Nghiên cứu cấu trúc hệ thống viễn thông mặt đất để sử dụng hiệu quả vệ tinh vinasat

Nghiên cứu cấu trúc hệ thống viễn thông mặt đất để sử dụng hiệu quả vệ tinh vinasat

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC HỆ THỐNG VIỄN

THONG MAT DAT DE SU DUNG HIỆU QUA

VE TINH VINASAT

CHU NHIEM DE TAI: TS PHUNG VAN VAN

NOLDUNG 5 (Tài liệu nghiệm thu cấp Nhà nước)

Hà Nội, 05/2005

Noi dung 5

Nghiên cứu khả năng chế tạo thử nghiệm một số phần tử, thiết bị trạm

đầu cuối VYSAT dùng trong hệ thống

thông tin vé tinh

MỤC LỤC

Mục lục ` ——¬ i

Danh mục bảng 4941480 484skeeermem sosetsernaee sesenasetareees woe Vii

Danh mục hình vẽ S0 146940550 0803054001984 09” 41961 1831968446 1396 „ÏX

Phần 1 Lựa chọn phần tử của trạm đầu cuối VSAT phù hợp với

năng lực tự thiết kế, chế tạo trong nước Ì

Chương I1 Cấu trúc trạm đầu cuối VSAT "- 1461936585846 9555 2 1.1 Giới thiệu chung về VSAT 2

1.2.1 Cấu trúc chung và nguyên tắc lắp đặt tram VSAT 3

1.2.2 Hệ thống anten và các thiết bị phụ trợ 5 1.23 Thiết bị ODU của VSAT 6

1.2.4 Thiét bi IDU cia VSAT 9 1.2.4.1 Mạch trung tần và modem -. ccecceceee 10 1.2.4.2 Bộ xử lí băng gốc - cv 12

1.2.4.3 Thiết bị của VSAT chỉ thu tín hiệu (RO-VSAT) 13 1.2.4.4 Các tham số kĩ thuật điển hình của một trạm VSAT 14

1.2.5 Lựa chọn thiết bị để chế tạo thử nghiệm 16

13 Tổng kết chương 1 16

Tài liệu tham khảo chương I 17

Chương 2 Hệ thống anten (mat phản xạ chính, feedhorn) và thiết bị

phụ trợ dùng trong trạm VSA TỈ e«esesessssessesssssee 18

2.1 Một số tham số và thuật ngữ cơ bản 18 2.2 Một số loại anten phản xạ parabol trong thông tin vệ tình 20

2.2.1 Yêu cầu kĩ thuật 20

2.2.2 Các loại anten thường được sử dụng và lựa chọn loại để sản xuất 21 2.2.3 Nhận xét các chỉ tiêu kĩ thuật của anten parabol offset 24 2.3 Tru, giá đỡ và thiết bị diéu khién hudng anten 25 2.3.1 Giá đỡ điều chỉnh theo trục X-Y 27

2.3.2 Giá đỡ điều chỉnh theo xích đạo 28 2.3.3 Giá đỡ 3 chan 29 2.3.4 Lựa chọn kiểu trụ đỡ, điểu chỉnh định vị anten 29 2.4 _ Tổng kết chương 2 29

Tài liệu tham khảo chương 2 29

Phần 2 Thiết kế mặt phản xạ và feedhorn 31

Chuong 3 Thiét ké anten parabol offset đường kính 2,4 m 32

3.1 Tham số hình học anten parabol offset 32

3.1.1 Mặt phản xạ parabol 32 3.1.2 Cấu trúc hình học của anten parabol offset 33

3.2 Một số phương pháp thường dùng để tính toán tham số điện của anten

ii

3.2.3 Các kĩ thuật tính dé thị bức xạ phương hướng của anten 39 3.2.4 Đồ thị phương hướng anten parabol offset 41

3.2.5 Ảnh hưởng của feedhorn đến chỉ tiêu bức xạ 44

3.2.5.1 Ảnh hưởng đến đô thị phương hướng và tăng ích anten

4919 91111 1 ng TH HT HH TH TH T0 T0 KH 001 1011 T7 44

3.2.5.2 Ảnh hưởng đến phân cực c-c-ccccc.ceee 45 3.2.5.3 Đồ thị bức xạ của feedhorn -.- 45 3.2.6 Xác định các tham số hình học đầu tiên khi thiết kế anten parabol

3.2.7.1 YOu chu chung -.c+cs-cerrersveserrrrre 49 3.2.7.2 _ Yêu cầu thiết kế của để tài «-. -cr-crs 49

3.2.7.3 Tính toán cụ thể c-scecrrrrrrirrerrke 50

3.3 Tổng kết chương 3 55 Tài liệu tham khảo chương 3 59 Chương 4 Thiết kế feedhorn LH 555885666 8085600140004 60 |

4.2 Phân loại anten loa và lựa chọn để chế tạo 61 4.3 Bức xạ của anten loa xẻ rãnh 62

4.3.1 Các tham số hình học của anten loa xẻ rãnh 62 4.3.2 Mode trong anten loa 63 4.3.3 Bức xạ của anten loa xẻ rãnh góc mở rộng 68

4.3.3.1 Hàm bức xạ của anten theo phương pháp SWX 69

4.3.3.2 Sự phụ thuộc vào tần số của hàm bức xa trực giao 70

iii

Đồ thị phương hướng bức xạ đồng pha

Rãnh anten loa và bức xạ trực giao

Miền mở rộng của anten loa và tâm pha Vùng cổ anten: chuyển đổi mode và phối hợp trở kháng

Các bước thiết kế anten loa

Bộ tham số anten loa xẻ rãnh cụ thể

Khối tách thu phát OMT

Một số khái niệm, thuộc tính cơ bản của OMT

4.5.3.1 Mode sóng đối xứng và nửa đối xứng 4.5.3.2 Độ phân tách và các thuộc tính phối hợp Phân loại OMT sử dụng ghép nối giữa các ống dẫn sóng

4.5.5.2 — Các bản vẽ kĩ thuật -S+Ăxsehnhenreerrerrrer 99

4.5.5.3 Thuyết minh chỉ tiết feed (OMT) 99

4.6 Tổng kết chương 4 101

Tài liệu tham khảo chương 4 102

_ Phần 3 Chế tạo thử nghiệm mặt phản xạ chính và feedhorn 104

Chương 5 Chế tạo anten parabol offset 2,4m "—-.- 105

5.1 Một số vấn để lí thuyết liên quan đến chế tạo 105

5.1.1.1 Tham số đặc trưng +cccececer 105 5.2.1.2 Khả năng chế tạo + sec 105 5.1.2 Thanh parabol chuẩn 107

5.2 _ Công nghệ chế tạo anten parabol offset 109 5.2.1 Độ chính xác bề mat 109

5.2.2 Ảnh hưởng do tâm pha của feedhorn bị đặt lệch trên trục của mặt

phản xạ chính 110 5.2.3 Chú ý về phân bổ dung sai 112

5.2.4 Qui trình công nghệ chế tạo 112

5.2.4.1 Chế tạo thanh chuẩn -c-cccexszrcr+ 113

5.2.4.2 Tạo âm bản mặt phản xạ anfen -~ 114

5.2.4.3 _ Chế tạo xương anten -cerers 116 5.2.4.4 Chế tạo mặt phản xạ ¬ SH HT ray 119 5.2.4.5 Chế tạo các phần phụ trợ của anten 120

5.2.4.6 Chế tạo xương và mặt phản xa c- 121

Tài liệu tham khảo chương II 121

Chương 6 Chế tạo thử nghiệm feedhorn -.s<<o<sse<seeeee 122

6.2.5 Gia công nguội 125

Phụ lục chương 6 Phân tích mẫu vật liệu feedhorn của prodelin 133

Chương” Lắp đặt và triển khai thử nghiệm anten chế tạo tại trạm

7.1 Lấp đặt và thử nghiệm mặt phản xạ chính thay thế mặt phản xạ chuẩn 139

7.1.1 Lắp đặt mặt phản xạ chính 139

7.1.2 Đo kiểm chất lượng mặt phản xạ chính 141

7.1.2.1 Yêu cầu và phép đo chất lượng anten chuẩn tắc 141

7.1.2.2 Đo tăng ích anten -cHveneeersrrrrsee 145 7.1.2.3 Nhận xét về các phương pháp đo trực tiếp đồ thị phương

