Δορυφορικές Επικοινωνίες

Δορυφορικές Επικοινωνίες Διάλεξη #4 Μηχανική των Δορυφόρων Διδάσκων: Αθανάσιος Κανάτας Καθηγητής Πανεπιστηµίου Πειραιώς Περιεχόμενα Διάλεξης #4 Σύστημα Ελέγχου Προσανατολισμού και Τροχιάς (AOCS) Τηλεμετρία, Ιχνηλάτηση, Εντολές, και Έλεγχος (TTC&M) Συστήματα Ισχύος Συστήματα Επικοινωνιών Αναμεταδότες Κεραίες στο Δορυφόρο

Κάποιος να με προσέχει Σύστημα Ελέγχου Προσανατολισμού και Τροχιάς (AOCS) Υπάρχουν διάφορες δυνάμεις οι οποίες τείνουν να αλλάξουν τον προσανατολισμό και την τροχιά του: τα βαρυτικά πεδία του ήλιου και της σελήνης, οι ανωμαλίες στο βαρυτικό πεδίο της γης, η ηλιακή πίεση, και οι μεταβολές στο μαγνητικό πεδίο της γης. Ο προσανατολισμός και η τροχιά ενός δορυφόρου πρέπει να ελέγχονται ώστε οι κεραίες του να δείχνουν προς τη γη κι έτσι ο χρήστης να γνωρίζει πού να ψάξει στον ουρανό για τον δορυφόρο. Αυτό το υποσύστημα αποτελείται από πυραυλοκινητήρες που χρησιμοποιούνται για την επαναφορά του δορυφόρου στη σωστή τροχιά όταν εξωτερικές δυνάμεις τον αναγκάζουν να διολισθήσει εκτός θέσης και από ακροφύσια αερίου ή συσκευές αδρανείας που ελέγχουν τον προσανατολισμό (attitude) του δορυφόρου.

Έλεγχος Προσανατολισμού Υπάρχουν δύο τρόποι για να παραμείνει ένας δορυφόρος σταθερός στην τροχιά. Το σώμα του δορυφόρου μπορεί να περιστρέφεται, τυπικά με ρυθμό μεταξύ 30 και 100 rpm, για να δημιουργεί μια γυροσκοπική δύναμη που παρέχει σταθερότητα του άξονα περιστροφής και που τον διατηρεί να σκοπεύει προς την ίδια κατεύθυνση. Αυτοί οι δορυφόροι είναι γνωστοί ως περιστρεφόμενοι δορυφόροι (spinners). Ένας δορυφόρος spinner αποτελείται από ένα κυλινδρικό τύμπανο καλυμμένο με ηλιακά κύτταρα το οποίο περιέχει τα συστήματα ισχύος και τους πυραυλοκινητήρες. Το σύστημα επικοινωνιών τοποθετείται στην κορυφή του τυμπάνου και τίθεται σε κίνηση από έναν ηλεκτροκινητήρα στην αντίθετη κατεύθυνση προς την περιστροφή του σώματος του δορυφόρου ώστε οι κεραίες να συνεχίσουν να σκοπεύουν προς τη γη. Αυτοί οι δορυφόροι ονομάζονται ανάστροφης περιστροφής (despun). Έλεγχος Προσανατολισμού Εναλλακτικά, ο δορυφόρος μπορεί να σταθεροποιηθεί με έναν ή περισσότερους τροχούς στροφορμής (momentum wheels). Αυτός ονομάζεται δορυφόρος τριαξονικής σταθεροποίησης (three-axis stabilized satellite). Ο τροχός στροφορμής είναι συνήθως ένας συμπαγής μεταλλικός δίσκος που τίθεται σε κίνηση από έναν ηλεκτροκινητήρα. Αυξάνοντας την ταχύτητα περιστροφής του τροχού ο δορυφόρος μεταπίπτει προς την αντίθετη κατεύθυνση, σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της στροφορμής.

