ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΡΑΔΙΟΖΕΥΞΗΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΡΑΔΙΟΖΕΥΞΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΦΟΙΤΗΤΩΝ Αντώνη Ι. Ζωρόθεου Φίλιππου Α.Μπίτσα ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Γιώργος Κ. Καραγιαννίδης Φεβρουάριος 2006

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1.1 Η ΓΕΝΝΗΣΗ ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 2 1.2 H ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 2 1.3 ΤΟ BΑΣΙΚΟ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ 4 1.3.1 ΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΟ ΤΜΗΜΑ 4 1.3.2 ΤΟ ΕΠΙΓΕΙΟ ΤΜΗΜΑ 6 1.4 ΕΙΔΗ ΤΡΟΧΙΑΣ 7 1.4.1 ΕΙΔΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΤΡΟΧΙΑΣ 7 1.4.2 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΡΟΧΙΑΣ_ 8 1.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ 9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Ο ΕΠΙΓΕΙΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ 2.1 ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ 12 2.2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΕΡΑΙΩΝ 13 2.2.1 ΑΠΟΛΑΒΗ (ΚΕΡΔΟΣ) 13 2.2.2ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ 16 2.2.3 ΓΩΝΙΑΚΟ ΕΥΡΟΣ ΔΕΣΜΗΣ 17 2.2.4 ΠΟΛΩΣΗ 19 2.3 ΕΙΔΗ ΚΕΡΑΙΩΝ 22 2

2.3.1 Η ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΗ ΚΕΡΑΙΑ 22 2.3.2 ΚΕΡΑΙΑ ΤΥΠΟΥ CASSEGRAIN 26 2.3.3 KEΡAIA ΤΥΠΟΥ GREGORIAN 28 2.4 ΕΙΔΗ ΘΟΡΥΒΟΥ 29 2.4.1 H ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΘΟΡΥΒΟΥ ΜΙΑΣ ΔΙΘΥΡΗΣ ΠΗΓΗΣ ΘΟΡΥΒΟΥ 30 2.4.2 Η ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΘΟΡΥΒΟΥ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 31 2.4.3 H ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΘΟΡΥΒΟΥ ΕΝΟΣ ΕΞΑΣΘΕΝΗΤΗ 33 2.4.4 H ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΘΟΡΥΒΟΥ ΜΙΑΣ ΚΕΡΑΙΑΣ 34 2.5 ΟΤΑΝ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΓΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗ 34 2.5.1 ΕΝΕΡΓΟΣ ΙΣΟΤΡΟΠΙΚΗ ΕΚΠΕΜΠΟΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ 34 2.5.2 ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΡΟΗΣ ΙΣΧΥΟΣ 35 2.5.3 ΙΣΧΥΣ 36 2.5.4 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 36 2.5.5 ΑΠΩΛΕΙΣ ΛΟΓΩ ΚΑΚΗΣ ΣΚΟΠΕΥΣΗΣ ΤΗΣ ΚΕΡΑΙΑΣ 36 2.6 ΟΤΑΝ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΓΙΑ ΛΗΨΗ 37 2.6.1 Η ΙΣΧΥΣ ΠΟΥ ΛΑΜΒΑΝΕΤΑΙ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΕΡΑΙΑ ΛΗΨΗΣ 37 2.6.2 ΑΠΟΛΑΒΗ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ ΛΗΨΗΣ 39 2.6.3 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΑΣΥΜΦΩΝΙΑΣ ΠΟΛΩΣΕΩΝ 39 2.6.4 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΓΡΑΜΜΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 40 2.6.5 ΑΠΩΛΕΙΣ ΛΟΓΩ ΚΑΚΗΣ ΣΚΟΠΕΥΣΗΣ ΤΗΣ ΚΕΡΑΙΑΣ 40 2.6.6 Η ΚΕΡΑΙΑ ΤΟΥ ΕΠΙΓΕΙΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ 40 3

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΤΟ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΤΜΗΜΑ 3.1 ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ 46 3.1.1 TRANSPONDERS 48 3.2 ΚΥΡΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 49 3.2.1 Η ΚΕΡΑΙΑ ΤΟΥ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ_49 3.2.2 ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΚΕΡΑΙΑΣ 49 3.3 ΟΤΑΝ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΓΙΑ ΛΗΨΗ 50 3.3.1 ΑΠΟΛΑΒΗ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ ΛΗΨΗΣ 51 3.3.2 Ο ΘΟΡΥΒΟΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΕΡΑΙΑ ΤΟΥ ΤΟΥ ΔΟΡΥΦΟΡΟΥ 51 3.4 ΟΤΑΝ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΓΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗ 52 3.4.1 ΕΝΕΡΓΟΣ ΕΚΠΕΜΠΟΜΕΝΗ ΙΣΟΤΡΟΠΙΚΗ ΙΣΧΥΣ 53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Η ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΜΕΣΟΥ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ 56 4.2 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΕΛΕΥΘΕΡΟΥ ΧΩΡΟΥ 57 4.3 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΒΡΟΧΗΣ 58 4.4 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΝΕΦΩΣΗΣ ή ΟΜΙΧΛΗΣ 65 4.5 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΑΕΡΙΩΝ 66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Η ΟΛΙΚΗ ΖΕΥΞΗ 5.1 Η ΑΝΩ ΖΕΥΞΗ 70 4

5.2 Η ΚΑΤΩ ΖΕΥΞΗ 73 5.3 Η ΖΕΥΞΗ ΜΕΤΑΞΥ ΔΥΟ ΕΠΙΓΕΙΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ ΜΕΣΩ ΕΝΟΣ ΔΟΡΥΦΟΡΟΥ 75 5.3.1 ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΗ 76 5.3.2 Η ΟΛΙΚH ΖΕΥΞΗ 78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 o ΕΡΓΑΛΙΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ 6.1 ΓΕΝΙΚΑ 82 6.2 ΑΝΑΦΟΡΑ ΣΤΗ VISUAL C++ 83 6.3 ANAΦΟΡΑ ΣΤΟ MACROMEDIA 83 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ο ΚΩΔΙΚΑΣ 85 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ-ΑΝΑΦΟΡΕΣ 148 5

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Οι δορυφορικές επικοινωνίες την τελευταία πεντηκονταετία γνωρίζουν ιδιαίτερη άνθηση και εξελίσσονται ραγδαία με αποτέλεσμα να αποτελούν σήμερα έναν από τους σημαντικότερους τομείς της τηλεπικοινωνιακής επιστήμης. Αν και οι εφαρμογές τους ολοένα και πληθαίνουν, οι τεχνολογικοί περιορισμοί που υπάρχουν κατατάσσουν τις δορυφορικές επικοινωνίες στους πρώιμους, ακόμα, επιστημονικούς κλάδους. Το γεγονός αυτό, σε συνδυαμό με την περιέργειά μας να γνωρίσουμε καλύτερα ένα άγνωστο για μας νέο πεδίο μας ώθησε στην επιλογή να επιλέξουμε τη διπλωματική μας εργασία πάνω στις δορυφορικές επικοινωνίες με θέμα την προσομοίωση δορυφορικής ραδιοζεύξης.. Mια σύντομη περιγραφή: Το βιβλίο αποτελείται από 6 κεφάλαια: Στο πρώτο (1) κάνουμε μία εισαγωγή στις δορυφορικές επικοινωνίες, αρχικά μια μικρή ιστορική αναδρομή και στη συνέχεια αναφέρουμε τα σημαντικότερα τμήματα μιας δορυφορικής ραδιοζεύξης: τον επίγειο σταθμό βάσης και το δορυφορικό τμήμα Στο δεύτερο (2) αναλύουμε τον επίγειο σταθμό βάσης και εξηγούμε την λειτουργία του Στο τρίτο (3) αναφερόμαστε στο δορυφορικό τμήμα και παρουσιάζουμε τις λειτουργίες του 6

Το τέταρτο (4) μελετά το φυσικό μέσο μετάδοσης που παρεμβάλλεται μεταξύ του επίγειου σταθμού βάσης και του δορυφόρου και πώς αυτό επηρεάζει τη ραδιοζεύξη Στο πέμπτο (5) αναλύουμε την ανερχόμενη, την κατερχόμενη και τελικά την ολική ζεύξη μεταξύ δύο επίγειων σταθμών μέσω ενός δορυφόρου. Το έκτο (6) κεφάλαιο και το παράρτημα αναφέρονται στο πρόγραμμα που δημιουργήσαμε για την προσομοίωση δορυφορικής ραδιοζεύξης.. Τέλος, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον υπεύθυνο της διπλωματικής μας εργασίας, κ. Γιώργο Κ. Καραγιαννίδη, για τη βοήθειά του και τη συμβολή του καθώς και τις οικογένειές μας για την αμέριστη συμπαράσταση που μας παρήχαν.. Ζωρόθεος Αντώνης Μπίτσας Φίλιππος 7

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή στις δορυφορικές επικοινωνίες 8

1.1 Η ΓΕΝΝΗΣΗ ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Οι δορυφορικές επικοινωνίες είναι το αποτέλεσμα της έρευνας στον τομέα των επικοινωνιών, με αντικειμενικό σκοπό την επίτευξη όλο και μεγαλύτερης εμβέλειας και χωρητικότητας (σε πληροφορίες), με το μικρότερο δυνατό κόστος. Η διαστημική εποχή άρχισε το 1957 με την εκτόξευση του πρώτου τεχνητού δορυφόρου ( sputnik ). Στα επόμενα χρόνια, έγιναν και άλλα πειράματα, περιλαμβανομένων των εξής: το Χριστουγεννιάτικο μήνυμα του Προέδρου Eisenhower που μεταδόθηκε από το δορυφόρο SCORE (1958), ο δορυφόρος ανακλαστήρας ECHO (1960), εκπομπή με αποθήκευση και προώθηση από το δορυφόρο COURIER (1960), ενεργοί δορυφόροι αναμετάδοσης (TELSTAR και RELAY 1962), και ο πρώτος γεωστατικός δορυφόρος SYNCOM {1963}. Στα 1965, ο πρώτος εμπορικός γεωστατικός δορυφόρος INTELSAT I (ή Early Bird) εγκαινίασε τη μεγάλη σειρά των δορυφόρων INTELSAT.Τον ίδιο χρόνο εκτοξεύτηκε ο πρώτος επικοινωνιακός δορυφόρος της σειράς MOLNYA. 1.2 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Οι πρώτοι δορυφόροι είχαν μικρές ικανότητες και σχετικά μεγάλο κόστος. Είχαν μικρή χωρητικότητα όπως π.χ ο INTELSAT 1 που είχε μόλις 480 τηλεφωνικά κανάλια, ενώ το κόστος ήταν συνδυασμός του κόστους του πυραύλου εκτόξευσης, του δορυφόρου, της διάρκειας ζωής του δορυφόρου (περίπου 1.5 έτη) και της μικρής χωρητικότητας σε κανάλια. 9