7.1.2.4

hướng và tăng ích an(en ccxserersrreexre 146

Đo chỉ tiêu mặt phản xạ chính của anfen 147

7.2 Lắp đặt feedhorn chế tạo với mặt phản xạ chuẩn và đo thử 153

7.2.1 Kiểm tra feedhorn chế tạo trong phòng thí nghiệm 153 7.2.2 Lắp đặt feedhorn chế tạo với mặt phân xạ chuẩn và đo ngoài hiện

trường 159 7.3 Lắp đặt feedhorn chế tạo và mặt phân xạ chính chế tạo 160 7.4 _ Nhận xét và đánh giá kết quả đo , 162 Tài liệu tham khảo 163

Chương 8 Kết luận và một số khuyến nghị về hướng chế tạo hàng

81

8.2

loạt tại Việt ÏNam HH1 0m0 89p 164

Nhận xét kết quả thu được 164

Chế tạo sản phẩm hàng loạt tại Việt Nam 165

§.2.1 Sản xuất anten VSAT với số lượng lớn 166 8.2.2 San xudt Feedhord bang C với số lượng lớn 167

Vii

Bang 1.1

Bang 3.1

Bang 4.1

Bang 4.2

Bang 4.3

DANH MUC BANG

Tham số kĩ thuật trạm VSAT c2 nen 14

Bộ tham số hình học mặt phản xạ anten parabol offset 2,4m Nghiệm v của mode sóng HE,; ứng với các góc mở anten khác nhaU - S12 th H2 TY TH Tàn gT H0 cng010112 68

Góc bức xạ gần đúng của anten loa xẻ rãnh góc mở rộng 76

Các tham số của anten loa xẻ rãnh vuông góc 90

Các tham số của anten loa xẻ rãnh song song 91

Giá trị tính toán với thanh chuẩn, ƒ= 1,45 m 108

Thành phần một số hợp kim nhôm - ccs Sex 123 Qui trình chế tạo anten loa con nn Hee 126 Qui trình chế tạo ống dẫn sóng chính + ống dẫn sóng thu 128

Qui trình chế tạo ống dẫn sóng phát (OMT) 131

Tần số đo: 4197,5 MHz - QQ Q2 22022 HH HH TH KH tr Hy 150 Mức thu với các góc lệch khác nhau (góc thu cực đại là góc 0} 153 Kết quả đo hệ số sóng đứng đầu phát -.+e 156 Kết quả đo hệ số sóng đứng đầu thu -<- 156 Mức thu tín hiệu beacon (tần số đo: 952.575 MH?) 159

Mức thu tín hiệu beacon (tần số đo: 952.575 MHz) mặt phản xạ +

feedhorn chế tạO Làn kg tren re 161

Viii

Sơ đồ khối của bộ giải điều chế số -. c+csesrerrrreee "1 Một số loại anten parabol -scs+t tt errrrrerrrrrrcee 23

Hệ thống giá đỡ điều chỉnh góc ngẩng-góc tà 26

Hệ thống điều chỉnh góc ngẩng-góc tà thực tế - 26

Hệ thống điều chỉnh góc ngắng-góc tà cải tiến 27

Hệ thống giá đỡ điều chỉnh theo trục X-Y - -veccc-cc- 27

Hệ thống giá đỡ điều chỉnh theo xích đạo -+.c.-«e 28

li 000 8c 0 32

Cấu trúc hình học hệ thống anten parabol offset 34

Các hệ trục toạ độ scs S221 1212211121121 36

Đồ thị phương hướng của feedhorn dưới dang Gauss gan ding voi

MOE SO Bid tri CHA € + St 2222229211111 1412111 11210 me 47

Cau tric feedhorn phat/thu oe ceescceeeeeeneneseecseseaeneceseee 60

Các loại anten ÌOa - <3 ng HT HT 1 px ri 62

Anten loa xẻ rãnh hình nón + c2 v2ssr+ksxerrvrrrrsrerxrrse 63

Xấp xỉ anten loa xẻ rãnh ccs cà «HH ve 64

Sự phụ thuộc vào tần số của bức xa trực giao cực đại 71

Tang ich theo géc mé @, véi cic mode séng HE,, va EH)> - 72

ix

Sai khác giữa mặt sóng cầu và mặt sóng phẳng của anten loa 76

d/A để bức xạ trực giao thấp nhất theo D/Â với tham số t/w va w/A =

Tỉ lệ băng thông, tại đó mức bức xạ trực giao cực đại nhỏ hơn -30

bà K0 0 80

Khoảng cách từ tâm pha đến đỉnh anten loa khi tần số thay đổi 81

Sự phụ thuộc của lượng mode EH;; chuyển đổi vào góc mở anten

loa với các tham số ƒ¡ = 1,1 ƒ, krị = 15, đ = /4, kr = 3 82

Hệ số truyền dẫn và phản xạ các sóng tại vùng cổ anten loa, kr =

Bước sóng dẫn chuẩn hoá của ống dẫn sóng tròn và ống dẫn sóng

xẻ rãnh tại vùng ranh giới

Bước sóng dẫn chuẩn hoá theo độ sâu của rãnh chuẩn hoá với tham

số bán kính trong của rãnh chuẩn hoá ò cccc-ce- 86

Anten loa xẻ rãnh có đoạn phối ghép trung gian ø 87

Ảnh hưởng của độ dai đoạn phối ghép dén chi tiéu anten 87

Hình 4.23 Tăng ích theo đường kính anten loa xẻ rãnh với các góc mở khác

Hình 4.24 Trường một số mode sóng trong ống dẫn sóng chữ nhật; a) TEạ; b)

TEq;; c) TM,,; đ) TM,;

Hình 4.25 Ghép nối với cấu trúc đối xứng -.- -scsceececeeereee 94 Hình 4.26 Các góc nối loại E và H -.- 22-k.rrrrrrrrrrrrererree 95 Hình 4.27 OMT loại (la) .Ô 95 Hình 4.28 OMT loại (Tb) HH rerrerererrre 95 Hinh 4.29 OMT loa U0 oo ccecesseesesessneeeeeneeneseaeeccacseeasensesnsavensnensesvensens 96 ;0U toàn 97

0.8 t0 00:02 97

Hình 4.32 Màng lọc (đ), feed và các mặt cắt (a-C) s-csc-ccccree 99 Hình 4.33 Hai cấu hình có thể sử dụng của feed (OMT) 100

Hình 6.1 Thành phần vật liệu ống dẫn sóng thu của feedhorn Prodelin 133

Hình 6.2 Pha vật liệu ống dẫn sóng thu của feedhorn Prodelin 134

Hình 6.3 Thành phần vật liệu anten loa Prodelin . -.- +5 135 Hình 6.4 Pha vật liệu anten loa Prodelin - . c+-c+csrrerrserrrrxrx 136 Hình 6.5 Thành phần vật liệu màng lọc feedhomn Prodelin 137

Hình 6.6 Pha vật liệu màng lọc feedhorn Prodelin -.cccc+xcesxce+ 138 Hình 7.1 Bản vẽ lắp của mặt phản xạ chính anten .- 141

Hình 7.2 Khoảng cách giữa anten phát và anten thu -+.- 143

Hình 73 Cau hinh do anten sử dụng thiết bị HP8530A và 85310A 145

Hình 7.4 Cấu hình đo anten sử dụng HP 8530A và 8511A/B 146

Hình 7.5 Sơ đồ đấu nối đo mức tín hiệu beacon - ¿5 ccccccccc+z 149

xi

Đồ thị mức thu tương ứng với các góc lệch khác nhau 153

Sơ đồ đo hệ số sóng đứng OMTT c+ crereerreerree 155

Đồ thị hệ số sóng đứng đầu phát -c2-2c Server 157

Đồ thị hệ số sóng đứng đầu thu -. -5- sec re 158 Màn hình phân tích phổ khi đo mức thu của anten 160 Màn hình phân tích phổ khi đo mức thu của anten 162

xi

PHAN 1 LUA CHON PHAN TU CUA TRAM DAU CUOI VSAT PHU HOP VOI NANG LUC TU THIET KE, CHE

TAO TRONG NUGC

CHƯƠNG1 CẤU TRÚC TRẠM ĐẦU CUỐI VSAT

Nội dung chương trình bày tổng quát vai trò, cấu trúc của hệ thống VSAT, tir

đó đề xuất các bước chế tạo và hợp tác sản xuất một số thiết bị

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VSAT

Sự phát triển của công nghệ trạm mặt đất cùng việc nâng cao công suất phát của vệ tỉnh địa tĩnh, đã cho phép đưa vào khai thác các trạm mặt đất rất nhỏ, phục vụ các ứng dụng riêng biệt cũng như sử dụng trong thương mại