Σύστημα Ελέγχου Προσανατολισμού Ορίζουμε ένα καρτεσιανό σύστημα (X R, Y R, Z R ) με τον δορυφόρο στην αρχή. Εφαρμόζουμε τον κανόνα του δεξιόστροφου κοχλία. Ο άξονας Z R κατευθύνεται προς το κέντρο της γης και βρίσκεται στο επίπεδο της τροχιάς του δορυφόρου. Ευθυγραμμίζεται κατά μήκος της τοπικής κατακορύφου στο SSP. Ο άξονας X R βρίσκεται στο τροχιακό επίπεδο. Ο άξονας Y R είναι κάθετος στο τροχιακό επίπεδο. Η περιστροφή ορίζεται ως roll γύρω από τον άξονα X R, pitch γύρω από τον άξονα Y R, και yaw γύρω από τον άξονα Z R. Σύστημα Ελέγχου Προσανατολισμού Ένα δεύτερο σύστημα αξόνων, X, Y, Z, καθορίζει τον προσανατολισμό του δορυφόρου. Οι αλλαγές στη θέση ενός δορυφόρου προκαλούν τη μεταβολή των γωνιών θ, φ, και ψ καθώς οι άξονες X, Y, και Z κινούνται σε σχέση με τους άξονες σταθερής αναφοράς (X R, Y R, Z R ). Ο άξονας Z κατευθύνεται συνήθως προς ένα σημείο αναφοράς στη γη, αποκαλούμενο σημείο τομής του άξονα Z (Z-axis intercept). Η θέση του σημείου τομής του άξονα Z καθορίζει τη σκόπευση κεραιών του δορυφόρου. Το σημείο τομής του άξονα Z μπορεί να μετακινηθεί για εκ νέου σκόπευση όλων των δεσμών της κεραίας αλλάζοντας τον προσανατολισμό του δορυφόρου με το σύστημα ελέγχου προσανατολισμού (1 ο απόκλιση σημαίνει 600 km μετατόπιση της κάλυψης στη γη).

Παρεκκλίσεις της GEO Τροχιάς Μετατόπιση στο επίπεδο Ανατολικά-Δυτικά σε σχέση με την ονομαστική θέση. Μετατόπιση στη διεύθυνση Βορρά-Νότου σε σχέση με το ισημερινό επίπεδο. Μετά από μερικές εβδομάδες από την εγκατάστασή του, ο δορυφόρος δεν είναι πια γεωστατικός. Ελιγμοί διατήρησης θέσης ως προς τον άξονα Βορρά- Νότου (north-south station-keeping maneuver) γίνονται κάθε 2 έως 4 εβδομάδες για να διατηρούνται τα σφάλματα μικρά. Συνήθως σε διαστήματα 2 εβδομάδων γίνονται πρώτα οι E W διορθώσεις και στη συνέχεια μετά από 2 εβδομάδες, γίνονται οι N S διορθώσεις. Επίδραση Μη-Μηδενικής Εκκεντρότητας Επίδραση στο Γεωγραφικό Μήκος του SSP Δλ = 2esin M Δλ max ( M = 90 o ) = 2e rad = 2πe = 114e degs o 180

Επίδραση Μη-Μηδενικής Έγκλισης Επίδραση σε Γεωγραφικό Μήκος και Πλάτος του SSP Δϕ max = i Δλ max = 4,36 *10 3 i 2 degs Πλαίσιο Θέσης Δορυφόρου Ανοχή σε Πλάτος και Μήκος : ±0,05 ο Πολλές φορές τοποθετούνται στην ίδια τροχιακή ονομαστική θέση πολλοί δορυφόροι του ίδιου οργανισμού (π.χ. στις 13ο οι 3 Hot Bird του Eutelsat).

