业余卫星主要通信设备概述

6.3　业余卫星主要通信设备概述

了解业余卫星通信设备的配置和功能是开展探究活动的基础。与一般地面V/U波段的无线电通信相比，业余卫星设备的配置、调试和操作要求相对较高。从上节我们知道，卫星通信的基本设备配置为：收发信机、天线、转向器。辅助设备包括：功率放大器、前置放大器、滤波器、数字通信设备等。以下一一对此进行说明。

1.业余卫星通信天线

接收或发射卫星通联信号，一般需要使用高增益和方向性好的卫星通信天线（见图6－3至图6－6）。由于卫星上行信道与下行信道分别采用不同的频段，所以发射和接收一般使用不同的天线。此外，卫星在空间飞行时天线与地面的夹角不确定。因此，一般情况下，水平、垂直，或圆极化波的天线都可用于卫星地面站。

碟形天线也称为Dish，常用作卫星电视天线。业余卫星的信号来自大气层之外，回到地球后，由于历经的路程遥远、能量衰减损耗严重，到地面时一般已经相当微弱。为了能接收到已经很微弱的无线电信号，不少地面站卫星天线会采用碗形的集聚状，就像放大镜，把天波能量集中到聚焦点，便于放大接收。曾经有人把普通对讲机的直立天线放置在直径约7米的卫星电视碟形天线的聚焦点，居然可收到碟形天线所对准方向240千米外VHF段清晰的无线电信号，天线聚焦产生的增益相当明显。不过虽然这类天线性能较好，但对广大爱好者来说，其制作、安装和移动有一定难度，尤其是调试的过程，相对比较复杂。同时要准确即时地转向，实现卫星跟踪也比较困难。因此除了极少数资深业余卫星和月面反射通信爱好者使用碟形天线以外，大部分还是乐于选用设计制作简单、轻巧耐用的多列阵八木天线。八木天线除了可以单独工作以外，还可以由多支八木天线排列组成列阵[两列或四列（见图6－3，图6－4），甚至八列阵]。天线对准方向的接收信号强度相对于直立天线而言会增强数十倍至百倍甚至更多。

图6－3　六列阵双波段卫星天线

图6－4　双列阵双波段卫星天线

图6－5　十字形双波段八木天线

图6－6　碟形卫星天线

2.卫星天线转向器

为了取得最大的信号增益，在进行卫星通信时，要及时调整天线主波瓣的接收方向，使它对准卫星。与一般地面通信天线转向系统有所不同的是：卫星天线必须配有水平与仰角这两个方向的转向器（见图6－7）。一般可以将这两个转向器分开安装，但最终的控制器要能同步操作（见图6－8）。加装了计算机转向控制软件模块后，还可通过计算机程序驱动自动调整方向，实现卫星跟踪自动化。

图6－7　通信塔顶的水平与仰角转向器

图6－8　天线转向水平和仰角控制器

水平角度的转动在转向器上标记为Azimuth，其标值范围从0～360°，操作者可以按CCW（逆时针）键或CW（顺时针）实现不同方向的转向。当旋转角度顺时针超过360°的时候，警示灯亮起（Overlap），但此时还有约15°可以调整。当总的旋转角度达到375°时，水平转向器会自动停止，防止过角度旋转造成缆线缠绕。

仰角的转动在转向器上标记为Elevation，其标值范围从0～180°。按CCW与CW按钮同样能完成不同方向的转向，它也有过角度自动停止设计。

两种转向器一般都能进行旋转速度（Speed）调整，一部分旋转器还具有预设（Preset）功能，从而能不用手动操控，实现“半自动”转向的功能。还有一部分天线转向器具有外接数据接口，能在驱动模块和计算机及软件的控制下，自动启动，调整方向，实现卫星即时自动追踪。

3.业余卫星收发信设备

有别于一般的业余无线电通信，卫星通信的收发信设备要求能在多个频段上通信并具有较强的抗干扰能力和灵敏度。一般情况下，至少要拥有UV波段接收和发射能力，并具有分开的UV射频接头（最好不要使用UV两个波段共用一个射频接头设计的电台）。可选用的收发信机的型号如：FT 736，IC 910，TH F7等（图6－9，图6－10，图6－11）；频率调谐的精度要求也比较高。调谐精度至少能达到1 KHz；电台最好具有多种调制方式如：SSB，CW，FM，FSK等，以便应对不同业余卫星通信模式；不少业余卫星采用FM转发器通信时，会采用亚音频上行的调制方式，所以地面站选用的收发信机必须加装或已经内置了亚音频模块；最后电台必须具有与卫星通信相匹配的发射功率。