Μετά από μεγάλη προσπάθεια κατασκευάστηκαν αξιόπιστοι πύραυλοι εκτόξευσης, οι οποίοι μπορούν να θέσουν όλο και βαρύτερους δορυφόρους σε τροχιά. Επιπλέον, η αυξανόμενη εμπειρία στις μικροκυματικές τεχνικές έκανε δυνατή την κατασκευή κεραιών πολλαπλής δέσμης με ελεγχόμενης μορφής λοβό εκπομπής, που μπορεί να προσαρμοστεί στο περίγραμμα ηπείρων, την επαναχρησιμοποίηση της ίδιας συχνότητας σε περισσότερες από μια δέσμες εκπομπής με μεγαλύτερες ισχείς. Τέλος αυξήθηκε η χωρητικότητα των δορυφόρων σε κανάλια.όλα αυτά συνετέλεσαν στην συνολική ελάττωση του κόστους ενός δορυφόρου. Εκτός από τη μείωση του κόστους των τηλεπικοινωνιών, ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό είναι η αύξηση της ποικιλίας των υπηρεσιών που παρέχονται από τα δορυφορικά συστήματα επικοινωνιών.αρχικά ο δορυφόρος είχε περιορισμένες δυνατότητες οπότε η χρήση επίγειων σταθμών εξοπλισμένων με μεγάλες κεραίες ήταν αναγκαία έτσι ώστε να επιτευχθεί η επικοινωνία μεταξύ δύο σημείων. Η αύξηση στο μέγεθος και την ισχύ των δορυφόρων επέτρεψε την ελάττωση του μεγέθους των επίγειων σταθμών αλλά και του κόστους τους. Αυτό είχε ως συνέπεια την αύξηση του αριθμού τους. Με τον τρόπο αυτό εκμεταλλευτήκαμε μια άλλη ικανότητα των δορυφόρων που είναι η δυνατότητα λήψης και εκπομπής από και προς ένα αριθμό θέσεων. Δηλαδή η εκπομπή μπορεί να γίνεται από ένα μόνο πομπό προς ένα μεγάλο αριθμό δεκτών που βρίσκονται σε μια μεγάλη περιοχή ή αντίθετα, η εκπομπή μπορεί να γίνεται από ένα μεγάλο αριθμό πομπών προς ένα κεντρικό σταθμό που αποκαλείται hub. Η εκπομπή μπορεί να είναι είτε προς σταθμούς αναμετάδοσης ή απευθείας στον ιδιώτη συνδρομητή, οπότε τα συστήματα αυτά αποκαλούνται συστήματα απευθείας μετάδοσης μέσω δορυφόρου ή συστήματα απευθείας εκπομπής προς τα σπίτια των συνδρομητών. 10

1.3 ΒΑΣΙΚΟ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Σχήμα 1:Δορυφορικό Σύστημα 1.3.1 Το διαστημικό τμήμα Το διαστημικό τμήμα περιέχει το δορυφόρο και όλες τις επίγειες εγκαταστάσεις για τον έλεγχο και την παρακολούθηση του δορυφόρου. Εδώ περιλαμβάνονται οι σταθμοί παρακολούθησης, τηλεμετρίας και ελέγχου { tracking, telemetry & command stations, TT&C}, όπου εκτελούνται όλοι οι χειρισμοί συντήρησης και ελέγχου των ζωτικών λειτουργιών του δορυφόρου. 11

Ο δορυφόρος έχει διπλό ρόλο: 1) Να ενισχύει τα λαμβανόμενα σήματα για να επανεκπεμφθούν στο downlink. Η ισχύς του φέροντος κύματος στην είσοδο του δέκτη του δορυφόρου είναι της τάξης από 100 pw μέχρι 1nw. Η ισχύς φέροντος στην έξοδο του ενισχυτή εκπομπής είναι της τάξης από 10 μέχρι 100 W. Έτσι, η απολαβή ισχύος είναι της τάξης από 100 μέχρι 130 db. 2) Να αλλάζει τη συχνότητα του φέροντος, ώστε να αποφεύγεται η επανεισαγωγή ενός κλάσματος της εκπεμπόμενης ισχύος στο δέκτη. Η ικανότητα απόρριψης των φίλτρων εισόδου στη συχνότητα του downlink συνδυάζεται με τις μικρές απολαβές των κεραιών μεταξύ εξόδου του πομπού και εισόδου του δέκτη, για να εξασφαλισθεί απομόνωση της τάξης των 150 db. Για να φέρει εις πέρας την αποστολή του, ο δορυφόρος μπορεί να λειτουργεί και σαν ένας απλός αναμεταδότης. Η αλλαγή στη συχνότητα επιτυγχάνεται μέσω ενός μετατροπέα συχνότητας. Σε τέτοιες περιπτώσεις, μιλάμε για διαφανείς δορυφόρους (transparent satellites). Μια άλλη γενιά δορυφόρων (που ξεκίνησε με τον ACTS και τον ITALSAT) βρίσκεται σε εξέλιξη. Αυτοί ονομάζονται αναγεννητικοί (regenerative) και είναι εξοπλισμένοι με αποδιαμορφωτές. Άρα, τα σήματα βάσης (basebandsignals) είναι διαθέσιμα πάνω στο δορυφόρο. Η μεταβολή στη συχνότητα επιτυγχάνεται διαμορφώνοντας ένα νέο φέρον κύμα για το downlink. Η διπλή λειτουργία της διαμόρφωσης αποδιαμόρφωσης μπορεί να συνοδεύεται από επεξεργασία του σήματος βάσης με διάφορα επίπεδα πολυπλοκότητας. 12

1.3.2 Το επίγειο τμήμα Το επίγειο τμήμα ενός δορυφορικού συστήματος επικοινωνιών αποτελείται από όλους τους επίγειους σταθμούς. Οι σταθμοί διακρίνονται ανάλογα με το μέγεθος τους, το οποίο ποικίλει σε αναλογία με τον όγκο πληροφοριών που πρόκειται να μεταφέρει η ζεύξη μέσω δορυφόρου και σε αναλογία με τον τύπο της πληροφορίας (π.χ. τηλεφωνικές συνδέσεις, τηλεόραση ή δεδομένα). Οι μεγαλύτεροι σταθμοί έχουν κεραίες διαμέτρου 30m ενώ οι μικρότεροι είναι εξοπλισμένοι με κεραίες διαμέτρου 0.6m ή και μικρότερες. Επιπλέον, μερικοί σταθμοί μπορούν να κάνουν και εκπομπή και λήψη δεδομένων ενώ άλλοι είναι αποκλειστικά για λήψη. 1.4 ΤΥΠΟΙ ΤΡΟΧΙΑΣ Η τροχιά είναι η πορεία που ακολουθεί ο δορυφόρος. Αυτή η πορεία βρίσκεται σε ένα επίπεδο και έχει μορφή έλλειψης με μέγιστο άξονα στο απόγειο και ελάχιστο άξονα στο περίγειο. Ο δορυφόρος κινείται πιο αργά στην τροχιά του καθώς αυξάνεται η απόσταση από τη γη. 1.4.1 Είδη δορυφορικών τροχιών Οι πιο δημοφιλείς τροχιές είναι οι εξής : Ελλειπτικές τροχιές με γωνία κλίσης 64 ο ως προς με το ισημερινό επίπεδο.(ηeight Earth Orbits,HEO): Χαρακτηριστικά αυτών των τροχιών είναι ότι δεν έχουν σταθερό μέτρο γραμμικής ταχύτητας και 13

ο χρόνος παραμονής στο απόγειο είναι μεγαλύτερος από τον χρόνο παραμονής στο περίγειο. Αυτές οι τροχιές έχουν αρκετά πλεονεκτήματα όπως μεγάλο χρόνο ορατότητας, κάλυψη περιοχών μεγάλου γεωγραφικού πλάτους, μικρή πολυπλοκότητα, μικρό κόστος επίγειων σταθμών και σπάνια εμφάνιση εκλείψεων. Παρουσιάζουν όμως και μια σειρά από μειονεκτήματα όπως μειωμένο χρόνο μετάδοσης, διαταράξεις της τροχιάς, ευμετάβλητο χρόνο μετάδοσης και για συνεχή κάλυψη απαιτούνται περισσότεροι από ένας δορυφόροι. Κυκλικές τροχιές με μηδενική κλίση (ισημερινές τροχιές). H πιο γνωστή τροχιά αυτής της κατηγορίας είναι η τροχιά γεωστατικών δορυφόρων. Χαρακτηριστικά αυτών των τροχιών είναι η κίνηση του δορυφόρου στο επίπεδο του ισημερινού, η σταθερή γραμμική ταχύτητα και το σταθερό ύψος του δορυφόρου, η ίδια γωνιακή ταχύτητα περιστροφής γης και δορυφόρου και το γεγονός ότι ο δορυφόρος παραμένει μόνιμα πάνω από συγκεκριμένο τόπο. Ως πλεονεκτήματα μπορούμε να αναφέρουμε την καλή ποιότητα στις επικοινωνίες, τη συνεχή κάλυψη μεγάλης γεωγραφικής έκτασης και τον απλό τρόπο παρακολούθησης του δορυφόρου. Παρατηρείται όμως μεγάλη καθυστέρηση καθώς και εξασθένιση κατά τη διάδοση, αδυναμία κάλυψης μεγάλων γεωγραφικών πλατών και υψηλό κόστος εκτόξευσης. Κυκλικές τροχιές μικρού ύψους.(low Earth Orbits, LEO) Κυκλικές τροχιές μέσου ύψους.(μedium Earth Orbits,MEO) Τα παραπάνω είδη των δορυφορικών τροχιών παρατίθενται στο σχήμα 2: 14