Τηλεμετρία, Ιχνηλάτηση, Εντολές, και Έλεγχος (TTC&M) Αυτά τα συστήματα βρίσκονται εν μέρει στον δορυφόρο και εν μέρει στον επίγειο σταθμό ελέγχου. Το σύστημα τηλεμετρίας στέλνει δεδομένα που προέρχονται από πολλούς αισθητήρες πάνω στον δορυφόρο, μέσω μιας τηλεμετρικής ζεύξης, στον επίγειο σταθμό ελέγχου. Τα δεδομένα των αισθητήρων, η κατάσταση κάθε υποσυστήματος, και οι θέσεις των μεταγωγέων στο επικοινωνιακό σύστημα γνωστοποιούνται πίσω στη γη από το σύστημα τηλεμετρίας. Οι συσκευές σκόπευσης που χρησιμοποιούνται για τη διατήρηση του προσανατολισμού ελέγχονται επίσης μέσω της τηλεμετρικής ζεύξης. Τηλεμετρία, Ιχνηλάτηση, Εντολές, και Έλεγχος (TTC&M) Το σύστημα ιχνηλάτησης βρίσκεται στον επίγειο σταθμό και παρέχει πληροφορίες για την απόσταση και τις γωνίες ανύψωσης και αζιμούθιου του δορυφόρου. Αισθητήρες ταχύτητας και επιτάχυνσης επί του δορυφόρου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαπίστωση της αλλαγής στην τροχιά από την τελευταία γνωστή θέση. Ο επίγειος σταθμός που ελέγχει τον δορυφόρο μπορεί να παρατηρήσει την ολίσθηση Doppler του φέροντος τηλεμετρίας ή του φέροντος πομπού ραδιοφάρου για τον υπολογισμό του ρυθμού με τον οποίο αλλάζει η απόσταση. Μαζί με ακριβείς γωνιακές μετρήσεις από την κεραία του επίγειου σταθμού, η απόσταση χρησιμοποιείται για τον καθορισμό των τροχιακών στοιχείων.

Τηλεμετρία, Ιχνηλάτηση, Εντολές, και Έλεγχος (TTC&M) Το σύστημα ελέγχου χρησιμοποιείται για τη διόρθωση της θέσης και του προσανατολισμού του δορυφόρου, καθώς και για τον έλεγχο της σκόπευσης της κεραίας και της ρύθμισης του συστήματος επικοινωνιών ώστε να υπάρχει προσαρμογή στις τρέχουσες ανάγκες τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Το σύστημα εντολών χρησιμοποιείται για την πραγματοποίηση αλλαγών στον προσανατολισμό και διορθώσεων στην τροχιά και για τον έλεγχο του επικοινωνιακού συστήματος. Κατά τη διάρκεια της εκτόξευσης, χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της πυροδότησης του κινητήρα απογείου και για την αρχή περιστροφής ενός spinner ή για την επέκταση των ηλιακών ιστίων και των κεραιών ενός δορυφόρου τριαξονικής σταθεροποίησης. Σύστημα Ισχύος Όλοι οι δορυφόροι επικοινωνιών αντλούν την ηλεκτρική ισχύ τους από τα ηλιακά κύτταρα (solar cells). Η ισχύς χρησιμοποιείται από το σύστημα επικοινωνιών αλλά και από όλα τα άλλα ηλεκτρικά συστήματα στον δορυφόρο. Στο απόλυτο κενό του απώτερου διαστήματος, σε γεωστατικό ύψος, η ακτινοβολία που πέφτει σε έναν δορυφόρο έχει ένταση 1.39 kw/m 2. Τα ηλιακά κύτταρα δεν μετατρέπουν όλη αυτή την προσπίπτουσα ενέργεια σε ηλεκτρική ισχύ. Η αποδοτικότητα τους κυμαίνεται από 20 ως 25% στην αρχή της διάρκειας ζωής αλλά μειώνεται με το χρόνο λόγω της γήρανσης των κυττάρων και της χάραξης της επιφάνειας από προσκρούσεις μικρομετεωριτών. Για επαρκή ισχύ στο τέλος της διάρκειας ζωής του δορυφόρου, συνήθως παρέχεται 15% πρόσθετη επιφάνεια ηλιακών κυττάρων ως επιδότηση για την αντιμετώπιση της γήρανσης.