Tuy không có định nghĩa tổng quát về trạm VSATT, song khái niệm này có thể

được dùng để chỉ trạm mặt đất loại nhỏ, giá thành thấp, anten đường kính nhỏ

(dưới 2,4m), có các bộ khuếch đại công suất thấp (1-10 W) và các bộ vi xử lý tín hiệu kết hợp với các modem trong cùng một modul trong thông tin vệ tình Do

đó, trạm VSAT nói riêng cũng như hệ thống VSAT nói chung có tính cơ động

cao

Một số đặc điểm khai thác của các mang VSAT:

"_ Các trạm VSAT thường được tổ chức thành những mạng khép kín cho những ứng dụng chính như thu nhập dữ liệu, phát quảng bá tin tức hoặc trao đổi thông tin

"_ Trạm VSAT được lấp đặt nhanh chóng, đơn giản theo yêu cầu của người sử

dụng và có thể với mật độ cao tại cùng một địa điểm lắp đặt

s Các trạm VSAT trong mạng thường sử dụng các đường truyền dẫn tốc độ thấp hay trung bình (điều này do kích thước anten và công suất máy thu qui

định), thường là nhỏ hơn hoặc bằng 2 Mbps

"_ Trong trường hợp cần thiết, đường kính anten sử dụng trong trạm VSAT có

thể lên tới 5 m

»" Các băng tần được dùng phổ biến cho VSAT là 14/11-12GHz và 6-4 GHz

" Việc sử dụng các kĩ thuật truy nhập, điều chế, mã hoá rất linh hoạt và thường không giống nhau đối với các mạng VSAT khác nhau Việc lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể của mỗi mạng VSATT

Ngày nay, VSAT đã có rất nhiều ứng dụng cụ thể phục vụ các mục đích khác

nhau Các mạng VSAT đã phát triển rất mạnh và trở thành một phần không thể

thiếu trong mạng thông tin vệ tỉnh của nhiều quốc gia.

12 CẤU TRÚC TRẠM VSAT

1.2.1 Cau tric chung va nguyên tắc lắp đặt trạm VSAT

Xét về chức năng, trạm mặt đất VSAT chia thành ba phần chính: anten, khối thiết bị ngoài trời (ODUÚ) và khối thiết bị trong nhà (TDU) Sơ đồ khối chung của một trạm VSAT được chỉ ra trong Hình 1.1 Ba khối này được kết hợp và thiết kế

để giảm thiểu khối lượng, kích thước, giá thành

Anten VSAT thường có kích thước nhỏ, đường kính dưới 3m (đôi khi dưới

1m khi trạm hoạt động ở băng tần số cao, ví dụ Ku)

Khối ODU chứa các thiết bị điện tử cao tần RF như bộ chuyển đổi tạp âm thấp LNA (gồm bộ khuếch đại tạp âm thấp và bộ chuyển đổi xuống), bộ chuyển đổi công suất cao HPA (gồm một HPA và một bộ chuyển đổi lên) Các thiết bị

này đặt trong hộp chịu được ảnh hưởng của môi trường và được ghép cùng với loa dẫn sóng (feed-horn) của hệ thống anten lắp đặt ở sau tiêu cự mat phan xa

chính Anten cùng với ODU có thể được lắp đặt đễ dàng trên nóc nhà, trên tường

hoặc dưới mặt đất của nhà trạm làm việc, gần với các thiết bị đầu cuối

Khối IDU điển hình chứa một mạch trung tân IF, một bộ modem và một bộ

xử lí tín hiệu băng gốc Đôi khi các mạch điều chế được chứa trong ODU thay vì đặt trong IDU

Khối IDU thường được lắp đặt gần các thiết bị đầu cuối số liệu của người sử dụng và nối trực tiếp thông qua giao diện thông tin số liệu tiêu chuẩn Khối ODU

và IDU được nối với nhau bằng cáp với khoảng cách tối đa giữa chúng với nhau

là từ 100m đến 300m

Kiểu lấp đặt điển hình của VSAT được trình bày trong Hình 1.2 Các yếu tố

cần xem xét ở đây được đưa ra nhằm đảm bảo các khía cạnh về an toàn cho chế

độ hoạt động của trạm VSAT trong điều kiện khai thác của cá nhân hay tập thể, đảm bảo cả khi gió lớn, tránh được các sốc về điện, chống sết và tránh được các bức xạ vô tuyến khác

Phần tiếp theo trình bày chỉ tiết hơn về các thiết bị IDU và ODU

Ống dẫn sóng ghép hai khối IDU và ODU

Khuếch đại Đốitân `

công suất lên

Bộ tổng h wae : id feed| Diplexer tân sử “ Bộ giải a hợp tần số {| Bộ điểu

điều chế cố định chế

Máy thu tạp Đồi tần LI Giải mã Mã hoá

âm thấp xuống FEC FEC

Cổng vào/ra đầu cuối

Hình 1.1 Sơ đồ khối trạm VSAT

Anten bao gồm mặt phản xạ, loa dẫn sóng(feed horn) và các giá đỡ gá lấp

Nhà sản xuất cung cấp một số loại anten đường kính khác nhau và việc lựa chọn

phụ thuộc vào yêu cầu về G/T, EIRP của VSAT, điều kiện địa lí, vùng phủ sóng

và mức công suất cho phép của vệ tỉnh

Anten lớn được khuyến nghị sử dụng khi có nhu cầu đồng thời tiếp nhận

chương trình truyền hình analog Người ta cũng có thể sử dụng các anten nhỏ với đường kính 0,6 đến 0,8m (ví dụ như trong băng Ku hoặc với VSAT trải phổ)

nhưng cần xem xét ảnh hưởng tới các hệ thống vệ tinh lân cận và các dịch vụ khác Các anten nhỏ như vậy thường sử dụng các mặt phản xa có hình elip cầu để

cải thiện chỉ tiêu về búp bên trong các hướng đối với vệ tinh lân cận Tại Việt Nam, hệ thống VSAT hiện tại hoạt động chủ yếu ở băng C (6/4 GHz), các anten

VSAT thường được sử dụng có đường kính 1,8-2,4m

Ống dẫn sóng sơ cấp (feedhorn) thường được tích hợp cùng với ODU để

giảm thiểu các suy hao của mạch đấu nối Thiết kế này có tác dụng giảm giá

thành Cũng có thể sử dụng các kiểu bố trí khác để đấu nối nguồn tiếp sóng(feed)

tới thiết bị điện tử cao tần RF thông qua ống dẫn sóng và cáp đồng trục Khi đó, khoảng cách đấu nối phải đủ nhỏ để giữ cho suy hao là thấp nhất

Ống dẫn sóng thường được đặt tại điểm hội tụ sơ cấp của mặt phản xạ chính Một số loại anten dùng kiểu thiết kế Gregorian offset, loại này sử dụng thêm một mặt phản xạ phụ