Σχήμα 2: Δορυφορικές τροχιές 1.4.2 Παράγοντες για την επιλογή τροχιάς Η επιλογή της τροχιάς εξαρτάται από τη φύση της αποστολής τους, από την αποδεκτή παρεμβολή και από την απόδοση των εκτοξευτών. Μερικοί παράγοντες για την επιλογή τροχιάς παρατίθενται παρακάτω: η έκταση και το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής που πρόκειται να καλυφθεί, η γωνία ανύψωσης, η διάρκεια και καθυστέρηση της εκπομπής, οι παρεμβολές κατά τη διάδοση και η απόδοση των εκτοξευτών. 1.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ Οι δορυφορικές επικοινωνίες αποτελούν πια αναπόσπαστο κομμάτι του περιβάλλοντός μας. Κάθε μέρα λαμβάνουμε και εκπέμπουμε πληροφορίες μέσω δορυφόρου. Πολλές φορές χωρίς να το γνωρίζουμε. Οι δορυφορικές επικοινωνίες ανταγωνίζονται τα επίγεια δίκτυα των οπτικών 15

ινών. Ο ανταγωνισμός αυτός αναγκάζει τους παροχείς δορυφορικών υπηρεσιών να προσφέρουν εξειδικευμένες υπηρεσίες, που χρησιμοποιούν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά των δορυφορικών επικοινωνιών. Τέτοια παραδείγματα είναι οι εκπομπές προς το ευρύ κοινό και η συλλογή δεδομένων, η πρόσβαση σε κινούμενα οχήματα, ο ραδιοεντοπισμός κ.ο.κ. Όπως και να είναι, μπορεί κανείς να είναι σίγουρος ότι οι δορυφόροι θα συνεχίζουν να παίζουν σημαντικό ρόλο ως μέσο επικοινωνίας. 16

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο Επίγειος Σταθμός Βάσης 17

2.1 ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι σταθμοί γενικά διακρίνονται ανάλογα με το μέγεθος τους το οποίο εξαρτάται από τον όγκο πληροφοριών που πρόκειται να μεταφέρει η ζεύξη μέσω δορυφόρου και από τον τύπο της πληροφορίας. Ένας σταθμός βάσης εκτός από την κεραία αποτελείται και από διάφορες άλλες διατάξεις. Τέτοιες είναι οι διάφορες τροφοδοτικές διατάξεις, ο διαμορφωτής IF, ο αποδιαμορφωτής IF, ο ενισχυτής RF υψηλής ισχύος, ο ενισχυτής λήψης χαμηλού θορύβου και άλλες. Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό είναι τα κριτήρια με τα οποία επιλέγεται η θέση ενός σταθμού βάσης. Η γεωγραφική θέση αλλά και οι μετεωρολογικές συνθήκες της περιοχής στην οποία ο σταθμός βάσης θα εγκατασταθεί καθώς και οι γεωγραφικές συνθήκες που επικρατούν στη θέση εγκατάστασης επηρεάζουν την λειτουργική ικανότητα του σταθμού. Η επιλογή της γεωγραφικής θέσης της περιοχής γίνεται σύμφωνα με το υπάρχον τηλεπικοινωνιακό δίκτυο, τα συστήματα δορυφόρων με τα οποία ο σταθμός θα εργαστεί και τις πηγές παρεμβολών. Ένα ακόμη κριτήριο για την επιλογή της θέσης εγκατάστασης είναι τα χαρακτηριστικά του εδάφους σε αυτή, όπως η κλίση, το είδος, η επιφάνεια, η πιθανότητα πλημμυρών και η ύπαρξη μεταλλείων. 18

2.2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΚΕΡΑΙΩΝ Πριν παρατεθούν τα είδη κεραιών που χρησιμοποιούνται κρίνεται απαραίτητο να αναφερθούν κάποια χαρακτηριστικά των κεραιών όπως: 2.2.1 Η απολαβή ή κέρδος Η απολαβή ή κέρδος μιας κεραίας είναι ο λόγος της ισχύος που ακτινοβολείται (ή λαμβάνεται) ανά μονάδα στερεάς γωνίας από την κεραία προς μια δεδομένη διεύθυνση, προς την ισχύ που ακτινοβολείται (ή λαμβάνεται) ανά μονάδα στερεάς γωνίας από μια ισοτροπική κεραία, η οποία τροφοδοτείται με την ίδια ισχύ. Η απολαβή είναι μέγιστη στη διεύθυνση της μέγιστης ακτινοβολίας ( του ηλεκτρομαγνητικού άξονα της κεραίας ), και έχει τιμή η οποία δίνεται από τη σχέση : G 2 ( π λ ) = A (2.1) max 4 eff όπου λ = c f και c είναι η ταχύτητα του φωτός όπου 8 c = 3 10 m/ sκαι f είναι η συχνότητα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Η Αeff είναι η ενεργός επιφάνεια της κεραίας. Για μια κεραία με κυκλική επιφάνεια ή ανακλαστήρα διαμέτρου D και γεωμετρική επιφάνεια A= π D 2 4 είναι Aeff = η A όπου η είναι η απόδοση της κεραίας. Έτσι, είναι: max ( ) ( ) 2 2 G = η πd λ = η πdf c (2.2) 19

Εκφρασμένη σε dbi (η απολαβή σχετικά με μια ισοτροπική κεραία ) η πραγματική απολαβή μιας κεραίας είναι: 2 2 = η( π λ) = η( π ) ( ) Gmax, 10 log D 10 log Df c dbi dbi (2.3) Η απόδοση η της κεραίας είναι το γινόμενο μερικών συντελεστών, που λαμβάνουν υπόψη το νόμο πρόσπτωσης ακτινοβολίας στη κεραία, τις απώλειες από διάχυση, από ατέλειες της επιφάνειας, τις απώλειες από τις ωμικές αντιστάσεις και τη μη προσαρμογή συνθέτων αντιστάσεων, κ.λ.π. η = η... i ηs ηf ηz (2. 4) Η απόδοση πρόσπτωσης ακτινοβολίας η,καθορίζει την απόδοση του ανακλαστήρα σε σχέση με την περίπτωση ομοιόμορφης πρόσπτωσης ακτινοβολίας. Η ομοιόμορφη πρόσπτωση ακτινοβολίας ( η ι = 1) οδηγεί σε υψηλό επίπεδο δευτερευόντων λοβών. Μπορούμε να επιτύχουμε μια συμβιβαστική λύση, εξασθενώντας την πρόσπτωση ακτινοβολίας στα όρια του ανακλαστήρα. Η απόδοση διάχυσης η s, ορίζεται ως ο λόγος της ενέργειας που ακτινοβολείται από την κύρια πηγή και συλλαμβάνεται από τον ανακλαστήρα, προς την ολική ενέργεια που ακτινοβολείται από την κύρια πηγή. Η διαφορά αυτών των μεγεθών αποτελεί την ενέργεια διάχυσης. Όσο μεγαλύτερη είναι η γωνία από την οποία ο ανακλαστήρας ( βλέπει ) την κύρια πηγή, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση διάχυσης. Όμως για ένα δεδομένο διάγραμμα ακτινοβολίας της πηγής, το επίπεδο πρόσπτωσης ακτινοβολίας στα όρια του ανακλαστήρα γίνεται μικρότερο με μεγάλες τιμές της γωνίας αυτής, και η απόδοση πρόσπτωσης ακτινοβολίας 20

ελαττώνεται σημαντικά. Η συμβιβαστική λύση μας οδηγεί σε απόδοση διάχυσης της τάξης του 80%. Η απόδοση επιφάνειας η f, λαμβάνει υπόψη την επίδραση των ανωμαλιών της επιφάνειας του ανακλαστήρα στην απολαβή της κεραίας. Στην πράξη, το παραβολικό προφίλ διαφέρει από το θεωρητικό. Έτσι, πρέπει να βρεθεί ένας συμβιβασμός μεταξύ των χαρακτηριστικών της κεραίας και του κόστους κατασκευής. Η επίδραση των ανωμαλιών της επιφάνειας στην απολαβή επί του εστιακού άξονα έχει τη μορφή: ( πε λ) 2 ηf =Δ G = exp B 4 (2.5 ) όπου ε είναι η ενδεικνύμενη τιμή ( rms ) σφάλματος της επιφάνειας, δηλαδή η απόκλιση μεταξύ του πραγματικού και των θεωρητικών προφίλ που μετρούνται κάθετα στην κοίλη επιφάνεια, και Β είναι ένας συντελεστής μικρότερος ή ίσος με την μονάδα, του οποίου η τιμή εξαρτάται από την ακτίνα καμπυλότητας του ανακλαστήρα. Αυτός ο συντελεστής αυξάνεται καθώς η ακτίνα καμπυλότητας του ανακλαστήρα ελαττώνεται. Για παραβολικές κεραίες με εστιακή απόσταση f, μεταβάλλεται συναρτήσει του λόγου f D, όπου D είναι η διάμετρος της κεραίας. Με f D = 0.7 το Β είναι της τάξης του 0,9, θεωρώντας ότι το ε είναι της τάξης του λ/30. Η απόδοση επιφάνειας είναι της τάξης του 85%. Οι άλλες απώλειες, περιλαμβανομένων των ωμικών απωλειών και των απωλειών από κακή προσαρμογή, είναι μικρότερης σημασίας. Συνολικά, η ολική απόδοση η, το γινόμενο των επί μέρους αποδόσεων, είναι τυπικά μεταξύ 55% και 75%. 21