Σύστημα Ισχύος Οι μπαταρίες είναι συνήθως τύπου νικελίου υδρογόνου που δεν εκπέμπουν αέρια κατά τη φόρτιση και έχουν καλή αξιοπιστία και μεγάλη διάρκεια ζωής, και μπορούν να αποφορτιστούν ακίνδυνα στο 70% της χωρητικότητάς τους. Οι τυπικές τάσεις μπαταρίας είναι από 20 μέχρι 50 V με χωρητικότητες από 20 μέχρι 100 αμπερώρια. Συστήματα Επικοινωνιών Ο επικοινωνιακός εξοπλισμός αποτελεί μόνο ένα μικρό μέρος του βάρους και του όγκου όλου του δορυφόρου. Αποτελείται συνήθως από μία ή περισσότερες κεραίες, οι οποίες λαμβάνουν και εκπέμπουν σε μεγάλα εύρη ζώνης στις μικροκυματικές συχνότητες, και από ένα σύνολο δεκτών και πομπών που ενισχύουν και αναμεταδίδουν τα εισερχόμενα σήματα. Οι μονάδες δέκτη πομπού είναι γνωστές ως αναμεταδότες (transponders). Οι δορυφορικοί αναμεταδότες έχουν περιορισμένη ισχύ εξόδου και οι ES είναι τουλάχιστον 36.000 km μακριά από έναν GEO, κι έτσι η λαμβανόμενη στάθμη ισχύος είναι πολύ μικρή και σπάνια υπερβαίνει τα 10 10 W. Για ικανοποιητική λειτουργία, η ισχύς του σήματος πρέπει να υπερβαίνει την ισχύ του θορύβου που παράγεται στον δέκτη κατά 5 έως 25 db, ανάλογα με το εύρος ζώνης του μεταδιδόμενου σήματος και του σχήματος διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται.

Συστήματα Επικοινωνιών Με πομπούς χαμηλής ισχύος, πρέπει να χρησιμοποιούνται στενά εύρη ζώνης δέκτη για να διατηρούνται οι απαιτούμενοι λόγοι S/N. Οι πρώτοι τηλ/κοί δορυφόροι είχαν αναμεταδότες εύρους ζώνης 250 ή 500 MHz, αλλά είχαν κεραίες χαμηλού κέρδους και πομπούς με ισχύ εξόδου 1 ή 2 W. Ο Rx του ES δεν μπορούσε να επιτύχει αποδεκτό SNR (με χρήση του πλήρους εύρους ζώνης) με αποτέλεσμα το σύστημα να περιορίζεται ως προς την ισχύ (power limited). Οι επόμενες γενιές των τηλ/κών δορυφόρων έχουν αναμεταδότες με πολύ αυξημένη ισχύ εξόδου - μέχρι 200 W για δορυφόρους DBS-TV -και έχουν βελτιωθεί στην αποδοτικότητα χρησιμοποίησης του εύρους ζώνης. Η συνολική χωρητικότητα ενός δορυφόρου που χρησιμοποιεί μια ζώνη εύρους 500- MHz στα 6/4 GHz μπορεί να αυξηθεί μόνο αν το εύρος ζώνης μπορεί να αυξηθεί ή να επαναχρησιμοποιηθεί. Συστήματα Επικοινωνιών Η τάση στους δορυφόρους υψηλής χωρητικότητας ήταν η επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων ζωνών με τη χρήση πολλών κατευθυντικών δεσμών (directional beams) στην ίδια συχνότητα (χωρική επαναχρησιμοποίηση συχνότητας, spatial frequency reuse) και ορθογωνικών πολώσεων στην ίδια συχνότητα (επαναχρησιμοποίηση συχνότητας πόλωσης, polarization frequency reuse).