Các mặt phản xạ thường được làm bằng nhôm hoặc hợp chất plastic và được

gắn với một số cột đỡ đơn giản, có thể dé dang lap dat trên nóc nhà, tường nhà,

hay trên mặt đất,

Hệ thống gá lấp và điều khiến vị trí anten kiểu ngắng ~ tà (AZ-EL) được sử

dụng phổ biến Vệ tỉnh được anten hướng tới thông qua việc điều chỉnh góc ngẩng và sau đó quay toàn bộ hệ thống giá đỡ cho tới khi thu được tín hiệu vệ tinh Khi việc hiệu chỉnh được thực hiện tốt thì cường độ tín hiệu thu đạt được ở mức cực đại Các hệ thống gá lấp điển hình đều đảm bảo cho việc định vị anten

không bị thay đổi ngay cả trong điều kiện gió lớn

Hệ thống bám tự động cho anten VSAT là không cần thiết bởi vì vùng dịch chuyển của vệ tỉnh thường là nằm trong độ rộng búp chính của anten VSAT Trong trường hợp làm việc ở chế độ phân cực tuyến tính, hệ thống anten cần được trang bị cơ cấu quay feedhorn để đáp ứng yêu cầu đồng chỉnh các mặt phẳng phân cực của anten phù hợp với mặt phẳng phân cực của anten vệ tỉnh Khi feedhorn được tích hợp cùng với ODU, thì cả ODU thường được quay để điều

chỉnh góc phân cực

Các anten có bề mặt phẳng sử dụng dàn anten hiện đang phát triển mạnh Nó

cũng đễ dàng lắp đặt, tuy nhiên chỉ tiêu kĩ thuật và giá thành được biết khi thiết

kế cho chức năng cả thu và phát của VSAT chưa có khả năng cạnh tranh so với loại thông thường

1.2.3 Thiết bị ODU của VSAT

Khối ODU là một hộp kín đặt trong một vỏ bọc chịu được ảnh hưởng môi

trường Sơ đồ khối chức năng của ODU được trình bày trong Hình 1.3

ODU bao gồm các mạch cao tần thu phát RF, kể cả HPA, LNA, bộ chuyển

đổi lên/xuống UDC, bộ dao động nội LO và OMT (orthomode transducer) cho dẫn sóng của anten Với một số cấu trúc anten, OMT được gắn cùng với

feedhorn Ngoài ra, bộ điều chế PSK cũng có thể được đặt trong ODU

ws

Nguồn oe khiển HPA : Bỏ khuếch đại công suất cao

DC Canh sáo LNA : Bộ khuếch đại tạp ám thấp

OMT:Bö chuyển đổi trực giao ALC :Điều khiển mức ty dong

Hình 1.3 Sơ đồ khối ODU

Bộ OMT và các bộ lọc RF là các mạch dẫn sóng hình thành trong ống nhôm Mach thu phat RF có khả năng làm việc trong toàn bộ dải tần và tín hiệu bất kì

trong độ rộng băng này đều có thể được chuyển đổi lên/xuống nhờ các bộ dao động nội Bộ dao động nội được chuẩn theo một tần số chuẩn tạo ra bởi một bộ dao động có độ ổn định rất cao trong IDU Độ ổn định điển hình của tần số phát

là khoảng 107

Tín hiệu trung tân phát IF (hoặc tín hiệu băng gốc phát trong trường hợp bộ

điều chế nằm trong ODU), tín hiệu trung tần thu, tần số chuẩn, các tín hiệu điều

khiển, cảnh báo cũng như cấp nguồn được truyền bởi các đường cáp giữa ODU

và TDU Độ dài cực đại của cáp này là từ 100m đến 300m Mạch ghép kênh trong

céng IF cha ODU và IDU sẽ kết hợp cũng như phân chia các tín hiệu này nhằm giảm bớt số lượng cáp nối Các tần số IF khoảng 1-2 GHz thường phát thông qua IFL (inter-facility link) Yếu tố hạn chế độ dài IFL thường là suy hao truyền dẫn Mạch phát gồm một bộ điều chế PSK( trong trường hợp nó ở trong ODU), một bộ khuếch đại trung tần IF, một bộ trộn, một bộ lọc băng thông, một bộ khuếch đại công suất và một bộ lọc thông cao như chỉ ra trong sơ đồ khối chức năng Tín hiệu trung tần IF được điều chế PSK từ bộ DU (hoặc tạo ra bởi bộ

điều chế trong ODU), sau đó được khuếch đại và chuyển đổi lên băng tần

14GHz Nó được khuếch đại bởi bộ khuếch đại công suất cao GaAsFET Bộ

7

ANTEN FRED

khuếch đại trung tần có thể chứa một bộ suy hao (pin điode attenuator), bộ này

dùng để điểu chỉnh và duy trì công suất ra qua mạch điều khiển mức tự động ALC (automatic level control)

Trong một số trường hợp, công suất ra có thể được điều khiến bởi tín hiệu điều khiển từ IDU Khi đó nó có khả năng điểu khiển từ xa công suất ra (điều

khiển đặt tại trạm Hub), hoặc tự động tăng công suất trong trường hợp có ảnh

hưởng lớn của suy hao mưa

Giá trị điển hình của công suất phát đầu ra là khoảng 1-3W ở băng tần 14GHz và lên đến 20W đối với băng tần 6 GHz Tín hiệu phát có thể được

chuyển mạch bật tắt nhờ tín hiệu điều khiển từ IDU

Mạch thu gồm một bộ lọc loại bỏ các tín hiệu của phần phát, một bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA loại GaAsFET, một bộ trộn, bộ lọc băng thông và một bộ

khuếch đại trung tần IF Bộ lọc loại bỏ tín hiệu phần phát được dùng để giảm

thiểu ảnh hưởng tạp âm máy thu do sự hồi tiếp ngược của tạp âm có nguồn gốc từ

máy phát Tín hiệu thu được khuếch đại bởi LNA, chuyển đổi xuống tới tần số IF bằng bộ trộn thu, khuếch đại lên bằng bộ khuếch đại trung tần và sau đó đưa tới

IDU Giá trị điển hình của nhiệt tạp âm thu được của ODU là khoảng 200-250 °K

cho băng 14/11-12 GHz và khoảng 60°K cho bang 6/4 GHz Các linh kiện HEMT (transistor có độ dịch chuyển điện tử cao), là loại GaAsFET có khả năng

cải thiện tốt các chỉ tiêu về tần số, được dùng phổ biến đặc biệt là cho LNA để đạt được các chỉ tiêu tốt về nhiệt tạp âm

Công nghệ về thiết bị cao tần tiên tiến như MMIC (Microwave Monolithic

Integrated Circuit) và SMT (Surface Mounting Technoiogy) thường được ứng dụng rộng rãi trong ODU để đạt được chỉ tiêu kĩ thuật cao, kích thước nhỏ gọn, chắc chắn và làm cho giá thành thấp Hâu hết các phần trong mạch khuếch đại cao tan FET cla HPA va LNA được chế tạo từ chíp MMIC Nhờ vậy, thực hiện được các mạch HPA và LNA rất nhỏ nhưng có chỉ tiêu kĩ thuật cao SMT được

sử dụng cho các mạch tần số thấp hơn Các LSĨ và các vi mạch rất nhỏ được hàn trên bể mặt của bản mạch in nhiều lớp bằng việc sử dụng các máy hàn và gắn tự

động ,

Khi có một sự cố hoặc chức năng hoạt động không hoàn hảo xảy ra trong ODU, một tín hiệu cảnh báo được gửi tới IDU và việc chuyền dẫn được loại bỏ tự động

1.2.4 Thiét bi IDU cha VSAT

IDU thường là một khối kín chưa các mạch modem trung tần IF và bộ xử lí băng gốc có kích thứơc chung tương đương như một máy tính cá nhân Sơ đồ khối chức năng điển hình của [DU được trình bày trong Hình 1.4 Mạch điều chế

có thể được đặt trong ODU trong một số trường hợp như đã trình bày ở trên Cấu hình của ID đối với hoạt động ở các bang tần C và Ku về bản chất là giống nhau Các mạch của [DU nói chung chứa một vài bản mạch in có chân cắm

Hình 1.4 Sơ đồ khối IDU

TDU được nối tới ODU bằng đường cáp Thiết bị đầu cuối số liệu của người

sử dụng (DTE) được nối tới IDU thông qua giao diện thông tin số liệu tiêu chuẩn như giao diện V.24 của ITU-T