2.2.2 Το διάγραμμα ακτινοβολίας Το διάγραμμα ακτινοβολίας μας δείχνει τις μεταβολές της απολαβής σε συνάρτηση με τη διεύθυνση. Για μια κεραία με κυκλική επιφάνεια ή ανακλαστήρα αυτό το διάγραμμα διαθέτει περιστροφική συμμετρία και αναπαρίσταται πλήρως επί ενός επιπέδου με μορφή πολικών συντεταγμένων σχήμα 1. Ο κύριος λοβός περιέχει τη διεύθυνση της μέγιστης ακτινοβολίας. Οι πλευρικοί λοβοί θα πρέπει να διατηρούνται στο ελάχιστο δυνατό επίπεδο. Σχήμα 1: Το διάγραμμα ακτινοβολίας (α) πολική αναπαράσταση (β) καρτεσιανή αναπαράσταση 2.2.3 Το γωνιακό εύρος δέσμης Αυτή είναι η γωνία που ορίζεται από τις διευθύνσεις που αντιστοιχούν σε μια δεδομένη πτώση της απολαβής, σε σχέση με τη μέγιστη τιμή της. Το εύρος δέσμης 3 db, το οποίο υποδεικνύεται στο σχήμα 2 από τη γωνία θ3, είναι εκείνο που χρησιμοποιείται συχνότερα. Το 22

εύρος δέσμης 3 db αντιστοιχεί στη γωνία μεταξύ των διευθύνσεων στις οποίες η απολαβή ελαττώνεται στο μισό της μέγιστης τιμής της. Το εύρος δέσμης 3dΒ σχετίζεται με το λόγο λ D μέσω ενός συντελεστή, του οποίου η τιμή εξαρτάται από την πρόσπτωση ακτινοβολίας. Για ομοιόμορφη πρόσπτωση ακτινοβολίας, ο συντελεστής έχει τιμή ίση με 58.5 ο. Με μη ομοιόμορφη πρόσπτωση ακτινοβολίας, που έχουν σαν αποτέλεσμα την εξασθένηση στα όρια του ανακλαστήρα, το εύρος δέσμης 3dΒ αυξάνεται, και η τιμή του συντελεστή εξαρτάται από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της πρόσπτωσης ακτινοβολίας. Με τιμή που χρησιμοποιείται συχνά είναι 70 ο, που μας οδηγεί στην ακόλουθη έκφραση: ( ) ( )( ) θ3db = 70 λ D = 70 c fd μοί ρες (2. 6) Στη διεύθυνση θ σε σχέση με την κύρια διεύθυνση, η τιμή της απολαβής δίνεται από τη σχέση: 2 ( θ) 12( θ θ ) ( ) G = G dbi (2. 7) dbi max, dbi 3dB Αυτή η έκφραση ισχύει μόνο για αρκετές μικρές γωνίες ( θ μεταξύ 0 και θ3db/2). Αν συνδυάσουμε τις παραπάνω εκφράσεις μπορούμε να δούμε ότι η μέγιστη απολαβή μιας κεραίας είναι συνάρτηση του εύρους δέσμης 3 dβ, και ότι αυτή η σχέση είναι ανεξάρτητη από τη συχνότητα: G ( Df c) ( ) 2 2 max η π η π70 θ3db = = (2. 8) Αν θεωρήσουμε μια τιμή η = 0.6, έχουμε: 23

G max 3 ( θ ) 2 = 29000 db (2.9 ) όπου η θ 3 db εκφράζεται σε μοίρες. Το σχήμα 2 δείχνει τη σχέση μεταξύ του εύρους δέσμης 3 dβ και της μέγιστης απολαβής, για τρεις τιμές απόδοσης κεραίας. Η απολαβή εκφράζεται σε dβi και το εύρος δέσμης 3dB σε μοίρες: G max, dbi 3dB ( dbi) = 44.6 20logθ (2.10) Gmax, dbi 20 ( μοίρες ) θ3db = 170 10 (2.11) Σχήμα 2 : Το εύρος δέσμης 3dB σε σχέση με τη μέγιστη απολαβή 24

2.2.4 Η πόλωση Το κύμα που ακτινοβολείται από μια κεραία αποτελείται από μια συνιστώσα ηλεκτρικού πεδίου και μια συνιστώσα μαγνητικού πεδίου. Αυτές οι δύο συνιστώσες είναι κάθετες μεταξύ τους και κάθετες προς την διεύθυνση μετάδοσης του κύματος. Από σύμβαση, η πόλωση του κύματος ορίζεται από τη διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Γενικά, η διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου δεν είναι σταθερή, δηλαδή στη διάρκεια μιας περιόδου η προβολή του άκρου του διανύσματος που αναπαριστά το ηλεκτρικό πεδίο σε ένα επίπεδο το οποίο είναι κάθετο στη διεύθυνση μετάδοσης του κύματος, περιγράφει μια έλλειψη. Τότε, λέμε ότι η πόλωση είναι ελλειπτική. Η πόλωση χαρακτηρίζεται από τις ακόλουθες παραμέτρους: Τη φορά περιστροφής (σε σχέση με τη διεύθυνση μετάδοσης ) δεξιόστροφη και αριστερόστροφη πόλωση. Τον αξονικό λόγο ( Axial Ratio,AR): AR = Emax Emin Αυτός είναι ο λόγος του μεγάλου και του μικρού άξονα της έλλειψης. Όταν η έλλειψη είναι κύκλος ( αξονικός λόγος = 1=0 dβ) η πόλωση λέγεται κυκλική. Όταν η πόλωση εκφυλίζεται σε ένα άξονα (άπειρος αξονικός λόγος, το ηλεκτρικό πεδίο διατηρεί σταθερή διεύθυνση ) η πόλωση λέγεται γραμμική. Την κλίση της έλλειψης Δύο κύματα είναι σε ορθογωνική πόλωση, αν τα ηλεκτρικά τους πεδία περιγράφουν πανομοιότυπες ελλείψεις σε αντίθετες διευθύνσεις. Πιο συγκεκριμένα, μπορούμε να έχουμε τις εξής περιπτώσεις : 25

1) Δυο ορθογώνιες κυκλικές πολώσεις, που περιγράφονται σαν δεξιόστροφη κυκλική και αριστερόστροφη κυκλική (η φορά περιστροφής είναι για έναν παρατηρητή που βλέπει προς τη διεύθυνση μετάδοσης ). 2) Δυο ορθογωνικές γραμμικές πολώσεις, που περιγράφονται σαν οριζόντια και κατακόρυφη ( σε σχέση με μια αναφορά ). Μια κεραία η οποία σχεδιάζεται να εκπέμπει ή να λαμβάνει ένα κύμα μιας δεδομένης πόλωσης, δεν μπορεί ούτε να εκπέμψει, ούτε να λάβει την ορθογωνική πόλωση της πόλωσης λειτουργίας της. Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει τη λειτουργία δύο ταυτόχρονων ραδιοζεύξεων στην ίδια συχνότητα και μεταξύ των ίδιων δύο τοποθεσιών, διαδικασία που περιγράφεται σαν επανάχρηση συχνότητας μέσω ορθογωνικής πόλωσης. Για να επιτευχθεί αυτό, είτε πρέπει να υπάρχουν δύο πολωμένες κεραίες σε κάθε τοποθεσία, ή, κατά προτίμηση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια κεραία η οποία λειτουργεί με τις δυο καθορισμένες πολώσεις. Αυτή η πρακτική, όμως, πρέπει να λαμβάνει υπόψη τις ατέλειες των κεραιών και την πιθανή αποπόλωση των κυμάτων από το μέσο μετάδοσης. Αυτές οι επιδράσεις έχουν αποτέλεσμα την αμοιβαία παρεμβολή μεταξύ των δύο ραδιοζεύξεων. Έστω α και b τα μέτρα, που υποτίθενται ίσα, του ηλεκτρικού πεδίου των δύο κυμάτων τα οποία εκπέπονται ταυτόχρονα με γραμμική πόλωση, αc και b c τα πλάτη που λαμβάνονται με την ίδια πόλωση και α x και λαμβανόμενα πλάτη με ορθογωνική πόλωση. Ορίζονται τα ακόλουθα: b x τα Η απομόνωση λόγω ορθογωνικής πόλωσης Χ PI = a / b ήb / a, ώστε c x c x ( ) 20log ( ) 20log ( )( ) XPI db = a b or b a db (2.12 ) c c c x 26

Ο διαχωρισμός λόγω ορθογωνικής πόλωσης ( όταν εκπέμπεται μια μόνο πόλωση ) XPD = a / a, ώστε: c x ( ) ( )( ) XPD db = 20log ac ax db (2.13) Στην πράξη, οι ΧΡΙ και ΧΡD είναι συγκρίσιμα, και συγχέονται συχνά με τον όρο απομόνωση. Για μια περίπου κυκλική πόλωση η οποία χαρακτηρίζεται από την τιμή του αξονικού λόγου ΑR, ο διαχωρισμός λόγω ορθογωνικής πόλωσης δίνεται από τη σχέση: ( ) ( ) ( ) XPD = 20 log AR + 1 AR 1 db (2.14) Αντίστροφα μπορούμε να εκφράσουμε τον αξονικό λόγο Α συνάρτηση του ΧΡD με τη σχέση: σαν 20 20 ( 10 XPD XPD 1) ( 10 1) AR = + (2.15) Οι τιμές και οι σχετικές τιμές των συνιστωσών μεταβάλλονται σαν συνάρτηση της διεύθυνσης σε σχέση με την κεντρική διεύθυνση ακτινοβολίας της κεραίας. Έτσι η κεραία χαρακτηρίζεται για μια δεδομένη πόλωση από ένα διάγραμμα ακτινοβολίας για ορθογωνική πόλωση (crosspolar). Ο διαχωρισμός λόγω ορθογωνικής πόλωσης είναι γενικά μέγιστος στον άξονα της κεραίας και ελαττώνεται για διευθύνσεις διαφορετικές από εκείνες για μέγιστη απολαβή. 27