Συστήματα Επικοινωνιών Οι ζώνες που χρησιμοποιούνται για την πλειονότητα των υπηρεσιών είναι οι 6/4 GHz και 14/11 GHz, με τη ζώνη 30/20 GHz να χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο. Η ζώνη 6/4 GHz επεκτάθηκε από το εύρος ζώνης των 500-MHz σε κάθε κατεύθυνση στα 1000 MHz από το WARC το 1979, αλλά άλλες υπηρεσίες μοιράζονται το νέο τμήμα της ζώνης και μπορεί να προκαλέσουν παρεμβολές στη ζεύξη δορυφορικών επικοινωνιών. Παρόμοιο εύρος ζώνης διατίθεται στη ζώνη 14/11 GHz. Τα συστήματα στη ζώνη Ku (14/11 GHz) και τη ζώνη Ka (30/20 GHz), έχουν στενότερες δέσμες κεραίας, και καλύτερο έλεγχο των διαγραμμάτων κάλυψης σε σχέση με τη ζώνη C (6/4 GHz). Περίπου 2 GHz εύρους ζώνης διατίθενται ακόμα για τα δορυφορικά συστήματα στη ζώνη Ka σε αποκλειστική ή κοινή βάση, το οποίο ισούται με τις συνδυασμένες εκχωρήσεις των ζωνών C και Ku. Ωστόσο, η διάδοση στη βροχή γίνεται ένας σημαντικός παράγοντας σε συχνότητες άνω των 10 GHz. Το εύρος ζώνης των 500- MHz χωρίζεται σε κανάλια. Δορυφόροι που λειτουργούν στα 6/4 GHz φέρουν 24 αναμεταδότες εύρους 36 MHz. Οι κεντρικές συχνότητες των αναμεταδοτών απέχουν 40 MHz (ζώνες ασφαλείας). Αναμεταδότες Με 500 MHz διαθέσιμα, ένας δορυφόρος μιας πόλωσης μπορεί να χωρέσει 12 αναμεταδότες. Με ορθογωνικές πολώσεις, 24 αναμεταδότες χωράνε στα 500 MHz. (500 MHz σε κάθε κατεύθυνση)

Συστήματα Επικοινωνιών Το λαμβανόμενο σήμα συχνά οδηγείται σε δύο ενισχυτές χαμηλού θορύβου (LNA) και επανασυνδυάζεται στην έξοδό τους για την παροχή πλεονασμού (redundancy). Ένας αναμεταδότης αποτελείται από Ένα ζωνοπερατό φίλτρο (BPF) για την επιλογή της ζώνης συχνοτήτων του συγκεκριμένου καναλιού, έναν υποβιβαστή συχνότητας (downconverter) για την αλλαγή της συχνότητας από 6 GHz στην είσοδο σε 4 GHz στην έξοδο και έναν ενισχυτή ισχύος εξόδου. Τυπικά, ένας δορυφόρος υψηλής χωρητικότητας μεταφέρει 12 έως 44 ενεργούς αναμεταδότες. Οι αναμεταδότες τροφοδοτούνται με σήματα από μία ή περισσότερες κεραίες λήψης και στέλνουν τις εξόδους τους σε μια μήτρα μεταγωγής (switch matrix) που κατευθύνει τη ζώνη συχνοτήτων κάθε αναμεταδότη στην κατάλληλη κεραία ή δέσμη κεραίας. Σε έναν μεγάλο δορυφόρο μπορεί να υπάρχουν τέσσερις ή πέντε δέσμες στις οποίες μπορεί να συνδεθεί οποιοσδήποτε αναμεταδότης. Αναμεταδότες

