В данной статье приводится правильная методика и необходимые знания для правильного наблюдения за спутниками и т.е. параметры, что будут приводить к успешному приему сигналов без затуханий и помех, так как для приема информации от аппаратуры, установленной на борту ИСЗ, а также проведения радиосвязей через ИСЗ наземная приемная аппаратура и антенные системы должны удовлетворять определенным требованиям. В принципе, эти требования мало отличаются от обычных требований, предъявляемых к УКВ-аппаратуре. Рассмотрим их подробнее.
Для любого вида связи, в том числе и для радиосвязи на УКВ, характерны потери сигнала при распространении и наличие внешних и внутренних помех. При рассмотрении этого вопроса для упрощения будем считать, что распространение радиоволн происходит в свободном пространстве, т.е. отсутствует их поглощение и переотражение. Подобный случай характерен для радиосвязи в космическом пространстве, а также, с небольшими поправками, для наземной радиосвязи в пределах прямой видимости.
Чтобы нагляднее представить специальные требования к антенным системам, рассмотрим более общие случаи УКВ-радиосвязи, например, когда на передающей радиостанции используется антенна, одинаково излучающая во все стороны т.e. изотропный излучатель. Тогда на расстоянии r излучаемая передатчиком мощность Рпер равномерно распределится по поверхности сферы, имеющей площадь S = 4pr2. В результате на вход приемника корреспондента попадает сигнал мощностью
Рпр = (Рпер * Sпр)/S, где Sпp - площадь приемной антенны.
Следовательно, доля энергии, поступившая на вход приемного устройства - мощность принимаемого сигнала, составит
L = Рпр/Рпер = Sпр/S = Sпр/4pr2
В случае если передающая антенна обладает направленными свойствами, от которых зависит величина коэффициента усиления антенны, мощность принимаемого сигнала возрастет и составит
L = (Sпр * Gпер)/4pr2, где Gпep - коэффициент усиления передающей антенны.
Если на приемной радиостанции установлена антенна с величиной коэффициента усиления Gпp, то мощность принимаемого сигнала возрастет в Gпp раз:
L = (Sпр * Gпер * Gпер)/4pr2
Из полученной формулы можно сделать важный вывод - эффективность приемной антенны зависит от ее площади и ее коэффициента усиления. Но, в то же время, следует знать, что антенны с одинаковой величиной коэффициента усиления имеют различную эффективность на различных частотных диапазонах.
Так, например, если использовать один и тот же тип антенны - например, девятиэлементный волновой канал для диапазонов 144 и 432 МГц, то на более высокочастотном диапазоне мы получим проигрыш в 9 раз по сравнению с диапазоном 144 МГц. Для диапазона 1296 МГц этот проигрыш - при использовании девятиэлементного волнового канала составит уже 81 раз, т.е. для получения тех же потерь на линии нужно или у одного из корреспондентов установить систему из 81 антенны "волновой канал", или у обоих установить по девять таких антенн. Это, в частности, следует из формулы
L = (Sпр * Gпер)/r2*l2 = (Sпр * Gпер * l2)/(4pr)2, которую можно получить, используя известное соотношение G = 4pS/l2, где:
- G - коэффициент усиления антенны,
- S - ее площадь,
- X - длина волны.
Величина мощности принимаемого сигнала отражает потери энергии на трассе между передающей и приёмной радиостанциями при условиях прохождения радиоволн, близких к идеальным. Видно, что при неизменной конструкции антенны, а следовательно, неизменном коэффициенте усиления потери L растут при уменьшении длины волны в квадратичной зависимости. Единственная мера борьбы - это повышение коэффициента усиления антенн.
При повышении коэффициента усиления антенны обязательно сужается диаграмма ее направленности. Следует иметь в виду, что узконаправленные антенны требуют более точной ориентировки антенны на корреспондента, и совсем не облегчают радиосвязь на УКВ. Также следует знать, что многоэлементные антенны типа "волновой канал" могут работать только в очень узкой полосе частот.
В описаниях большинства таких антенн предполагается, что они будут применяться для обычных УКВ-радиосвязей, поэтому антенны имеют размеры, оптимальные для начала определенного диапазона, в то время как для спутниковой связи отводятся частоты, расположенные в конце диапазона - в более высокочастотной части диапазона.
Кроме того, в реальных условиях своего движения по орбите спутник непрерывно вращается. Только специальные и очень дорогие спутники имеют стабилизирующие устройства, которые поддерживают постоянную ориентацию спутника относительно Земли. Спутники с аппаратурой для любительской радиосвязи никаких стабилизирующих устройств не имеют, поэтому установленные на этих спутниках антенны постоянно вращаются вместе с корпусом спутника.