2.3 ΕΙΔΗ ΚΕΡΑΙΩΝ Στη συνέχεια παρατίθενται και αναλύονται τρία σημαντικά είδη κεραιών τα οποία χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον στις δορυφορικές επικοινωνίες. 2.3.1 Παραβολοειδής κεραία με εμπρόσθια τροφοδότηση (front fed feed) Η τροφοδότηση του παραβολοειδούς κατόπτρου επιτυγχάνεται με μια χοανοειδή κεραία, η οποία είναι τοποθετημένη στην κύρια εστία του κατόπτρου. Η απολαβή του παραβολοειδούς και ο βαθμός απόδοσης αυτού καθορίζονται (στην ιδανική περίπτωση ) από: Το διάγραμμα ακτινοβολίας της τροφοδοτούμενης πηγής Τον λόγο f D ( f είναι η εστιακή απόσταση του κατόπτρου και D είναι η διάμετρος του κατόπτρου ). Οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν τον σχεδιασμό του παραβολοειδούς είναι: Η διάμετρος D Eίναι ο πλέον σπουδαίος παράγοντας διότι προσδιορίζει την μέγιστη απολαβή που μπορεί να επιτευχθεί για μια δεδομένη συχνότητα και το επιθυμητό εύρος δέσμης (beam width). Στο σχήμα δείχνονται καμπύλες οι οποίες σχετίζουν την διάμετρο του παραβολοειδούς, την απολαβή και το εύρος της δέσμης. 28

Σχήμα 3: Απολαβή κεραίας συναρτήσει της διαμέτρου του παραβολοειδούς Ο λόγος f D Μεγίστη απολαβή της κεραίας επιτυγχάνεται με ομοιόμορφο φωτισμό της επιφανείας του παραβολικού κατόπτρου. Τα διαγράμματα ακτινοβολίας των πηγών τροφοδότησης είναι τέτοια ώστε ο φωτισμός να ελαττώνεται σημαντικά από το κέντρο προς την περιφέρεια. Η απολαβή της κεραίας ελαττώνεται γιατί οι ακραίοι τομείς του κατόπτρου είναι λιγότερο ενεργοί στον σχηματισμό της δέσμης και επιπλέον γιατί μέρος της ενέργειας ακτινοβολούμενο από μεγάλες γωνίες ως προς την κύρια δέσμη δεν συλλαμβάνεται ή δεν συγκεντρώνεται από το κάτοπτρο. Με χρήση της απλής χοανοειδής κεραίας, σαν πηγή τροφοδότησης, το πολικό διάγραμμα τάσης είναι κατά προσέγγιση ημιτονοειδούς μορφής. Η πλέον κατάλληλη λύση για τις δύο παραπάνω παραμέτρους είναι 0,5 f D 0, 75 χωρίς αυτό να σημαίνει πως τιμές του f D εκτός του ανωτέρω ορίου δεν είναι πραγματοποιήσιμες. Οι περιοχές αυτές ισχύουν για ελάττωση της ισχύος κατά 10 db στα άκρα του κατόπτρου συγκριτικά με την ισχύ στο μέσον του κατόπτρου. Στο σχήμα δείχνεται η γραφική παράσταση του εύρους δέσμης 29

συναρτήσει του λόγου f D, για 3 db και 10 db εξασθενήσεις στα άκρα. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο φωτισμός προέρχεται από το τροφοδοτούν στοιχείο (χοανοειδής κεραία ). Ακολουθεί εικόνα της παραβολοειδούς κεραίας καθώς και ο γραφικός σχεδιασμός αυτής. Σχήμα 4: Εύρος δέσμης συναρτήσει λόγου f D Σχήμα 5: Παραβολοειδής κεραία 30

Σχήμα 6: Γραφική αναπαράσταση 2.3.2 Κεραία τύπου CASSEGRAIN Η απόδοση του συστήματος το οποίο χρησιμοποιεί front feed παραβολοειδές κάτοπτρο, μειώνεται, διότι οι δέκτες χαμηλού θορύβου δύσκολα τοποθετούνται πλησίον του σημείου τροφοδότησης στην εστία του κατόπτρου, παρατηρείται αύξηση των απωλειών λόγω του μήκους της γραμμής μεταφοράς αύξηση της στάθμης του θορύβου και τέλος δεν είναι εύκολα προσιτοί για επισκευές και συντήρηση. Για τον λόγο αυτόν απαιτείται το τροφοδοτούμενο στοιχείο να τοποθετηθεί σε άλλη εναλλακτική θέση. Με την υιοθέτηση της κεραίας τύπου Gassegrain αποφεύγονται οι παραπάνω δυσκολίες. Στην περίπτωση αυτή, ένα δεύτερο υπερβολοειδές κάτοπτρο, τοποθετούμενο μεταξύ της κύριας εστίας και του παραβολοειδούς κατόπτρου, δημιουργεί μια εστία πλησίον της επιφάνειας του κατόπτρου. Στην περίπτωση αυτή, η χοανοειδής πηγή τροφοδότοσης 31

και ο χαμηλού θορύβου δέκτης, μπορούν να τοποθετηθούν πλησίον της κορυφής του κατόπτρου, όπου εύκολα γίνεται η εγκατάσταση, η ρύθμιση και η πιθανή συντήρηση. Το δεύτερο κάτοπτρο είναι αρκετά μεγάλο και απαιτεί στιβαρή στήριξη. Η στήριξη αυτή δημιουργεί προβλήματα στην προσπίπτουσα ακτινοβολία την οποία διαχέει με άμεσο αποτέλεσμα την ανατροπή της αναμενόμενης βελτίωσης της στάθμης του θορύβου. Ο καλύτερος συμβιβασμός επιτυγχάνεται με εξασθένιση της πρόσπτωσης ακτινοβολίας στα άκρα κατά 10 μέχρι 12 db, που οδηγεί σε απόδοση πρόσπτωσης ακτινοβολίας της τάξης του 91%. Σχήμα 7: Κεραία cassegrain με επίπεδο ανακλαστήρα 32

Σχήμα 8: Κεραία Cassegrain με υπερβολοειδή ανακλαστήρα Σχήμα 9: Κεραία τύπου Cassegrain 2.3.3 Κεραία τύπου GREGORIAN Η κεραία του τύπου αυτού, έχει το δεύτερο κάτοπτρο πέραν της εστίας του παραβολοειδούς. Το κάτοπτρο αυτό είναι ελλειψοειδές, και οι δύο εστίες αυτού ευρίσκονται η μεν μια επί της εστίας του κυρίου κατόπτρου, η δε Δευτέρα επί του σημείου τροφοδότησης, έτσι ώστε το 33

φωτίζουν την επιφάνεια του κυρίως κατόπτρου κύμα να είναι σφαιρικό. Η κεραία Gregorian έχει όλα τα πλεονεκτήματα της Gessegrain με επιπλέον πλεονεκτήματα την ελλάτωση των απωλειών spillover εκ του δευτέρου κατόπτρου. Το μειονέκτημα έναντι της Gassegrain είναι ότι, απαιτεί ισχυρότερα στήριξη για το δεύτερο κάτοπτρο. Μια σχηματική διάταξη της κεραίας αυτής δείχνεται στο σχήμα. Σχήμα 10: Κεραία τύπου Gregorian 2.4 ΕΙΔΗ ΘΟΡΥΒΟΥ Ο θόρυβος αποτελείται από όλες τις ανεπιθύμητες συνιστώσες, των οποίων η ισχύς προστίθεται σε εκείνη του επιθυμητού φέροντος κύματος. Ελαττώνει την ικανότητα του δέκτη να αναπαράγει σωστά την πληροφορία που περιέχεται στο λαμβανόμενο επιθυμητό φέρον κύμα. Υπάρχουν δύο κατηγορίες θορύβου που προκύπτουν από την προέλευση του και είναι οι εξής: ο θόρυβος που εκπέμπεται από φυσικές 34

πηγές ακτινοβολίας, οι οποίες βρίσκονται εντός της περιοχής λήψης της κεραίας και ο θόρυβος που δημιουργείται από τα εξαρτήματα του εξοπλισμού λήψης. Τα φέροντα κύματα από πομπούς διαφορετικούς από εκείνον που θέλουμε να λάβουμε, ταξινομούνται επίσης σαν θόρυβος. Αυτός ο θόρυβος περιγράφεται με τον όρο παρεμβολή. Η ανεπιθύμητη ισχύς θορύβου είναι εκείνη η οποία προκύπτει στο εύρος ζώνης Β του επιθυμητού διαμορφωμένου κύματος. Ένα δημοφιλές μοντέλο θορύβου είναι εκείνο του λευκού θορύβου, για το οποίο η φασματική πυκνότητα ισχύος N ( ) o W Hz είναι σταθερή στην εξεταζόμενη ζώνη συχνοτήτων. Η ισοδύναμη ισχύς θορύβου N( W ) που λαμβάνεται από ένα δέκτη με ισοδύναμο εύρος ζώνης θορύβου B, που συνήθως προσαρμόζεται στο Β δίνεται από τη σχέση: N N = N B (W) (2.16) 0 N Οι πραγματικές πηγές θορύβου δεν έχουν πάντοτε σταθερή φασματική πυκνότητα ισχύος, αλλά το μοντέλο αυτό είναι βολικό για την αναπαράσταση του πραγματικού θορύβου, ο οποίος παρατηρείται σε στενό εύρος ζώνης. 2.4.1 Η θερμοκρασία θορύβου μιας δίθυρης πηγής θορύβου Η θερμοκρασία θορύβου μιας πηγής θορύβου η οποία αποδίδει μια διαθέσιμη ισχύ θορύβου Ν, που δίνεται από τη σχέση: T = N kb= N0 k (K) (2.17) 35