Συστήματα Επικοινωνιών Όταν περισσότερα από ένα σήματα μοιράζονται έναν αναμεταδότη (χρησιμοποιώντας FDMA) ο ενισχυτής ισχύος πρέπει να λειτουργεί κάτω από τη μέγιστη ισχύ εξόδου του προκειμένου να διατηρείται η γραμμικότητα και να μειώνονται τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης (intermodulation). Ο βαθμός στον οποίο η ισχύς εξόδου του πομπού μειώνεται κάτω από την ανώτατη τιμή εξόδου του είναι γνωστός ως αναδίπλωση ισχύος εξόδου (output backoff). Η μείωση συνεπάγεται μειωμένο S/N στην κάτω ζεύξη. Μονή Μετατροπή Αναμεταδότη Ο HPA (High Power Amplifier) είναι συνήθως ένας ενισχυτής ισχύος στερεάς κατάστασης (solid state power amplifier, SSPA) εκτός αν απαιτείται μια πολύ υψηλή ισχύς εξόδου (>50 W), οπότε θα χρησιμοποιούνταν ένας ενισχυτής με λυχνία οδεύοντος κύματος (traveling wave tube amplifier, TWTA).

Διπλή Μετατροπή Αναμεταδότη Οι αναμεταδότες στα 14/11 GHz συνήθως υιοθετούν διπλή μετατροπή συχνότητας. Είναι ευκολότερο να κατασκευάσεις φίλτρα, ενισχυτές, και ισοσταθμιστές σε μια ενδιάμεση συχνότητα (IF) όπως 1100 MHz παρά στα 14 ή 11 GHz, κι έτσι το εισερχόμενο 14-GHz φέρον μετατρέπεται σε μια IF περίπου 1 GHz. Η ενίσχυση και το φιλτράρισμα εκτελούνται στο 1 GHz και ένα φέρον σχετικά υψηλής στάθμης μετατρέπεται ξανά στα 11 GHz για ενίσχυση από τον HPA. Διπλή Μετατροπή Αναμεταδότη Τα συστήματα μεταγωγής δέσμης στους GEO λειτουργούν καλύτερα στη ζώνη Ka όπου το μήκος κύματος είναι αρκετά μικρό ώστε οι περιορισμένες διαστάσεις των κεραιών στον δορυφόρο να εξακολουθούν να δίνουν τη δυνατότητα να παράγονται δέσμες με εύρος δέσμης μικρότερο από 0.4.

Κεραίες στο Δορυφόρο Κατά τον υπολογισμό της ισχύος σήματος που εκπέμπεται από το δορυφόρο και λαμβάνεται από έναν επίγειο σταθμό, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε πού βρίσκεται ο σταθμός σε σχέση με το περίγραμμα της κεραίας εκπομπής του δορυφόρου, ώστε να μπορεί να υπολογιστεί η ακριβής EIRP. Στους δορυφόρους χρησιμοποιούνται τέσσερις βασικοί τύποι κεραιών. Αυτοί είναι Κεραίες σύρματος (wire antennas): μονοπολικές και διπολικές. Κεραίες χοάνης (horn antennas). Κεραίες ανακλαστήρα (reflector antennas). Κεραίες συστοιχίας (array antennas). Κεραίες Σύρματος Οι κεραίες σύρματος χρησιμοποιούνται κυρίως στις περιοχές VHF και UHF για να παρέχουν επικοινωνίες για τα συστήματα TTC&M. Τοποθετούνται με μεγάλη προσοχή στο σώμα του δορυφόρου σε μια προσπάθεια παροχής ομοιοκατευθυντικής κάλυψης. Οι περισσότεροι δορυφόροι είναι σε μέγεθος μόνο λίγα μήκη κύματος στις συχνότητες VHF, κάτι που καθιστά δύσκολη τη λειτουργία με τα απαιτούμενα διαγράμματα ακτινοβολίας της κεραίας.