Так, если в какой-то момент антенна спутника располагается параллельно горизонту Земли в точке расположения приемной станции, то через некоторое время антенна спутника будет располагаться перпендикулярно горизонту в этой точке Земли. Получается, что антенна вращающегося вокруг своей оси спутника излучает радиоволны с переменной (вращающейся) поляризацией. Если передающая антенна излучает волны с вертикальной поляризацией, а принимающая эти волны антенна предназначена для приема радиоволн с горизонтальной поляризацией, то возникают дополнительные потери по мощности из-за различной поляризации.
Рассмотрим теперь, от чего зависит дальность радиосвязи на УКВ и требования к приемной аппаратуре. Для повышения дальности необходимо увеличивать размеры антенн. Это, конечно, очень трудоемкий путь, однако это единственный способ, практически не имеющий ограничений. Второй способ повышения дальности — это увеличение мощности передатчика. Однако максимальная мощность любительского УКВ-передатчика определена соответствующим разрешением и не должна превышать 5 Вт (для радиостанций РФ).
Для передатчика, установленного на ИСЗ, разработчик радиоаппаратуры задает какие-то определенные параметры, которые после запуска ИСЗ на орбиту может изменить только природа. И, наконец, третий способ - это повышение чувствительности приемника. Здесь наши возможности, в конечном счете, ограничены внешними шумами и помехами, такими как индустриальные помехи, космические шумы и тепловые шумы, излучаемые атмосферой и земной поверхностью.
Для того чтобы оценить предельные возможности радиоприемника, удобно ввести понятие его "энергетического потенциала". Энергетический потенциал численно равен максимально допустимому значению потерь (в децибелах) на трассе распространения сигнала. Рассмотрим подробнее, как он определяется и от чего зависит.
Прежде всего определим минимальную мощность сигнала, который необходимо подвести ко входу приемника. При отсутствии внешних помех чувствительность определяется уровнем собственных шумов, который, для удобства расчетов, обычно приводится к входным зажимам приемника.
Для оценки интенсивности собственных шумов приемника обычно пользуются единицами kТ0, где:
- k - постоянная Больцмана - 1,38*10-23Дж/град,
- Т0 - температура окружающей среды - около 300 К.
Таким образом, 1kТо = 4*10-21Вт/Гц. Термин "интенсивность" в данном случае применяется потому, что данная единица характеризует не просто приведенную мощность входных шумов, а мощность, отнесенную к полосе пропускания.
Это очень удобно, так как не надо каждый раз оговаривать полосу пропускания приемника, как это потребовалось бы при оценке шумов в единицах мощности - ваттах. В этом смысле еще больше неудобств доставляет пользование единицами напряжения — микровольтами, так как в данном случае надо еще указывать входное сопротивление приемника. Так, например, ответить на вопрос, какой приемник лучше с чувствительностью 1 или 2 мкВ - можно только после того как будут оговорены входные сопротивления и полосы пропускания данных приемников.
Единица kТо имеет строго определенный физический смысл такие тепловые шумы генерирует активное сопротивление, нагретое до температуры То. Если сопротивление, равное входному, подключить ко входу идеального приемника, то мощность шумов, приведенная ко входу, будет равна 1 kТо. В реальном приемнике к шумам внешнего сопротивления добавятся собственные шумы, поэтому чувствительность реального приемника всегда больше 1 kТо. Числовой коэффициент, стоящий перед kТо, называется коэффициентом шума приемника. Он обозначается буквой F.
Мощность собственных шумов приемника, приведенную ко входу, можно определить, пользуясь формулой
Pш.вx. = (F-1)kT0 - Δf, где Δf - полоса пропускания приемника.
Например, интенсивность шумов приемника радиостанции в диапазоне 144 МГц равна 1,8 кТо - т.е. собственные шумы равны 0,8 кТо. Определим, чему это соответствует в долях ватта при полосе пропускания приемника 3000 Гц. Собственные шумы приемника в ваттах, приведенные к его входу, будут равны
Рш.вх = (1,8 -1) * 4 * 10-21 * 3000 = 10-17 Вт.
Теперь, когда известна мощность входных шумов, можно определить минимальное значение полезного сигнала. Для работы телеграфом при данной полосе пропускания пороговое значение сигнала может быть примерно в 10 раз меньше мощности шумов.
Тогда мощность сигнала составит Рс = 10-18Вт.
Если также учесть коэффициент усиления антенны величиной 10, то допустимые потери возрастут до 10 Вт, что составляет примерно чуть менее 200 дБ. Приведенные формулы должны позволить понять основы расчета энергетического потенциала УКВ-радиоприемника или УКВ-радиостанции, необходимые для того, чтобы "прочувствовать" возможности того или иного аппарата.
Приведенные рассуждения дают возможность понять, что УКВ-радиоприемник с коэффициентом шума порядка 2 кТо может с успехом принимать сигналы от ИСЗ, расположенных на расстоянии 1000 км и более при наличии антенны с усилением в 10 раз.
