển anten luôn hướng đúng vệ tinh. Các phương pháp bám vệ tinh thường được sử dụng trong kỹ thuật thông tin vệ tinh ngày nay bao gồm:
- Bám vệ tinh kiểu xung đơn
Kiểu bám vệ tinh này được ứng dụng rộng rãi trong các trạm mặt đất thuộc loại tiêu chuẩn A. Việc bám vệ tinh được thực hiện dựa trên cơ sở quan sát các mode sóng đang làm việc. Nếu phát hiện và tách được các mode sóng làm việc thì sẽ xác định được mức độ hướng dúng vệ tinh của anten trạm mặt đất.
Cần có một số các Feedhorn phụ đặt gần xung quanh feedhorn chính để hệ thống có khả năng giám sát được các mode sóng đang làm việc, do vậy sẽ điều khiển được anten hướng đúng vệ tinh.
Thực hiện việc điều khiển bám vệ tinh phải có các thiết bị phân tích và xử lý mode sóng. Kiểu điều khiển bám vệ tinh này có ưu điểm là chính xác nhưng nhược điểm là hệ thống bám liên tục làm việc. Như vậy vừa tốn năng lượng vừa chóng mài mòn các kết cấu cơ khí của anten.
- Bám vệ tinh kiểu từng bước
Kiểu bám này dựa trên cơ sở giám sát một tín hiệu phát từ vệ tinh xuống gọi là tín hiệu dẫn đường (beacon) và được thiết lập theo một chu kỳ thời gian định trước.
Hệ thống này được thực hiện bởi mạch bám từng nấc dựa trên mức điện áp một chiều của tín hiệu beacon thu được. Căn cứ vào mức điện áp đó mà xác định hướng để dịch chuyển anten và tạo tín hiệu triger để khởi động hệ thống điều khiển các góc phương vị và góc ngẩng của anten.
Hiện nay trên mạng vệ tinh dùng các tần số dẫn đường 3947,5MHz; 3948MHz; 3952MHz; 3953MHz. Trong đó các tần số 3947,5MHz thường được sử dụng. Các tín hiệu khác, thường dùng khi phóng vệ tinh hay trong khi đưa vệ tinh vào đúng vị trí quỹ đạo.
Hệ thống bám vệ tinh sẽ giám sát tín hiệu dẫn đường của vệ tinh mà trạm sử dụng tại những khoảng thời gian nhất định. Hệ thống sẽ lấy mẫu tại một số thời điểm trong cửa sổ. Mức điện của các mẫu sẽ được dem so sánh để xác định xem vệ tinh có ở trung tâm cửa sổ hay không. Bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho anten quay về hướng có mức beacon lớn nhất. Trong trường hợp tín hiệu beacon bất ngờ bị tụt xuống dưới mức đã định thì hệ thống bám được khởi động ngay lập tức.
Kiểu bám từng bước không phải liên tục được điều khiển như kiểu bám xung đơn do đó không tốn năng lượng và làm mòn kết cấu cơ khí. Nhược điểm của phương pháp này là không chính xác như phương pháp bám theo kiểu xung đơn vì mức đỉnh của tín hiệu luôn chỉ ở mức gần đạt tới, mức tín hiệu thu luôn luôn được duy trì trong một khoảng cho phép. Tuy vậy phương pháp này vẫn được dùng phổ biến nhất trong các trạm mặt đất do có những ưu điểm về kinh tế trong khi đó nhược điểm về độ chính xác vẫn chấp nhận được trong yêu cầu của hệ thống bám vệ tinh.
- Bám vệ tinh theo chương trình
Phương pháp này dựa trên số liệu thiên văn của các vị trí quỹ đạo vệ tinh được đoán trước do Intelsat cung cấp cho các trạm mặt đất. Các số liệu thích hợp này thường được cung cấp trước một khoảng thời gian nhất định và sẽ được sử lý, đưa ra các tín hiệu thích hợp để điều khiển anten bám vệ tinh. Bám vệ tinh theo chương trình rất phù hợp cho các trạm nhỏ vì nó không cần thu các tín hiệu beacon cũng như không cần trang bị các thiết bị xử lý tín hiệu kèm theo do đó kinh tế hơn các kiểu khác.
- Bám vệ tinh kiểu nhân công:
Chỉ thực hiện ở các trạm mặt đất cỡ nhỏ vì anten ở đấy có búp sóng lớn nên chỉ cần điều chỉnh hàng tuần hoặc hàng tháng theo kiểu bật điện cho mô tơ chạy hoặc chỉnh bằng tay.