Đối với chế độ khai thác thoại, các mạch mã hoá và giải mã thoại được cung cấp để biến đổi tín hiệu thoại anolog từ các đường mặt đất thành tín hiệu số cho

việc chuyển dẫn Các mạch chuyển đổi báo hiệu cũng được đưa ra để giải mã các

tín hiệu quay số và tín hiệu giám sát, những tín hiệu này đến cùng với tín hiệu

thoại, sau đó chuyển chúng tới thiết bị điều khiển DAMA (Deman Assigned

Multiple Acces) ở trạm Hub

1.2.4.1 Mạch trung tần và modem

Modem trung tần bao gồm: một mạch trung tần thu, một bộ chuyển đổi thứ cấp với một bộ tổ hợp kênh, một bộ giải điều chế PSK, một bộ điều chế PSK, một

bộ chuyển đổi lên sơ cấp với một bộ tổ hợp kênh, và một mạch trung tân phát

Thông thường có một cổng đầu ra nhánh của tín hiệu IF thu Đầu ra này hỗ

trợ đấu nối cho một máy thu truyền hình vệ tỉnh để thu các sóng mang truyền

hình analog phát đi từ một bộ phát đáp khác của vệ tinh này

Việc thiết kế sơ đồ chuyển đổi tân số cũng như sự lựa chọn các tần sốÏF là phải rất cẩn thận để đạt được chỉ tiêu kĩ thuật tốt, đặt biệt phải loại bỏ được các

thành phần giả Tần số IF thứ nhất thường được chọn trong dải vài trăm MHz,

sau đó nó được chuyển đổi tới tần số trung tần thứ hai vào khoảng1-2 GHz Cuối cùng, mới được chuyển đổi lên tới tần số phát

Các thành phần giả trong tín hiệu đầu ra ở máy phát có thể là tín hiệu nội bộ

ro ri ra va tín hiệu ảnh được tạo ra trong bộ chuyển đổi lên thứ nhất Tín hiệu nội

bộ lọt ra thường là các tín hiệu có tần số thấp hơn sóng mang của trung tần thứ nhất và tín hiệu ảnh có tần số thấp hơn hai lần so với sóng mang của tần số trung

tần thứ nhất Thường thì chúng nằm trong băng thông của bộ lọc đầu ra máy phát

và do vậy chúng cần được loại bỏ trong tầng trung tần thứ hai bằng các bộ lọc

băng thông Sự rò rỉ tín hiệu nội bộ được tạo ra trong bộ chuyển đổi lên thứ hai

có tần số nằm ngoài băng của bộ lọc đầu ra máy phát và nó được loại bỏ dễ dàng

Bộ điểu ché PSK điều chế sóng mang phát cùng với chuỗi bít từ bộ xử lí băng gốc sau khi nó được ma hod FEC và ngẫu nhiên hóa Các bít mào đầu có thể được đưa thêm vào phần đầu của dữ liệu trong các trường hợp trạm VSAT phát các burst dữ liệu

Bộ giải điều chế PSK giải điều chế sóng mang thu được, thực hiện giải mã

FEC và khôi phục lại dữ liệu để gửi tới từ bộ xử lý tín hiệu bãng gốc Cơ chế mã hoá FEC rất hữu ích, nó cho một lợi suất mã rất cao với giải mã Viterbi hoặc giải

mã chuỗi dùng ở phía thu cho phép đạt được chỉ tiêu BER rất tốt, thậm chí ở

ngay điều kiện có pha đỉnh

10

Tốc độ bít của tín hiệu phát nằm trong giải từ 9,6 -256kb/s Tốc độ bít cao

hơn thì yêu cầu công suất phát cao hơn Do vậy, có một giới hạn trên cho tốc độ

bít phát của một VSAT Nó không giống giới hạn trên vẻ tốc độ bít thu được, bởi

vì các bít này được phát bởi một trạm Hub có công suất lớn hơn.Tốc độ bít thu

bởi một VSAT có thể lên tới 2048kb/s hoặc hơn nữa tuỳ theo thiết kế mạng và

lưu lượng yêu cầu

Các LSI và DSP (Digital Signal Procesor) được dùng rộng rãi trong các mạch

điều chế và giải điều chế Đối với thời điểm trong đó tất cả bộ giải điều chế số

như thấy trong Hình 1.5, tín hiệu IF thu được trộn với một tín hiệu dao động nội

và chuyển đổi tới một tần số thấp hơn Khi ấy nó được lấy mẫu và chuyển đổi

thành các tín hiệu số bởi các bộ biến đổi A/D Các tín hiệu số khi ấy được xử lí

bởi DSP và quá trình giải điều chế được thực hiện bởi các bộ tính toán số học (+,-

, X, :) Mã hoá và giải mã FEC được thực hiện bởi một LSI Việc xử lí tín hiệu

như ngẫu nhiên hoá, giải ngẫu nhiên hoá, đồng bộ khung được thực hiện bởi

Hình 1.5 Sơ đồ khối của bộ giải điều chế số

Nếu truyền dẫn hoàn toàn số, thì các bộ modem có tốc độ dữ liệu thay đổi

cần được sử dụng, ví dụ: với các tốc độ khác nhau từ 19,2 Kb/s đến trên 2Mb/s,

từ 64Kb/s tới trên 8Mb/s chúng tạo ra khả năng linh động trong việc điều khiển - -

độ rộng băng tức là các tốc độ dữ liêu được định hình ngay tại thiết bị nhờ các

phím chức năng phía trước mặt máy hoặc được điều khiển từ xa Chúng cho phép

11

hỗ trợ một dải rộng các ứng dụng, mà chỉ cần sử dung một bộ phận riêng của thiết bị, kể cả các dịch vụ số liệu, thoại và hội nghị truyền hình Nói chung, nhờ

độ linh hoạt cao, chúng cho phép những người sử dụng đầu tư vào một thiết bị nhưng có khả năng hoạt động với các tốc độ khác nhau cho các ứng dụng khác nhau

Một bộ dao động tinh thể có độ én định nhiệt rất cao được đặt trong IDU Nó

cung cấp các tín hiệu tần số chuẩn cho bộ dao động nội trong IDU cũng như

trong ODU nhằm giữ cho sai lệch tân số của sóng mang phát đi được duy trì

trong giải cho phép, ví dụ 10”, đối với các bộ giải điều chế burst trong trạm Hub

để khôi phục sóng mang

1.2.4.2 — Bộ xử lí băng gốc

Bộ xử lí tín hiệu băng gốc BBP cung cấp giao diện với các thiết bị số liệu đầu

cuối của người sử dụng DTE, kiểm soát việc điều khiến truy nhập vệ tỉnh và thực hiện chuyển đổi giao thức giữa các giao thức của mặt đất với vệ tinh Các chức

năng được thực hiện nhờ sử dụng các bộ vi xử lí chất lượng cao

Kiểu truy nhập TDMA ngẫu nhiên (RA/TDMA) hoặc Sloted Aloha, thường

được sử dụng như giao thức truy nhập vệ tỉnh cho hệ thống VSAT, hệ thống mà chủ yếu mang lưu lượng số liệu được gói hoá Để đạt được hiệu quả sử dụng cao

hơn các kênh vệ tinh, phương thức đặt trước khe thời gian kết hợp với RA/TDMA

là hay được sử dụng Các giao thức truy nhập kênh vệ tính thường là do nhà sản xuất VSAT đưa ra

Đối với việc truyền dẫn thoại và/hoặc luồng số liệu, một phương thức đa truy nhập gán theo nhu câu thường được áp dụng, phương pháp này chỉ gán một kênh

vệ tinh cho một VSAT khi nó có nhu cầu, thường phương thức này được dùng để khai thác hiệu quả các kênh vệ tình

Hầu hết các hệ thống VSAT đều hỗ trợ được với các giao thức thông tin số

liệu phổ biến của mặt đất như ITU-T X.25, SNA/SDLC, BISYNC việc chuyển

đổi giao thức được thực hiện bởi BBP nhằm đạt được đáp ứng thời gian ngắn và

hiệu suất sử dụng kênh vệ tỉnh cao

BBP bao gồm một hoặc nhiều bộ vi xử lí ROM, RAM để lưu giữ chương

trình, số liệu và các mạch giao diện để gửi và nhận số liệu từ/tới các kênh vệ tỉnh

cũng như các đầu cuối số liệu của người sử dụng Giao tiếp giữa BBP và kênh vệ

tỉnh có thể là một loạt các giao diện hoặc một BUS giao điện tuỳ theo thiết kế

12

của nhà sản xuất Giao diện vật lý với thiết bị đầu cuối số liệu của người sử dụng thống nhất với các tiêu chuẩn áp dụng cho DTE được hỗ trợ như ITU_T V.24, V.25 hoặc EIA RS232C/D Các LSI giao điện tiêu chuẩn như USART (thu phát đồng bộ và dị bộ) thường được sử dụng trong các mạch cổng mặt đất