Όπου k είναι η σταθερά του Boltzmann =1.379Χ10 = -228.6 dbw/hz Κ, το μέγεθος Τ αναπαριστά τη θερμοδυναμική θερμοκρασία μιας αντίστασης η οποία αποδίδει την ίδια διαθέσιμη ισχύ θορύβου με εκείνη της υπό εξέταση πηγής. Η διαθέσιμη ισχύς θορύβου είναι η ισχύς που αποδίδεται από την πηγή σε μια συσκευή της οποίας η εμπέδηση (σύνθετη αντίσταση) είναι προσαρμοσμένη με εκείνη της πηγής. 2.4.2 Θερμοκρασία θορύβου του συστήματος Θεωρείστε τον εξοπλισμό λήψης που φαίνεται στο σχήμα 11. Αποτελείται από μια κεραία που συνδέεται σε ένα δέκτη. Η σύνδεση (γραμμή μεταφοράς )έχει απώλειες, και βρίσκεται σε θερμοδυναμική θερμοκρασία T ( η οποία είναι περίπου ίση με T 0 = 290Κ ). Η γραμμή F μεταφοράς εισάγει μια εξασθένηση L FRX η οποία αντιστοιχεί με απολαβήg = 1 L και είναι μικρότερη από 1 (επειδή L 1). Η FRX FRX ενεργός θερμοκρασία θορύβου εισόδου FRX T e του δέκτη είναι T erx. Η θερμοκρασία θορύβου μπορεί να βρεθεί σε δυο σημεία, με τον τρόπο που ακολουθεί: στην έξοδο της κεραίας, πριν από τις απώλειες της γραμμής τροφοδοσίας, θερμοκρασία T 1 και στην είσοδο του δέκτη, μετά από τις απώλειες, θερμοκρασία T 2. Η θερμοκρασία θορύβου T 1 στην έξοδο της κεραίας είναι το άθροισμα της θερμοκρασίας θορύβου της κεραίας, T A, και της θερμοκρασίας θορύβου του υποσυστήματος που αποτελείται από τη γραμμή μεταφοράς και το δέκτη σε σειρά. Η θερμοκρασία θορύβου του 36

υποσυστήματος είναι ( 1) L T + T G. Προσθέτοντας τη FRX F erx FRX συνεισφορά της κεραίας, η οποία θεωρείται σαν μια πηγή θορύβου, αυτή η σχέση γίνεται: ( ) T = T + L T + T G (K) (2.18) 1 A FRX 1 F erx FRX Τώρα, όσον αφορά την είσοδο του δέκτη, αυτός ο θόρυβος πρέπει να έχει εξασθενήσει κατά ένα συντελεστή L FRX. Αντικαθιστώντας την G FRX με 1 L FRX βρίσκουμε τη θερμοκρασία θορύβου T 2 στην είσοδο του δέκτη: = = + ( ) + ( ) T2 T1 L T L T 1 1 L T FRX A FRX F FRX erx K (2.19) Αυτή η θερμοκρασίας θορύβου, η οποία λαμβάνει υπόψη το θόρυβο που παράγεται από την κεραία και τη γραμμή τροφοδοσίας μαζί με το θόρυβο του δέκτη, ονομάζεται θερμοκρασία θορύβου του συστήματος στην είσοδο του δέκτη. Σημειώστε, ότι η μέτρηση του θορύβου στο εξεταζόμενο σημείο θα αντανακλούσε μόνο τη συνεισφορά θορύβου από την κεραία μέχρι εκείνο το σημείο. Στην πράξη, η θερμοκρασία θορύβου του συστήματος περιλαμβάνει όλες τις πηγές θορύβου του συστήματος λήψης. Σχήμα 11: O εξοπλισμός λήψης 37

2.4.3 Θερμοκρασία θορύβου ενός εξασθενητή Ένας εξασθενητής είναι ένα τετράθυρο στοιχείο το ποίο περιέχει μόνο παθητικά εξαρτήματα ( που μπορούν να θεωρηθούν σαν αντιστάσεις ), όλα σε θερμοκρασία TATT περιβάλλοντος. Αν η οποία γενικά είναι η θερμοκρασία L ATT είναι η εξασθένηση που προκαλεί ο εξασθενητής, η ενεργός θερμοκρασία θορύβου στην είσοδο του εξασθενητή είναι: = ( 1) ( ) T L T eatt ATT ATT K (2.20) Αν είναι T ATT = T 0, ο συντελεστής θορύβου του εξασθενητή είναι: F ATT = L (2.21) ATT 2.4.4 Θερμοκρασία θορύβου μιας κεραίας Μια κεραία συλλέγει θόρυβο από ακτινοβολούντα σώματα τα οποία βρίσκονται «μέσα» στο διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας. Η έξοδος θορύβου από την κεραία είναι συνάρτηση της διεύθυνσης προς την οποία «βλέπει», του διαγράμματος ακτινοβολίας της και της κατάστασης του περιβάλλοντος. Η κεραία θεωρείται σαν μια πηγή θορύβου που χαρακτηρίζεται από μια θερμοκρασία θορύβου η οποία ονομάζεται θερμοκρασία θορύβου της κεραίας TA ( K ). Έστω Tb (, ) θφ η θερμοκρασία λαμπρότητας ενός ακτινοβολούντος σώματος που βρίσκεται σε μια διεύθυνση ( θφ, ), όπου η απολαβή της κεραίας έχει τιμή (, ) G θφ. Η 38

θερμοκρασία της κεραίας βρίσκεται με ολοκλήρωση των συνεισφορών όλων των ακτινοβολούντων σωμάτων εντός του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας. Ετσι η θερμοκρασία θορύβου της κεραίας είναι : ( 14 π) ( θ, φ) ( θ, φ) sin θ θ φ ( ) Τ Α = Τb G d d K (2.22) 2.5 ΟΤΑΝ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΓΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗ 2.5.1 Ενεργός ισοτροπική εκπεμπόμενη ισχύς (Effective isotropic radiated power EIRP) Η ισχύς που εκπέμπεται ανά μονάδα στερεάς γωνίας από μια ισοτροπική κεραία που τροφοδοτείται από μια πηγή ραδιοσυχνότητας με ισχύ P T δίνεται από τη σχέση: ( ) P 4 π W στερακτίνιο (2.23) T Σε μια διεύθυνση όπου η τιμή της απολαβής μετάδοσης είναι G T, οποιαδήποτε κεραία ακτινοβολεί μια ισχύ ανά μονάδα στερεάς γωνίας ίση με: ( ) GP 4 π W στερακτίνιο (2.24) T T 39

Το γινόμενο PG T T ονομάζεται «ενεργός ισοτροπική ακτινοβολούμενη ισχύς» (ΕΙRΡ ). Αυτή εκφράζεται σε W. Στην πιο πλήρη μορφή της είναι: ( ) ( ) EIRP = P G L L (2.25) TX T max T FTX W Αυτή η έκφραση λαμβάνει υπόψη τις απώλειες γραμμής μεταφοράς L FTX και τις απώλειες L T λόγω μη ευθυγράμμισης της κεραίας που αναλύονται στη συνέχεια. 2.5.2 Πυκνότητα ροής ισχύος Μια επιφάνεια A που βρίσκεται σε απόσταση R από την κεραία εκπομπής φαίνεται υπό στερεά γωνία 2 AR από την κεραία εκπομπής. Λαμβάνει ισχύ ίση με: 2 ( 4 π )( ) ( W) P = PG A R =Φ A (2.26) R T T Το μέγεθος π 2 Φ= PG T T 4 R ονομάζεται πυκνότητα ροής ισχύος. Εκφράζεται σε 2 W m. 2.5.3 Ισχύς Eίναι η αρχική ισχύς που τροφοδοτούμε τον επίγειο σταθμό βάσης. Είναι της τάξης των δεκάδων έως χιλιάδων watt. Μπορεί να εκφραστεί σε decibel μέσω του τύπου: 40

( ) 10log P( W) P db = (2.27) 2.5.4 Απώλειες γραμμής μεταφοράς Χρησιμοποιείται συνήθως ομοαξονικό καλώδιο ή κυκλικός κυματοδηγός που εμφανίζουν απώλειες μεταξύ 0 και 1 db με χαρακτηριστικότερη τιμή το 0,6. Συμβολίζεται ως L FTX. 2.5.5 Απώλειες λόγω κακής σκόπευσης Το σχήμα 2.9 δείχνει τη γεωμετρία της ραδιοζεύξης για την περίπτωση ατελούς ευθυγράμμισης των κεραιών εκπομπής και λήψης. Το αποτέλεσμα είναι μια πτώση της απολαβής των κεραιών, σε σχέση με τη μέγιστη απολαβή στην εκπομπή και λήψη. Αυτή η απώλεια είναι αποτέλεσμα της μη ευθυγράμμισης των γωνιών εκπομπής ( θt ) και λήψης ( θr ) και εκτιμάται χρησιμοποιώντας την έκφραση 2.4. Η τιμή των απωλειών αυτών σε db δίνεται από τη σχέση: 2 ( ) ( ) L = 12 θ θ db (2.28) T T 3dB 41

Σχήμα13: Γεωμετρία της ραδιοζεύξης 2.6 ΟΤΑΝ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΓΙΑ ΛΗΨΗ 2.6.1 Η ισχύς που λαμβάνεται από την κεραία λήψης Μια κεραία λήψης με ενεργό επιφάνεια A Re ff που βρίσκεται σε απόσταση R από την κεραία εκπομπής λαμβάνει ισχύ ίση με. 2 ( π ) ( ) P =Φ A = PG R A (2.29) R Re ff T T Re ff W Η ενεργός επιφάνεια μιας κεραίας εκφράζεται σαν συνάρτηση της απολαβής λήψης της, G R 2 2 ( ) ( ) ARe ff = GR 4 π λ m (2.30) Έτσι προκύπτει μια έκφραση για τη λαμβανόμενη ισχύ: 42