图6－9　多波段电台FT－736

图6－10　多波段电台IC－910

图6－11　多波段手持电台TH－F7

4.卫星通信用高频通信电缆

在短波通信中，我们大多是使用国产SYV系列射频线缆（见图6－12，图6－13），如常用的SYV—50—5—1或SYV—50—5—3等。这些电缆能否在业余卫星通信中使用呢？答案是：如果使用的线缆长度比较长（20米及以上），建议使用SYFV系列线缆。主要原因是：SYV线缆的外屏蔽网与同轴芯线之间使用的介质是高密度聚乙烯材料。由于SYV的传输介质密度高，所以对高频信号损耗大，常用于几十MHz以下信号的传输，如短波通信等。

图6－12　SYV系列射频电缆

图6－13　SYWV’50’5’7线缆图

用于超高射频传输的电缆型号为SYWV或SYFV。其外屏蔽层与线芯之间的介质是物理发泡材料。由于SYWV、SYFV的传输介质密度小，所以对高频信号损耗较小，可用于高达数百兆赫兹的卫星射频信号传输。SYFV与SYV技术参数对比见表6－6。一般而言，选用的线缆越短越粗，中心线芯的股数越多，衰减会越小。

表6－6　SYV与SYFV系列射频电缆性能参数对照表

5.辅助设备

（1）前置放大器

为了进一步加强信号强度，可加装前置放大器，如美国MIRAGE出品的KP系列多波段信号放大器（图6－14），它一般用砷化镓低噪声放大器构成，可使收信机的信号强度得以明显加强。这类前置放大器需要安装在天线输出端，还需要额外提供独立的工作电源与控制器（图6－15）进行开启与关闭。实验后发现：加装前置放大器后，一般收信机的信号强度可以增加至少20 dB，FM方式特别明显。

图6－14　KP系列信号放大器

图6－15　放大器控制器

（2）射频功率放大器

如果地面站发信机连接天线的射频缆线长，功率损耗较大时，可使用功率放大器（图6－16）。使用普通电缆时，一般长度增加20米，V/UHF段的射频输出功率就会降低近一半。如果电缆确实过长，衰减太大，加装功率放大器可以有效地解决这一问题。但加装功率放大器对天线系统的要求会有所提高，要使用驻波比良好的天线，以防辐射能量反射致使收发信设备损坏。对于卫星通信来说，射频功率放大器的输出功率不宜太大，过大的发射功率会影响他人通信。

图6－16　430 M Hz, 100W功率放大器

（3）滤波器

如果有多台收发信设备与天线都安装在同一场所，且工作时间重合，为了防止大功率发射设备产生的高次谐波和寄生信号产生的干扰，可以根据实际情况，加装一些滤波器（图6－17）。一般可使用LC滤波器或空腔滤波器。LC滤波器能承载的电流一般比空腔滤波器大，但品质系数Q相对较差，效果有限。而空腔滤波器虽然品质系数好，但能通过的电流一般不太大，因此适合用于接收下行信号。具体可根据周围的环境是否需要和设备情况，综合考虑选用何种型号和性能的滤波器。

图6－17　多种波段的滤波器

（4）功分器

一般业余卫星通信天线多采用多单元定向天线。但天线单元数越多，天线长度就越大，重量也越大，对天线主梁和支架设计和材料的要求就会提高。为了减轻单支天线主梁的重量，同时达到较高的增益，就需要把几副八木天线“并联”起来，使每副天线接收的无线电信号相互叠加。这就必须要加装天线功分器（见图6－18，6－19）。天线功分器主要有两项功能：完成各天线信号的叠加；调整各天线的阻抗使之与电台相匹配。最后选用功分器还需要考虑它能承载的射频功率。

图6－18　电桥功分器

图6－19　空腔功分器

（5）数字通信设备

数字通信具有速度快、容量多、抗干扰性好的优点。卫星通信中多用于遥测信号的收发和PBBS站通联等。数字设备可用于分包通信（PACTOR），使用TNC进行数据解调（见图6－20），电台可根据不同卫星数字通信的要求，分别采用：FM、PSK、FSK等调制方式和计算机连接。随着计算机信息技术的不断发展与数字通信软件的开发应用，目前也可使用计算机声卡作为一种调制解调设备，配合使用数字通信软件，能实现业余卫星的一些数字通信方式。

我国的“希望一号”业余卫星调频转发器和数据存储转发器共用一个16 KHz带宽的无线电信道。调频语音通信中继由67 Hz亚音频触发，数据存储和转发通信采用AFSK调制方式，调频数据存储转发器的输出功率为1W，上行信道频率145.825 MHz，下行信道频率435.675 MHz。“希望一号”卫星PBBS站能允许一个地面站用户上传大于512字节但小于48 K的短信文件，最多让3个用户共用一个信道。

图6－20　PK232 KAM无线数据通信调制解调器