Các cổng mặt đất đa năng thường được cung cấp cùng với một VSAT Cổng

này luôn được trang bị trên một tấm card cổng có chân cắm sao cho dễ dàng thay

thế khi các cổng thuộc về một kiểu khác được yêu cầu Nó thường được thiết kế

sao cho số cổng có thể được tăng lên bởi việc cắm vào một card cổng bổ sung

Khi có nhiều giao thức mặt đất khác nhau sử dụng bởi các mạng số liệu khác nhau, BBP thường có khả năng hỗ trợ cho một số các giao thức Cũng vậy, khi có

nhiều thông số của giao thức, BBP cũng có khả năng thiết lập các thông số này

cho phù hợp Việc lựa chọn giao thức và thiết lập các tham số liên quan phải

được thực hiện theo yêu cầu và tính chất riêng của giao thức đó Điều này có thể được thực hiện tại chỗ trong thời gian lắp đặt VSAT hoặc điểu khiển từ xa bởi trung tâm điều khiển mạng sau khi đã lắp đặt

Phần mềm của BBP được chứa trong ROM, RAM Trong hệ thống VSAT thì

phần mềm trong RAM có thể được lấy từ trung tâm điều khiển mạng NCC thông qua kênh vệ tinh, sao cho phần mềm VSAT có thể dễ dàng cập nhật hoặc phù

hợp với cấu hình mới, việc này thực hiện được từ trung tâm mà không cần phải

cử người tới vị trí đó

Các tham số cấu hình quan trọng của VSAT thường được chứa trong

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) sao cho chúng sẽ không bị mất khi nguồn sơ cấp của VSAT bị mất, trong khi đó chúng

có thể cập nhật dễ dàng trong trường hợp thay đổi lại cấu hình

BBP cũng có chức năng điều khiển, giám sát và theo đõi VSAT Nó định kì gửi thông tin về trạng thái của VSAT tới NCC tại Hub Khi sự hỏng hóc được phát hiện trong VSAT nó sẽ cấm việc phát tín hiệu RF từ VSAT và nó hiển thị một bảng thông báo hoặc chỉ thị cho người khai thác

1.2.4.3 Thiết bị của VSAT chỉ thu tín hiệu (RO-VSAT)

Các VSAT chỉ thu thường được dùng trong những ứng dụng phân phối thông tin như gửi thông tin giá cả thị trường chứng khoán hiện tại tới nhiều khách hàng đồng thời Thông tin vệ tỉnh đặc biệt phù hợp cho kiểu ứng dụng này nhờ khả

13

năng phát quảng bá Cấu hình cơ bản của RO-VSAT chỉ bao gồm phần thu của VSAT như mô tả ở trên

Anten của RO- VSAT có thể được làm với giá thành rẻ hơn so với anten VSATT có cả chức năng phát bởi vì chúng được thiết kế chỉ cho chức năng thu tín hiệu Khối ODU nhỏ và nhẹ hơn vì nó chỉ chứa phần thu

Sai số về tần số của bộ dao động nội ở RO-VSAT là không cần đòi hỏi quá

cao bởi vì ảnh hưởng đo sai tần số trong tín hiệu thu được loại bỏ bởi mạch AFC

(điều khiển tần số tự động) trong máy thu

Bộ xử lý băng gốc BBP của RO-VSAT kiểm tra các tín hiệu thu được và nó chỉ lấy ra dữ liệu được phép đối với thiết bị đầu cuối số liệu của người sử dụng có liên quan đến VSAT này

1.2.4.4 Các tham số kĩ thuật điển hình của một trạm VSAT

Bảng 1.1 tóm tắt một số tham số kĩ thuật điển hình trạm VSAT

Bảng 1.1 Tham số kĩ thuật trạm VSAT

"Thiết bị ngoài trời (ODU):

Băng tần phát 14.0- 14.5 GHz (băng Ku)

Băng tân thu 10.7- 12.75 GHz (băng Ku)

Phan cuc Truc giao tuyén tinh

Diéu chinh phan cuc + 90 độ (đối với phân cực tuyến tính)

14

Tuỳ chọn Không có

15

Tốc độ của cổng số liệu

Các loại giao diện 1.2 — 64 kb/s

Các giao thức giao diện người sử dụng RS232, RS422, RS449 hoặc V35

SDLC, BSC, X25, Async X3, X28, X29

Nhiệt độ hoạt động 0°C đến +50°C

1.2.5 Lua chon thiét bi để chế tạo thử nghiệm

Từ cấu trúc một trạm VSAT tổng quan như trên, có thể thấy các thiết bị điện

đều là các thiết bị sử dụng công nghệ cao Hơn nữa, xét về chỉ tiêu kinh tế, giá thành các thiết bị này không cao Vì vậy, nghiên cứu chế tạo thử nghiệm các thiết bị này không khả thi và ngoài khả năng của trình độ khoa học-công nghệ trong nước Nhóm đề tài chủ trương chọn các thiết bị có hàm lượng cơ khí, phù hợp với thiết bị và trình độ khoa học-công nghệ hiện có trong nước Một nguyên nhân nữa là các thiết bị này, nhất là anten và các hệ thống phụ trợ, có giá thành khá cao, nếu có thể tự thiết kế và chế tạo trong nước sẽ giúp tiết kiệm chỉ phi Với cách đặt vấn đẻ như trên, đề tài lựa chọn nghiên cứu chế tạo thử nghiệm toàn

bộ hệ thống anten, bao gồm mặt phản xạ chính, feedhorn và các cơ cấu phụ trợ

(cột, giá đỡ, thiết bị điều chỉnh hướng)

Anten trạm VSAT có thể chế tạo từ nguyên liệu Composite khi có yêu cầu về thời gian và số lượng lớn Ngoài ra, một điểm quan trọng cần chú ý là khả năng hợp tác với các đối tác, cơ sở khoa học - kĩ thuật của nước ngoài nhằm nâng cao

trình độ nghiên cứu, chế tạo, đặc biệt là trong đo kiểm chất lượng sản phẩm

1.3 TỔNG KẾT CHƯƠNG 1

Thông tin vệ tỉnh sử dụng trạm VSAT thích hợp với các điều kiện tự nhiên, xã

hội của Việt Nam Trong thời gian tới, Việt Nam sẽ có vệ tỉnh riêng Khi đó, tự

chế tạo các thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế cũng như nâng cao trình độ khai thác là một yêu cầu hết sức quan trọng trong việc phát triển mạng lưới VSAT Tuy nhiên, nhiều thiết bị sử dụng trong thông tin vệ tỉnh hết sức phức tạp,

và thuộc lĩnh vực công nghệ cao, mũi nhọn của một số nước phát triển, có tiểm

lực kinh tế-khoa học cao Lựa chọn anten trạm VSAT để nghiên cứu chế tạo

16

trong nước là cần thiết vì ngoài đo kiểm chất lượng sản phẩm (có thể hợp tác với

nước ngoài), trình độ khoa học và cơ khí trong nước có thể đáp ứng đây đủ yêu

cầu chế tạo đặt ra

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG I

1 M Richharia, Satellite Communications Systems: Design Principles, Mc Graw-Hill, 1995

17

CHƯƠNG2 HE THONG ANTEN (MAT PHAN XA

CHÍNH, FEEDHORN) VÀ THIẾT BỊ PHỤ TRỢ DÙNG TRONG TRẠM VSAT

Chương này đưa ra định nghĩa một số thuật ngữ cơ bản thường được sử dụng

trong phân tích, đánh giá về anten, sau đó đưa ra các cấu trúc anten VSAT và lựa

chọn loại sẽ được chế tạo thử nghiệm

Trong lí thuyết anten phản xạ, một số định nghĩa và thuật ngữ sau đây hay được sử dụng (xếp theo vần A, B, C, .) [1]:

« Anten phdn xa (Reflector Antenna): Anten bao gém it nhat mét mat phan xa

va mot feed

= Bé mat phat xa tuong duong (Antenna Aperture): Bé mat nam trên hoặc gần anten, được sử dụng để thuận lợi cho việc xác định trường trong không gian Để

tính bức xạ của một hệ thống anten phản xạ, người ta quay về tính cường độ

trường nằm trên bề mặt phát xạ tương đương rồi sử dụng một số phép biến đổi gần đúng để đạt mục tiêu trên