Κεραίες Χοάνης Οι κεραίες χοάνης χρησιμοποιούνται στις μικροκυματικές συχνότητες όταν απαιτούνται σχετικά ευρείες δέσμες, όπως για παγκόσμια κάλυψη. Οι χοάνες χρησιμοποιούνται επίσης ως συστήματα τροφοδοσίας για τους ανακλαστήρες, είτε μεμονωμένα είτε σε ομάδες. Οι χοάνες και οι ανακλαστήρες είναι παραδείγματα κεραιών ανοίγματος (aperture antennas) που εκτοξεύουν ένα κύμα στον ελεύθερο χώρο από έναν κυματοδηγό. Είναι δύσκολο να λάβουμε κέρδη πολύ μεγαλύτερα από 23 db ή εύρη δέσμης στενότερα από 10 περίπου με τις κεραίες χοάνης. Κεραίες Ανακλαστήρα (1/2) Οι κεραίες ανακλαστήρα συνήθως φωτίζονται από μία ή περισσότερες χοάνες και παρέχουν ένα μεγαλύτερο άνοιγμα από αυτό που μπορεί να επιτευχθεί με μια χοάνη μόνο. Για μέγιστο κέρδος, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί ένα επίπεδο κύμα στο άνοιγμα (επιφάνεια) του ανακλαστήρα. Αυτό επιτυγχάνεται με ίσα μήκη διαδρομής από τον σηματο-τροφοδότη μέχρι το άνοιγμα, ώστε όλη η ενέργεια που ακτινοβολείται από την τροφοδοσία και που ανακλάται από τον ανακλαστήρα να φθάνει στο άνοιγμα με την ίδια γωνία φάσης.

Κεραίες Ανακλαστήρα (2/2) Μια μορφή ανακλαστήρα που επιτυγχάνει επίπεδο κύμα στο άνοιγμα, με μια σημειακή πηγή ακτινοβολίας είναι η παραβολοειδής, με έναν σηματο-τροφοδότη τοποθετημένο στην εστία του. Η παραβολοειδής είναι η βασική μορφή για τις περισσότερες κεραίες ανακλαστήρα, και συνήθως χρησιμοποιείται για κεραίες ES. Οι δορυφορικές κεραίες συχνά χρησιμοποιούν προφίλ τροποποιημένου παραβολικού ανακλαστήρα για την προσαρμογή του διαγράμματος δέσμης σε μια συγκεκριμένη ζώνη κάλυψης. Στοιχειοκεραίες Οι στοιχειοκεραίες σε φάση (phased arrays) χρησιμοποιούνται επίσης σε δορυφόρους για να δημιουργηθούν πολλαπλές δέσμες από ένα μεμονωμένο άνοιγμα, και έχουν χρησιμοποιηθεί από τα συστήματα Iridium και Globalstar για την παραγωγή μέχρι 16 δεσμών από ένα μεμονωμένο άνοιγμα για τα LEO συστήματά τους κινητής τηλεφωνίας.

Παράμετροι Κεραιών Μια κεραία ανοίγματος έχει μέγιστο κέρδος όπου A είναι η γεωμετρική επιφάνεια του ανοίγματος της κεραίας σε m 2, λ είναι το μήκος κύματος λειτουργίας, και η A είναι η απόδοση ανοίγματος (aperture efficiency). G max = 4π λ 2 A e = 4π λ 2 n A A Η απόδοση ανοίγματος η A δεν υπολογίζεται εύκολα, αλλά συνήθως είναι στην περιοχή από 55 μέχρι 68% για τις κεραίες ανακλαστήρα με μονούς σηματοτροφοδότες, και πιο μικρή για τις κεραίες με μορφοποιημένες δέσμες. Οι κεραίες χοάνης τείνουν να έχουν υψηλότερες αποδόσεις, τυπικά στην περιοχή από 65 έως 80%. Αν το άνοιγμα είναι κυκλικό G max = 4π λ n πr 2 2 A ( ) = 4π λ n π D2 2 A 4 = n A π D λ 2 Παράμετροι Κεραιών Η απόδοση ανοίγματος μιας κεραίας είναι το γινόμενο πολλών συντελεστών ως εξής n A = n i n s n f n z... n i : ο συντελεστής απόδοσης πρόσπτωσης της ακτινοβολίας, για καταπίεση πλευρικών λοβών (90%) n s : ο συντελεστής απόδοσης διάχυσης (80%). n f : ο συντελεστής απόδοσης επιφάνειας (85%). n z : ο συντελεστής απόδοσης λόγω ωμικών απωλειών και λόγω κακής προσαρμογής. Συνήθως n : 55%-80%, τυπική τιμή 60%.