Несколько слов о том, как можно оценить потери энергии на трассе между ИСЗ и приемной радиостанцией. В литературе можно найти следующую формулу, которая позволяет сделать ориентировочный расчет потерь электромагнитной энергии при прохождении сигнала от ИСЗ до приемника:
Lp = 32,5 + 20*lgf + 20*lgDs, где:
- Lp - потери энергии на трассе, дБ;
- F - частота, МГц;
- Ds - расстояние до спутника, км.
Проведенные по данной формуле расчеты для расстояния 3000 км и частоты 29 МГц дают величину потерь около 130 дБ, для того же расстояния и для частоты 144 МГц величина потерь составит примерно 145 дБ, при увеличении частоты до 435 МГц величина потерь будет около 155 дБ, для частоты 1290 МГц величина потерь составит 167 дБ.
Для расстояния 50000 км и частоты 1290 МГц, что характерно для спутника АО-40, примерная величина потерь будет около 193 дБ, т.е. вплотную приближается к возможностям применения радиоприемного устройства с коэффициентом шума 2 kТо и приемной антенны с усилением в 10 раз. Это значит, что для успешной работы с этим спутником следует использовать антенну с гораздо большим усилением.
Рассмотрим теперь вопрос о помехоустойчивости УКВ-аппаратуры. Приведенный расчет энергетического потенциала сделан с учетом только внутренних помех, т.е. с учетом собственных шумов, возникающих в приемном устройстве. Однако часто предельная дальность радиосвязи определяется помехами внешнего происхождения, которые условно можно разделить на три основные группы - помехи от других радиостанций, импульсные помехи и шумовые помехи.
Помехи, относящиеся к первой группе, появляются под действием мощных сигналов близко расположенных любительских радиостанций, а также под действием мощных сигналов телевизионных и радиовещательных передатчиков. В первом случае мешающий сигнал попадает в полосу пропускания усилителя высокой частоты смесителя, а часто и в полосу пропускания последующих каскадов. Под действием мощной помехи меняется режим работы этих каскадов, что может привести к полному пропаданию полезного сигнала.
Меры борьбы с подобными помехами - это повышение линейности и возможно меньший коэффициент усиления каскадов, предшествующих узкополосному фильтру. Помехи от телевизионных передатчиков могут непосредственно воздействовать на входной каскад УВЧ и проникать по так называемым комбинационным каналам. Меры борьбы с подобными помехами - повышение качества гетеродина и улучшение селективности УВЧ.
Помехи, относящиеся ко второй группе - импульсные помехи. Они более характерны для городских условий. Это помехи от систем зажигания автомобилей, от коллекторных электродвигателей, от искрения контактных проводов трамваев и троллейбусов, а также от большого количества прочих источников. Если импульсные помехи хорошо выделяются на фоне шумов в виде отчетливых щелчков или тресков, то в таком случае достаточно эффективно помогают различного рода ограничители амплитуды.
В условиях большого города импульсные помехи от многих источников сливаются в сплошной шум, который "на слух" воспринимается как шум теплового происхождения. Импульсные помехи такого вида непосредственно примыкают к помехам, относящимся к третьей группе, т.е. к шумам различного происхождения. Как уже указывалось, это могут быть шумы космического происхождения, прежде всего Солнца, а также тепловые шумы, излучаемые атмосферой и земной поверхностью.
На большом удалении от города именно эти шумы определяют предельную чувствительность радиостанции. При антенне, направленной на горизонт, интенсивность таких шумов составляет примерно 1 kТо. В условиях города интенсивность шумов может возрастать в десятки, и даже сотни раз. К сожалению, принципиально отсутствуют методы борьбы с помехами такого рода. Единственное, что можно делать — это по возможности сужать полосу пропускания приемника. Однако особенности человеческого уха таковы, что даже при приеме телеграфных сигналов не имеет смысла делать полосу пропускания приемника уже, чем 500...1000 Гц.
Подводя итог сказанному, можно сделать вывод, что радиолюбителям, живущим в благоприятной помеховой обстановке, следует обратить основное внимание на уменьшение собственных шумов приемника. При этом можно ориентироваться на цифру 2 кТо с учетом потерь в фидере, т.к. дальнейшее снижение шумов уже не даст большого выигрыша.
При разработке описываемой далее аппаратуры были предприняты некоторые меры по повышению помехоустойчивости приемных устройств. Так, для получения заданной чувствительности было использовано минимальное количество каскадов усиления, приняты меры по сужению полосы пропускания входных устройств и по повышению спектральной чистоты гетеродинных трактов. Во всех аппаратах в основном отсутствуют дефицитные детали.
Пишите и спрашивайте!
Г. Тяпичев, (RA3XB) ra3xb@kaluga.ru