"_ Búp sóng bức xạ (Lobe): nằm trong đồ thị phương hướng bức xạ, được xác định là phần nằm giữa hai điểm có cường độ trường cực tiểu Thường gọi tắt là búp sóng

"_ Búp sóng chinh (Main Lobe): Búp sóng bức xạ chứa hướng bức xạ cực đại

của anten Một anten có thể có một hoặc một số búp sóng chính

» Búp sóng phụ (Sidelobe): Búp sóng bức xạ tại hướng khác búp sóng chính

"_ Bức xạ tràn (Spillover): Phần công suất bức xạ của mặt bức xạ sơ cấp không tới mặt phản xạ thứ cấp

»° _ Cường độ bức xạ (Radiation Intensity): Công suất được bức xạ từ anten trên một đơn vị góc khối theo một hướng xác định

“ Đồ thị bức xạ phương hướng (Radiation Pattern): Biểu diễn đô thị thuộc tính

bức xạ của anten trên hệ toạ độ không gian

Chú ý:

- _ Nói chung, đồ thị bức xạ phương hướng được xác định trên trường khu xa

và biểu điễn như một hàm của các toa độ phương hướng

- _ Các thuộc tính bức xạ của anten bao gồm cường độ bức xạ, độ lớn trường,

pha và phân cực

18

"- Độ rộng búp sóng nửa công suất (Half-Power Beamwidth): Được xác định trên một mặt phẳng chứa hướng bức xạ cực đại của anten, là góc giữa hai hướng, tại đó cường độ bức xạ giảm còn một nửa Đại lượng này gọi tắt là Độ rộng búp sóng Nói chung, độ rộng búp sóng được xác định trên hai mặt phẳng bức xạ

nguyên lí

" Hiéu sudt bic xa (Radiation Efficiency): Ti sé gitta téng cong suat bức xạ của

một anten trên tổng công suất nhận được

" Mặt bức xạ sơ cấp (Primary Radiator): Mặt bức xạ sóng từ nguồn tín hiệu đến mặt phản xạ thức cấp

Trong phạm vi đề tài, để tiện lợi cho việc sử dụng, mặt bức xạ sơ cấp được

gọi theo tiếng Anh là “feed”? hoặc “feedhorn” nếu nó là một anten loa

"_ Mặt phản xạ thứ cấp (Secondary Radiator): Mặt phản xạ chính, có nhiệm vụ bức xạ sóng điện từ ra ngoài không gian -

" Mặt phẳng bức xạ nguyên lí (Principal Plane): Các mặt phẳng E và mặt phẳng

H khi anten phân cực tuyến tính Trong đó:

-_ Mặt phẳng E (E Plane): Mặt phẳng chứa vectơ cường độ điện trường và

hướng bức xạ cực đại của anten

- Mặt phẳng H (H Plane): Mặt phẳng chứa vectơ cường độ từ trường và

hướng bức xạ cực đại của anten

" Phân cực (Polarization): Thuộc tính của sóng điện từ mô tả sự thay đổi hướng

và độ lớn tương đối của vectơ cường độ điện trường theo thời gian Để biểu diễn

dưới dạng hình học, người ta sử dụng vết của đầu mút các vectơ cường độ điện trường có gốc cố định theo thời gian trên mặt phẳng vuông góc với phương triuyền sóng Nói chung, phân cực của anten có dạng elip, tuy nhiên, trong một

Số trường hợp, phân cực này có dang tròn hay suy biến thành dạng tuyến tính, Người ta cũng qui định phân cực phải và phân cực trái của một anten,

-_ Phân cực phải (Righ-Hand Polarization): Vectơ cường độ điện trường

quay theo chiều kim đồng hồ khi nhìn ngược hướng truyền sóng

- - Phân cực trái (Left-Hand Polarization): Vectơ cường độ điện trường quay

ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn ngược hướng truyền sóng

" Phân cực đồng pha (Co-Polarization): Phân cực có cùng hướng với phân cực

chuẩn

"_ Phân cực trực giao (Cross-Polarization): Phân cực có hướng vuông góc với

hướng phân cực chuẩn

được sử dụng rộng rãi nhất [2} Theo đó, phân cực được phân chia dựa theo cách đo thực nghiệm đồ thị phương hướng của anten [3]

- _ Đối với anten phân cực tròn, phân cực chuẩn thường được chọn là phân

cực phải hay trái còn phân cực trực giao là phân cực theo hướng ngược lại (phân cực trái hoặc phân cực phải)

" Tăng ích của anten (Antenna Gain): Bao gồm một số thông số sau:

- - Hệ số định hướng (Directive Gain): X4c định trên một hướng nào đó, có giá trị bằng 4œ lần tỉ số giữa cường độ bức xạ tại hướng này trên tổng công suất bức xạ bởi anten Nói cách khác, hệ số định hướng là tỉ lệ giữa cường độ bức xạ theo hướng xác định trên cường độ bức xạ của anten đẳng hướng (anten có cường độ bức xạ tại mọi hướng bằng nhau)

Nói chung, nếu chỉ đề cập đến hệ số định hướng mà không nói theo góc nào thì đấy là hệ số định hướng cực đại

- _ Hệ số tămg ích: hệ số định hướng của anten có tính đến hiệu suất bức xạ

22 MOT SO LOAI ANTEN PHAN XA PARABOL TRONG

THONG TIN VE TINH

2.2.1 Yêu cầu kĩ thuật

Do đặc điểm của kênh thông tin vệ tính là khoảng cách xa giữa trạm mặt đất

và vệ tỉnh nên để đảm bảo công suất tín hiệu đủ lớn, anten trạm mặt đất phải thỏa

20

2.2.2 Các loại anten thường được sử đụng và lựa chọn loại để sản xuất Người ta thường phân loại anten phản xạ theo 3 đặc điểm sau [4]:

Hai cách phân loại sau có thể được sử dụng kết hợp, đó là cách mà đề tài này

sử dụng Với tính chất cơ bản là tất cả tia sóng đi qua tiêu điểm khi phản xạ trên mặt sẽ có hướng song song với nhau và song song với trục đối xứng của mặt, mặt parabol thường được lựa chọn làm mặt phản xạ trong hệ thống anten

Một số loại anten parabol được sử đụng trong trạm mặt đất sẽ được điểm qua

tiếp theo đây:

a) Anten parabol có feed đặt tại tiêu điểm (Hình 2.1a): Đây là loại anten parabol có cấu trúc đơn giản nhất Nó gồm mặt phản xạ là một parabol và sơ

cấp là một anten loa đặt tại tiêu điểm của mặt phản xạ

Ưu điểm của loại anten này là có cấu tạo đối xứng, dễ chế tạo, ít tổn hao

phân cực Nhược điểm của anten parabol trên là khi cần tăng ích lớn thì kích

thước anten phải lớn, khoảng cách từ mặt phản xạ đến sơ cấp (tiêu cự của mặt phản xạ) lớn dẫn đến việc đưa tín hiệu đến sơ cấp khó khăn VỊ trí của sơ cấp

cùng các thiết bị phụ trợ (giá đỡ, .) gây cản trở việc bức xạ từ mặt phản xạ chính, giảm tăng ích

b) Amten parabol có phản xạ phụ (Hình 2.1h): Sơ cấp của anten đặt tại đỉnh của mặt phản xạ parabol chính chiếu xạ lên một mặt phản xạ phụ (có mặt cắt dang hypecbol hay elip), tia sóng phản xạ lại tiếp tục được phản xạ trên mat

phân xạ parabol chính để bức xạ

Anten loại này khắc phục được khó khăn đưa tín hiệu ra sơ cấp của anten- parabol thường Tuy nhiên, yêu cầu có thêm mặt phản xạ làm cho việc chế

tạo khó khăn hơn và việc cản trở bức xạ do mặt phản xạ phụ cùng các thiết bị

phụ trợ gây ra chưa được giải quyết

21

©) Anten parabol offset (Hinh 2.1c): Chỉ một phân không đối xứng qua trục

chính của mặt parabol được sử dụng, sơ cấp đặt tại tiêu điểm của parabol

nghiêng một góc t/ so với trục chính của mặt phản xạ

Ưu điểm của anten này là do vị trí lệch của sơ cấp, sự cẩn trở của nó đối với bức xạ từ bể mặt phản xạ có thể được triệt tiêu, làm tăng hiệu suất của

c) Anien parabol offset có mặt phản xạ phụ (Hình 2.1đ): Là dạng anten kết hợp

được các ưu điểm của cả anten offset lẫn anten có phản xạ phụ Tuy nhiên,

cấu tạo của anten lại phức tạp vì yêu cầu có thêm mặt phản xạ phụ, đồng thời

việc lắp đặt để sử dụng sẽ khó khăn

Ngoài ra, còn một số loại cấu hình anten khác (Anren phản xạ định dạng (Sharped-Reflector Antenna), ), tuy nhiên, do tính phức tạp trong chế tạo không phù hợp với mục tiêu của đề tài là “Nghiên cứu chế tạo anten băng tần C (6/4 GHz) ding cho trạm VSAT” cũng như điều kiện thực hiện thực tế ở Việt