Παράμετροι Κεραιών Διπλασιάζοντας τη διάμετρο τετραπλασιάζουμε το κέρδος (+6dB), ή για δεδομένο κέρδος μπορούμε να υπολογίσουμε τη διάμετρο για δεδομένη συχνότητα. Το εύρος δέσμης μιας κεραίας σχετίζεται με τη διάσταση ανοίγματος στο επίπεδο στο οποίο μετριέται το διάγραμμα ακτινοβολίας. Άρα σχετίζεται με το λόγο λ/d με ένα συντελεστή που εξαρτάται από την πρόσπτωση ακτινοβολίας. Επειδή επιθυμούμε καταπιεσμένους πλευρικούς λοβούς, συνήθως χρησιμοποιούμε μη ομοιόμορφη πρόσπτωση (εξασθένιση στα άκρα του κατόπτρου), η οποία συνεπάγεται αύξηση του εύρους 3dB. G max = n A π D λ 2 π Df = n A c D or f G max θ 3dB 75( or 70) λ D 75( or 70) c Df ( degs) 2 Παράμετροι Κεραιών Σε μια οποιαδήποτε μικρή γωνία θ ως προς την κατεύθυνση μέγιστου κέρδους, δηλαδή γωνία για την οποία ισχύει 0 o θ θ 3dB 2 το κέρδος προσεγγιστικά δίνεται από ( ) dbi = G max,dbi 12 G θ θ θ 3dB 2

Παράμετροι Κεραιών Από τις προηγούμενες εξισώσεις προκύπτει μια έκφραση του μέγιστου κέρδους συναρτήσει της γωνίας θ3db, ανεξάρτητη φαινομενικά από τη συχνότητα Για ε=0.6 π Df G max = n A c 2 75π = n A θ 3dB G max 33000 ( ( θ 3dB ) θ σεµoιρες 2 3dB ) 2 G max,dbi 45.2 20log 10 θ 3dB θ 3dB 180 10 G max,dbi 20 Παράμετροι Κεραιών Σε έναν ιδανικό δορυφόρο, θα υπήρχε μία δέσμη κεραίας για κάθε επίγειο σταθμό, εντελώς απομονωμένη από όλες τις άλλες δέσμες, για εκπομπή και λήψη. Aν δύο σταθμοί απέχουν μεταξύ τους 300 km στην επιφάνεια της γης και ο δορυφόρος είναι GEO, η γωνιακή απόστασή τους στον δορυφόρο είναι 0.5. Αν το θ 3 db είναι 0.5, το D/λ πρέπει να είναι 150, το οποίο απαιτεί μια διάμετρο ανοίγματος 11,3 m στα 4 GHz. Κεραίες αυτού του μεγέθους έχουν πετάξει με δορυφόρους (για παράδειγμα, ο ATS-6 ανέπτυξε μια κεραία διαμέτρου 10 m, 2.5 GHz), και μεγάλες αναδιπλούμενες κεραίες χρησιμοποιούνται για να δημιουργηθούν πολλαπλές δέσμες σημείου από δορυφόρους GEO που εξυπηρετούν κινητούς χρήστες. Ωστόσο, στα 20 GHz, μια κεραία με D/λ = 150 έχει πλάτος μόνο 1.5 m, και μια τέτοια κεραία μπορεί εύκολα να πετάξει με έναν δορυφόρο 30/20 GHz.

Ευχαριστώ! Ερωτήσεις? kanatas@unipi.gr