2 2 ( 4π )( λ 4π) P = PG R G R T T R ( )( λ π ) ( PG )( L ) G = PG 4 R G T T R = 1 T T FS R 2 (2.31) όπου η ποσότητα ( ) 2 L FS = 4π R λ ονομάζεται απώλεια ελεύθερου χώρου, και αναπαριστά το λόγο της λαμβανόμενης και εκπεμπόμενης ισχύος σε μια ραδιόζευξη, μεταξύ δυο ισοτροπικών κεραιών. Οι τιμές των L ( R ) δίνονται σαν συνάρτηση της συχνότητας για ένα γεωστατικό δορυφόρο και ένα σταθμό που βρίσκεται ακριβώς κάτω από το δορυφόρο σε απόσταση R= R 0 = 35786 km, που ισούται με το ύψος του δορυφόρου. Σημειώστε, ότι η L FS είναι της τάξης των 200 db. Για οποιοδήποτε σταθμό, του οποίου η θέση αναπαρίσταται από το σχετικό γεωγραφικό πλάτος και μήκος l και L σε σχέση με το γεωστατικό δορυφόρο (αφού ο δορυφόρος βρίσκεται στο ισημερινό επίπεδο, το l είναι το γεωγραφικό πλάτος του σταθμού) η τιμή της συντελεστή ( R R ) 2 0, έτσι ώστε να είναι : L FS η οποία δίνεται πρέπει να διορθωθεί κατά το FS 0 FS ( 4π λ) ( 4π λ) ( ) ( )( ) 2 2 2 2 L = R = R R R = L R R R (2.32) 0 0 FS 0 0 όπου ( R R ) 2 ( l L) 0 = 1+ 0,42 1 cos cos. Η τιμή του ( R R ) 2 0 είναι μεταξύ 1 και 1.356 ( 0 μέχρι 1.3 db ) 43

2.6.2 Απολαβή εξοπλισμού λήψης Η απολαβή του εξοπλισμού λήψης είναι: G = G L L L (2.33) Rmax R FRX POL όπου LFRX οι απώλειες μεταξύ της κεραίας και του δέκτη, L R η απώλεια απολαβής λόγω μη ευθυγράμμισης της κεραίας λήψης και L POL οι απώλειες λόγω μη προσαρμογής των πολώσεων. 2.6.3 Απώλειες λόγω ασυμφωνίας πολώσεων Η απώλεια λόγω ασυμφωνίας των πολώσεων L POL παρατηρείται όταν η κεραία λήψης δεν ευθυγραμμισμένη με την πόλωση του λαμβανόμενου κύματος. Σε μια ραδιοζεύξη με κυκλική πόλωση το εκπεμπόμενο κύμα είναι κυκλικά πολωμένο μόνο στον άξονα της κεραίας και γίνεται ελλειπτική εκτός του άξονα. Επίσης η μετάδοση διαμέσου της ατμόσφαιρας μπορεί να αλλάξει την κυκλική σε ελλειπτική πόλωση. Σε μια γραμμικά πολωμένη ραδιοζεύξη το κύμα μπορεί να υποστεί περιστροφή του επιπέδου πόλωσής του καθώς μεταδίδεται διαμέσου της ατμόσφαιρας. Τέλος με γραμμική πόλωση η κεραία λήψης μπορεί να μην έχει το επίπεδο πόλωσής της ευθυγραμμισμένο με εκείνο του προσπίπτοντος κύματος. Αν η γωνία μεταξύ των δύο επιπέδων είναι ψ τότε η απώλεια λόγω μη προσαρμογής των πολώσεων ( db) L είναι ίση με 20log cosψ. Στην POL 44

περίπτωση που μια κυκλικά πολωμένη κεραία λαμβάνει ένα γραμμικά πολωμένο κύμα η L POL έχει τιμή 3 db. 2.6.4 Απώλειες γραμμής μεταφοράς Χρησιμοποιείται συνήθως ομοαξονικό καλώδιο ή κυκλικός κυματοδηγός που εμφανίζουν απώλειες μεταξύ 0 και 1 db με χαρακτηριστικότερη τιμή το 0,6. Συμβολίζεται ως L FRX. 2.6.5 Απώλειες λόγω κακής σκόπευσης Οι απώλειες που οφείλονται σε κακή σκόπευση στο σύστημα λήψης δίνονται από τον τύπο 2 ( ) ( ) L = 12 θ θ db (2.34) R R 3dB Η ανάλυσή τους δεν διαφέρει σε τίποτα από αυτές του συστήματος εκπομπής. 2.6.6 Η κεραία του επίγειου σταθμού Ο θόρυβος που λαμβάνεται από την κεραία αποτελείται από θόρυβο από τον ουρανό και θόρυβο που οφείλεται σε ακτινοβολία από τη γη.. A. Συνθήκες «καθαρού ουρανού»: Σε συχνότητες μεγαλύτερες από 2 GHz η μεγαλύτερη συνεισφορά θορύβου είναι εκείνη της μη ιονισμένης περιοχής της ατμόσφαιρας η οποία, αφού είναι απορροφητικό μέσο 45

μετάδοσης, είναι πηγή θορύβου. Σε απουσία μετεωρολογικών σχηματισμών (συνθήκες που περιγράφονται σαν καθαρός ουρανός) η θερμοκρασία θορύβου της κεραίας περιέχει συνεισφορές που οφείλονται στον ουρανό και το περιβάλλον έδαφος. Η συνεισφορά θορύβου του ουρανού βρίσκεται από την έκφραση ( 2.22), όπου (, ) T θ φ είναι η θερμοκρασία λαμπρότητας του ουρανού στη b διεύθυνση ( θ, φ ). Στην πράξη, μόνο εκείνο το μέρος του ουρανού στη διεύθυνση του άξονα της κεραίας συνεισφέρει στο σύνολο, καθώς η απολαβή έχει υψηλή τιμή μόνο προς εκείνη τη διεύθυνση. Συνεπώς, η συνεισφορά θορύβου του καθαρού ουρανού, T SKY μπορεί να παρομοιαστεί με τη θερμοκρασία λαμπρότητας του καθαρού ουρανού σε συνάρτηση της συχνότητας και της γωνίας ανύψωσης. Η ακτινοβολία από το έδαφος, κοντά στον επίγειο σταθμό, λαμβάνεται από τους πλευρικούς λοβούς του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας, και εν μέρει από τον κύριο λοβό, όταν η γωνία ανύψωσης είναι μικρή. Η συνεισφορά κάθε λοβού βρίσκεται από τη σχέση ( 4π ) στερεάς γωνίας Ti = Gi Ω ι TG, όπου G i είναι η μέση απολαβή του λοβού Ω ι και T G είναι η θερμοκρασία λαμπρότητας (ακτινοβολίας) του εδάφους. Το άθροισμα των συνεισφορών αυτών μας δίνει την τιμή προσέγγιση: T GROUND. Τα ακόλουθα μπορούν να θεωρηθούν μια πρώτη - T G = 290 K για πλευρικούς λοβούς των οποίων η γωνία ανύψωσης E είναι μικρότερη από 0 10 - T G = 150 K - T G = 50 K για για 10 < E < 0 0 0 0 < E < 10 0 0 46

- T G = 10 K για 10 < E < 90 0 0 Έτσι η θερμοκρασία θορύβου της κεραίας δίνεται από τη σχέση: TA = TSKY + TGROUND (2.35) Στο θόρυβο αυτό μπορεί να προστεθεί εκείνος των ξεχωριστών πηγών οι οποίες βρίσκονται κοντά στον άξονα της κεραίας. Για μια ραδιοπηγή φαινόμενης γωνιακής διαμέτρου a και θερμοκρασίας θορύβου T n στην συχνότητα που μας ενδιαφέρει, και μετρημένη στο επίπεδο του εδάφους μετά από την εξασθένηση από την ατμόσφαιρα, η επιπρόσθετη θερμοκρασία θορύβου από τη σχέση: Δ TA για μια κεραία με εύρος δέσμης θ 3dB δίνεται ( ) Δ T = T a θ για θ 3dB > a A n 3dB Δ T = T για θ 3dB < a A n Για επίγειους σταθμούς που βλέπουν προς ένα γεωστατικό δορυφόρο, είναι ανάγκη να εξεταστούν μόνο ο ήλιος και το φεγγάρι σαν πηγές θορύβου. Υπάρχει αύξηση της θερμοκρασίας θορύβου όταν αυτά τα ουράνια σώματα είναι ευθυγραμμισμένα με τον επίγειο σταθμό που «βλέπει» προς το δορυφόρο. Το σχήμα 2.14 δείχνει αυτή την περίπτωση: 47

Σχήμα 14: Οι συνεισφορές στη θερμοκρασία θορύβου της κεραίας για συνθήκες καθαρού ουρανού Β. Συνθήκες βροχής: Η θερμοκρασία θορύβου αυξάνεται στη διάρκεια της παρουσίας μετεωρολογικών σχηματισμών όπως τα σύννεφα και η βροχή που αποτελούν ένα μέσο που απορροφά και συνεπώς επανεκπέμπει. Η θερμοκρασία θορύβου της κεραίας είναι: ( 1 1 ) ( K) T = T A + T A + T (2.36) A SKY RAIN m RAIN GROUND όπου A RAIN είναι η εξασθένιση και T m η μέση θερμοδυναμική θερμοκρασία των μετεωρολογικών σχηματισμών. Για την T m μπορούμε να υποθέσουμε μια τιμή ίση με 275 K. Συμπερασματικά η θερμοκρασία θορύβου της κεραίας T A εξαρτάται από τη συχνότητα,τη γωνία ανύψωσης και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες. Συνεπώς ο δείκτης ποιότητας ενός επίγειου σταθμού πρέπει να καθορίζεται για συγκεκριμένες συνθήκες συχνότητας, γωνίας ανύψωσης και ατμοσφαιρικών συνθηκών. Το σχήμα 2.15 δείχνει αυτή την περίπτωση: 48

Σχήμα 15: Οι συνεισφορές στη θερμοκρασία θορύβου της κεραίας για συνθήκες βροχής 49