Nam, các loại này không được đề cập ở đây

Trên cơ sở các đặc điểm vừa nêu ở trên, chúng tôi lựa chọn việc chế tạo anten

VSATT băng tần C đường kính 2,4 m theo dạng anten offset một mặt phản xa

22

2.2.3 Nhận xét các chỉ tiêu kĩ thuật của anten parabol offset

Tuy được đề cập đến từ những năm 1940, song phải đến những năm 1960 trở

về sau, cùng với sự ra đời của máy tính số, anten parabol offset mới được quan

tâm và ứng dụng rộng rãi Rõ ràng, nguyên nhân chủ yếu cản trở việc nghiên cứu

anten parabol offset là cấu trúc cơ học phức tạp, việc xác định các chỉ tiêu về điện khó khăn cả về lí thuyết lẫn đo lường Việc phát triển máy tính điện tử với

tính năng mạnh, tốc độ xử lí nhanh đã trở thành công cụ hỗ trợ đắc lực trong việc

nghiên cứu áp dụng loại anten này Dưới đây ia một số ưu điểm và nhược điểm

của cấu hình anten parabol offset

a) Ưu điểm:

= Anten parabol offset lam giam hiéu ứng cản trở bức xạ Nói chung, bức xạ trên mặt phản xạ của anten phản xạ luôn bị cản trở bởi các thanh đỡ, bộ phận feed (bức xạ sơ cấp) hay bởi các mặt phản xạ phụ (nếu có) Các cản trở này gây

ra suy giảm tăng ích Đồng thời, nó làm tăng búp sóng phụ và thành phần phân cực không mong muốn, ảnh hưởng đến các yêu cầu về phát xạ tạp cũng như về tái sử dụng tần số vốn đã rất chặt chẽ

"_ Ảnh hưởng trở lại của mặt phản xạ chính đến feed nhỏ Do vậy, có thể nói mặt phản xạ chính và feed được cách li Do vậy, việc phối hợp trở kháng giữa hệ

thống anten và thiết bị dẫn sóng (biểu diễn bằng tỉ số sóng đứng VSWR - Voltage Standing Wave Ratio) chỉ cần thực hiện tại đầu vao feed

"Với cùng một đường kính bể mặt phát xạ tương đương (d), cấu hình anten

offset cho tỉ lệ f/d lớn hơn, đường kính feedhorn lớn hơn, làm tăng hiệu suất bức

xạ cũng như cải thiện các chỉ tiêu về búp sóng phụ so với anten parabol thường

b) Nhược điểm:

Anten parabol offset cũng có các nhược điểm của nó và nguyên nhân chủ yếu

cũng chính là cấu trúc không hoàn toàn đối xứng Một số nhược điểm cụ thể là:

"Khi được cung cấp nguồn bức xạ có phân cực tuyến tính, bức xạ phản xa lại

của bể mặt phát xạ sẽ tạo nên thành phần phân cực trực giao (không mong muốn) Khi được cung cấp nguồn bức xạ phân cực tròn, búp sóng anten bị địch đi

so với hướng bức xạ chủ yếu theo lí thuyết

"_ Việc chế tạo anten parabol offset khó khăn hơn nhiều so với anten parabol thường, chi phí chế tạo cao

24

2.3 TRỤ, GIÁ ĐỠ VÀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG ANTEN Đối với các trạm mặt đất cố định liên kết hoạt động với vệ tinh địa tĩnh, giới hạn góc định vị của anten thường nhỏ Tuy nhiên, khoảng giới hạn này cũng phải

đủ lớn để có thể định vị lại tới một vệ tỉnh khác trong trường hợp vệ tỉnh đang sử

dụng gặp sự cố Trên thực tế, người ta hướng tới việc thiết kế một thiết bị có khả

năng điều chỉnh việc định vị theo hướng bất kỳ để có thể thiết lập các kết nối với

các vệ tinh khác nhau

Về nguyên tắc, chuyển động của anten được phát sinh từ sự chuyển động

quanh hai trục: một trục chính cố định so với trái đất và một trục phụ quay quanh

trục chính Hệ thống cơ khí điều khiển chuyển động của anten thường được gọi

là hệ thống giá đỡ Phần tiếp theo trình bày nguyên lý một số loại hệ thống giá

đỡ thường được sử dụng trong thông tin vệ tinh [5]

điều chỉnh góc ngẩng Trong các hệ thống thực tế, một động cơ được sử dụng để

điều chỉnh góc tà (phạm vi 360°) quanh trục thẳng đứng, động cơ thứ hai được

dùng để điều chỉnh góc tà (giới hạn 90°) quanh trục nằm ngang (xem Hình 2.3) Đây là hệ thống giá đỡ được sử dụng phổ biến nhất

Với hệ thống giá đỡ thông dụng này, trục phụ có thể không nam trong mat phẳng nằm ngang, và vì vậy có thể nằm ở một góc bất kỳ (khác 90°) so với trục

chính, nói cách khác đây là hệ thống giá đỡ điều khiển góc ngẩng-góc tà "không trực giao" Hệ thống giá đỡ loại này rất hữu ích đối với những anten Cassegrain

vì hoạt động của loại anten này nhỏ hơn so với hệ thống giá đỡ điều chỉnh góc ngẩng-góc tà thông thường Tuy nhiên, khi có sự kết hợp những chuyển động

quay quanh các trục, góc dịch chuyển quanh các trục không còn tương đương với góc ngắng và góc tà như được định nghĩa trước đây

Hệ thống giá đỡ điều chỉnh góc ngẩng-góc tà có nhược điểm là gây ra vận tốc góc lớn khi bám theo một vệ tỉnh đang chuyển động qua vùng lân cận của điểm

thiên đỉnh Góc ngdng lúc này sẽ tiến tới giá trị 90°, tương ứng với một điểm

dừng về cơ khí để ngăn cản sự chuyển động quá của anten quanh trục phụ Để

bám theo vệ tinh, anten khi đó phải thực hiện một chuyển động quay một góc 180° quanh trục chính

25

động cơ 2 động cơ Ì

Hình 2.3 Hệ thống điều chỉnh góc ngắng-góc tà thực tế

Hạn chế này có thể tránh được bàng cách đưa thêm vào hệ thống định vị này

một góc tự do phụ Điều này cho phép tạo ra một góc nghiêng so với trục thẳng

đứng trên phần phụ trợ (Hình 2.4) Hoạt động của hệ thống này có thể mô tả như

sau: với một chuyển động tròn tương đối giữa hai hình trụ (ban đầu có trục quay trùng với trục chính) Khi thực hiện chuyển động quay, góc quay của anten quanh trục phụ đối với một góc ngẩng cho trước bằng hiệu giữa góc ngắng trừ đi góc nghiêng của phần phụ trợ của trục phụ so với trục thẳng đứng Ví dụ trong

Hình 2.4, hệ thống giá đỡ điều chỉnh góc ngẩng-góc tà cải tiến này, chuyển động

quay tương đối 180° giữa hai phần của phần phụ trợ của trục phụ một góc

nghiêng nhất định so với trục thẳng đứng Vì vậy, khi định vị vào điểm thiên

đỉnh, anten vẫn chưa dịch chuyển đến điểm ngưỡng

26