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Το δορυφορικό τμήμα 50

3.1 ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Ένας δορυφόρος επικοινωνίας αποτελείται από διάφορα υποσυστήματα με διαφορετική λειτουργία το καθένα. Τα υποσυστήματα αυτά συνήθως διαχωρίζονται σε δύο κατηγορίες: στο ωφέλιμο φορτίο και στην πλατφόρμα. Με τον όρο ωφέλιμο φορτίο χαρακτηρίζεται ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται για την επικοινωνία με τους σταθμούς βάσης ενώ με τον όρο πλατφόρμα χαρακτηρίζεται ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται για να μεταφέρει το ωφέλιμο φορτίο από τη γη στο διάστημα,να το υποστηρίζει και να το τροφοδοτεί με ισχύ. Το ωφέλιμο φορτίο αποτελείται κυρίως από δύο μέρη καθώς και από διάφορες ενδιάμεσες βαθμίδες. Τα δύο μέρη αυτά είναι ο αναμεταδότης και οι κεραίες. Ο αναμεταδότης συνίσταται από τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό που επεξεργάζεται τα σήματα που λαμβάνει από μια κεραία λήψης πριν τα προωθήσει σε μια κεραία εκπομπής. Οι κεραίες είναι τις περισσότερες φορές παραβολικού τύπου. Οι κύριες λειτουργίες του ωφέλιμου φορτίου ενός δορυφόρου είναι οι ακόλουθες: Να συλλαμβάνει τα φέροντα που εκπέμπονται σε μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων και με δεδομένη πόλωση από τους επίγειους σταθμούς του δικτύου. Να συλλαμβάνει όσο το δυνατό λιγότερες παρεμβολές. Να ενισχύει τα λαμβανόμενα φέροντα περιορίζοντας τον θόρυβο και την παραμόρφωση όσο το δυνατό περισσότερο. Να παρέχει την απαιτούμενη ισχύ σε μια δεδομένη ζώνη συχνοτήτων στην ενδιάμεση βαθμίδα σύνδεσης με την κεραία εκπομπής. 51

Να εκπέμπει τα φέροντα σε δεδομένη ζώνη συχνοτήτων,με συγκεκριμένη πόλωση και με προορισμό μια δεδομένη περιοχή στην επιφάνεια της γης. Η πλατφόρμα αποτελείται από διάφορα υποσυστήματα τα οποία είναι απαραίτητα για την ομαλή λειτουργία και κίνηση του δορυφόρου. Τέτοια είναι το σύστημα ελέγχου θέσης και τροχιάς, το σύστημα προώθησης,η τροφοδοσία ηλεκτρικής ισχύος, το σύστημα τηλεμετρίας,ανίχνευσης και εντολών και άλλα. Η οργάνωση μιας πλατφόρμας δορυφορικής επικοινωνίας καθορίζεται κυρίως από τους εξής παράγοντες: Τις απαιτήσεις του ωφέλιμου φορτίου επικοινωνίας Τη φύση και τις επιδράσεις του διαστημικού περιβάλλοντος Την αποδοτικότητα των εκτοξευτήρων πυραύλων Στο τέλος πρέπει να αναφερθεί ότι οι σύγχρονοι δορυφόροι αποτελούνται από ηλιακές κυψελίδες οι οποίες συγκεντρώνουν ηλιακή ενέργεια την οποία στη συνέχεια την αποθηκεύουν ως ισχύ. Η ισχύς αυτή διοχετεύεται για την ομαλή λειτουργία του ηλεκτρονικού εξοπλισμού και τη «ζωή» του δορυφόρου. 52

3.1.1 TRANSPONDERS Eίναι μια σειρά από διασυνδεδεμένες μονάδες στο δορυφόρο, οι οποίες σχηματίζουν ένα απλό τηλεπικοινωνιακό κανάλι μεταξύ της κεραίας λήψης και της κεραίας εκπομπής. Οι βασικές μονάδες είναι: Φίλτρο εισόδου (Bandpass Filter) Δέκτης ευρείας ζώνης (Windband Receiver) Συζεύκτης Αποπλέκτης (Demultiplexer) Εξασθενητής (Attenuator) Ενισχυτής ισχύος (Power Amplifier) Πολυπλέκτης (Multiplexer) Λειτουργία TRANSPONDERS O δορυφόρος έχει δύο όμοιους δέκτες. Όταν ο ένας δέκτης βρεθεί εκτός λειτουργίας ενεργοποιείται ο άλλος. Το σήμα της Ανω Ζεύξης μετά το BPF φίλτρο εισάγεται στην πρώτη βαθμίδα του δέκτη η οποία είναι ένας LNA ενισχυτής. Ο LNA εισάγει μια μικρή στάθμη θορύβου στον υπό ενίσχυση φορέα και παράλληλα προσφέρει επαρκεί ενίσχυση για να υπερκαλύψει το θόρυβο ο οποίος υφίσταται στην βαθμίδα του μίκτη. Η έξοδος του LNA οδηγείται στη βαθμίδα του μίκτη οπότε λαμβάνει χώρα η διαδικασία μετατροπής της συχνότητας στην περιοχή της ζώνης της κάτω ζεύξης. Ο μείκτης χρησιμοποιεί έναν τοπικό ταλαντωτή ο οποίος χαρακτηρίζεται από υψηλή σταθερότητα και χαμηλή στάθμη θορύβου φάσης. Η ισχύς του σήματος το οποίο οδηγείται από τον τοπικό ταλαντωτή στην είσοδο του μείκτη είναι της τάξης των 110 dbm. Mετά τη βαθμίδα του 53

μίκτη ακολουθείται μια δεύτερη ενισχυτική βαθμίδα η οποία παρέχει ένα συνολικό κέρδος δέκτου της τάξης των 60dB. 3.2 ΚΥΡΙΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 3.2.1 Η κεραία του δορυφορικού σταθμού Η κεραία π ου χρησιμοποιείται είναι η παραβολοειδής όπως αναφέρεται στην παράγραφο 2.3.1 με τυπικές τιμές για την απόδοση 0.5 n 0.7 και διάμετρο 1 D 5 m. Η απολαβή (κέρδος) της κεραίας δίνεται από την σχέση: ( Df c) 2 G = η π (3.1) όταν είναι γνωστή η διάμετρος D και ( ) 2 G = η π θ (3.2) max 70 3dB όταν είναι γνωστή η γωνία ημίσειας σχέσης. 3.2.2 Διόρθωση του προσανατολισμού της κεραίας Ο προσανατολισμός της κεραίας πρέπει συνεχώς να ελέγχεται και εφόσον κριθεί σκόπιμο να διορθώνεται. Η διαδικασία που ακολουθείται περιλαμβάνει τη σκόπευση του δορυφόρου και τη συνεχή παρακολούθηση 54

αυτού με την αντίστοιχη διόρθωση των παραμέτρων της κεραίας του επίγειου σταθμού. Η τυχαία μετατόπιση της κεραίας από την κατεύθυνση σκόπευσης του δορυφόρου δημιουργεί ένα ασθενές σήμα σφάλματος. Η παρακολούθηση επιτυγχάνεται με κατάλληλο σερβομηχανισμό: το σήμα σφάλματος ενισχύεται και εισάγεται στο σύστημα σερβομηχανισμού της κεραίας, ο οποίος κινεί την κεραία προς την κατάλληλη κατεύθυνση ώστε να ελαχιστοποιηθεί το σήμα σφάλματος. 3.3 ΟΤΑΝ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΓΙΑ ΛΗΨΗ Ακολουθείται η ίδια διαδικασία όπως στον επίγειο σταθμό βάσης (παράγραφος 2.6) θεωρώντας το δορυφορικό τμήμα ως εξοπλισμό λήψης. Εδώ συνοπτικά παραθέτουμε τα συμπεράσματα αυτής της ανάλυσης. Σχηματικά το σύστημα είναι: Σχήμα 1: Το δορυφορικό τμήμα ως εξοπλισμός λήψης 3.3.1 Απολαβή εξοπλισμού λήψης 55

Ο δορυφόρος στο uplink χρησιμοποιείται σαν εξοπλισμός λήψης με απολαβή: G = G L L L (3.3) R max R FRX POL όπου οι απώλειες LPOL, LFRX, L R έχουν αναλυθεί στις παραγράφους 2.6.3, 2.6.4, 2.6.5 αντίστοιχα. Το κέρδος G T max είναι η μέγιστη απολαβή της κεραίας. 3.3.2 Ο θόρυβος από την κεραία του δορυφόρου Ο θόρυβος που λαμβάνεται από την κεραία είναι θόρυβος από τη γη και από το διάστημα. Το εύρος δέσμης μιας κεραίας δορυφόρου είναι μικρότερο ή ίσο από την γωνία με την οποία βλέπει τη γη, ο δορυφόρος, η οποία είναι 0 17.5, η θερμοκρασία θορύβου της κεραίας δίνεται από το σχήμα 1. Εξαρτάται από τη συχνότητα και τη θέση του δορυφόρου στην τροχιά. Για μικρότερο εύρος δέσμης ( στενή δέσμη) η θερμοκρασία θορύβου εξαρτάται από τη συχνότητα και την περιοχή που καλύπτεται. Οι ηπειρωτικές περιοχές εκπέμπουν περισσότερο θόρυβο από τους ωκεανούς. Αν δεν έχουμε ακριβείς εκτιμήσεις, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την τιμή 290 Κ, σαν μια συντηρητική εκτίμηση. 56

Σχήμα 2: Η θερμοκρασία της κεραίας του δορυφόρου σε σχέση με τη συχνότητα λειτουργίας 3.4 ΟΤΑΝ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΓΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗ Όμοια και εδώ ακολουθείται η ίδια διαδικασία όπως στον επίγειο σταθμό βάσης (παράγραφος 2.5) θεωρώντας το δορυφορικό τμήμα ως εξοπλισμό εκπομπής. Τα συμπεράσματα αυτής της ανάλυσης παρατίθενται συνοπτικά στη συνέχεια. Σχηματικά το σύστημα είναι: 57