ن ندارد، وظيفه اصلي ماهوارههای مخابراتي جابجا کردن اطلاعات از يک نقطه به نقطه‌ای ديگر است. سرویس‌های ويدئو و تلويزيوني، مخابرات بين شهرها، مخابرات داده و مخابرات شخصي و موبايل جزو اين دسته از ماهوارهها قرار میگیرند. از طرفي به علت اينکه در مدار زمين آهنگ فاصله بين فرستنده و گيرنده زياد است، نمی‌توان از آنتنهای موبايل شخصي براي دريافت اطلاعات از ماهواره استفاده کرد؛ و نياز به دیش‌های متوسط ميباشد.
يک مجموعه مخابرات ماهوارهای از دو بخش فضايي و زميني تشکيل شده است. بخش زميني شامل ايستگاه زميني براي دريافت داده‌های مأموریتی و ايستگاه کنترل براي کنترل عملکرد ماهواره است. بخش فضايي نيز از دو زیرمجموعه مخابرات داده‌های مأموریتی ماهواره و تله متري و فرمان ماهواره تشکيل ميشود.
برای ايجاد ارتباط بين ايستگاه زمينی و بخش فضايی به توضيح و تشريح پارامترهای مهم و اساسی در اين راستا می‌پردازیم. اين پارامترها عبارتند از:
آنتن
مدولاسیون
فرستنده و گيرنده
ترانسپوندر
لامپ TWT
لینک بالا رو، لینک پایین رو
آنتن[16]
مقدمه و تعریف
آنتن، بخشي از هر سامانه فرستنده يا گيرنده الكترونيكي است. آنتن عبارت است از بخشي از يك سامانه راديويي كه يك سيگنال راديويي را قادر به ارسال به محيط اطراف يا دريافت از محيط مي‌كند. به عبارت ديگر، آنتن را مي‌توان رابط بين سامانه الكترونيكي و فضاي بيرون دانست. يك آنتن فرستنده، جريان‌هاي الكتريكي را به سطوح لايه‌اي رسانا القا مي‌كند كه در نتيجه امواج الكترومغناطيسي توليد شده و در فضا پخش مي‌شوند. همين امواج الكترومغناطيسي بر روي سطوح مشخصي از آنتن‌هاي گيرنده، جريان‌هاي الكتريكي را القا مي‌كنند [11] .آنتن جزء لاينفك سامانه كليه ماهواره‌هاي فعال، كاوشگرها، فضاپيماها و ايستگاه‌هاي زميني ارسال و دريافت داده و كنترل فضايي است. درشکل 4 1 یک نمونه آنتن زمینی را مشاهده مینمایید.
شکل 4 1: یک نمونه آنتن زمینی [11]
آنتن‌هاي فضايي را مي‌توان به جهات گوناگون دسته‌بندي كرد. يكي از عمومي‌ترين دسته‌بندي‌ها در اين حوزه، تقسيم آنتن‌ها به دو دسته فضايي (آنتن‌هاي مستقر در فضا) و زميني (آنتن‌هاي مستقر در ايستگاه‌هاي زميني) است. بايد توجه داشت آنتن يك گيرنده جيبي جي‌پي‌اس هم مي‌تواند يك آنتن زميني باشد. آنتن‌هاي بشقابي تلويزيون‌هاي ماهواره‌اي هم نوعي آنتن زميني هستند. آنتن‌هاي بشقابي عظيم چندين متري نيز كه با فضا در ارتباطند، از همين رده به حساب مي‌آيند. هر دو دسته آنتن‌هاي زميني و فضايي از اصول و مباني يكساني برخوردار هستند. تنها تفاوت اساسي آن‌ها در نوع سازه و شرايط محيطي متفاوتشان است. آنتن‌هايي كه در محيط فضا به‌كار گرفته مي‌شوند، بايد به لحاظ سازه‌اي تحمل شرايط فضا (اختلاف دما، برخورد انواع ذرات، بارهاي ديناميكي و …) را داشته باشند. همچنين آنتن‌هاي فضايي حتماً بايد به صورت تاشو و حتي‌الامكان با كمترين وزن و حجم ممكن طراحي شوند تا مشكلات مربوط به پرتاب و هزينه، در آن‌ها به حداقل برسد. عوامل مربوط به طراحي آنتن معمولاً بيشترين تأثیر را بر روي جرم ماهواره و در نتيجه، هزينه پرتاب دارند [12] .
انواع آنتن
تقسیم بندی آنتن‌ها از لحاظ نحوه پوشش:
1- تمام جهته84
2-نیم جهته85 (شکل 4 5)
3-یک جهته86 (شکل 4 6)
شکل 4 2: یک نمونه آنتن تمام جهته [10]
آنتنهای گروه اول دارای انتشار 360 درجه هستند. (شکل 4 4 وشکل 4 2)
شکل 4 3: پترن تشعشعی آنتن تمام جهته [10]
همان طور که در شکل 4 3مشاهده مینمایید پترن تشعشعی این نوع آنتن به طوری است که تمامی جهات اطراف خود را پوشش میدهد. این نوع آنتن زمانی استفاده میشود که لازم است که اگر ماهواره در هر حالتی بود توانایی برقراری ارتباط با ایستگاه زمینی را داشته باشد، چون در مدار LEO مدت دید ایستگاه کم است و نیاز است از هر زمانی برای برقراری ارتباط استفاده نماییم. در شکل 4 4چند نوع از این آنتن را با نام آن‌ها می‌بینید.
شکل 4 4: چند نمونه آنتن تمام جهته [11]
آنتنهای گروه دوم دارای زاویه انتشار کمتر و در جهت خاص با برد بیشتری نسبت گروه اول میباشند؛ و
در ارتباط نقطه به نقطه87 بین دو نقطه کاربرد دارند که در شکل 4 5 نمایش داده شده است.
شکل 4 5: پترن تشعشعی آننن نیم جهته [10]
آنتنهای گروه سوم هم در انتشار امواج با زاویه خاص باند کمتر و برد بالاتر تا 40000 کیلومتر استفاده میشوند. در ارتباط نقطه به نقطه در مسافت طولانی که درشکل 4 6 نمایان است.
شکل 4 6: پترن تشعشعی آنتن یک جهته [15]
شکل 4 7: نمونه‌ای از آنتنهای یک جهته [13]
همان‌گونه كه ذكر شد، آنتن‌ها را مي‌توان از منظرهاي گوناگوني دسته‌بندي كرد. اما معمول‌ترين دسته‌بندي براي آنتن‌هاي به كار گرفته شده در ارتباطات فضايي (چه در فضا و چه بر روي زمين) به قرار زير است.
آنتن‌هاي سيمي
اين آنتن‌ها از ساختاري سيمي شكل تشكيل شده‌اند. فرم‌هاي مارپيچي، مخروطي يا (دي‌پُل) ساده آن‌ها معمولاً در باندهاي فركانسي UHF,VHF كار مي‌كنند. فرم‌هاي ديگر معمولاً در باند فركانسي (مايكرو ويو) بالاي 1 گيگاهرتز عمل مي‌كنند [13].
آنتن‌هاي شيپوري
آنتن‌هايي هستند كه به شكل مخروط بوده و معمولاً بر روي ماهواره نصب مي‌شوند. اين آنتن‌ها براي ايجاد پوشش وسيع بر روي زمين به كار گرفته مي‌شوند. اين نوع آنتن اگرچه كارايي بالايي دارد، اما سنگين وزن و پرهزينه است. از این آنتن بيشتر در اوايل عصر فضا براي ارتباطات فضايي استفاده مي‌شد و امروزه كاربرد چنداني ندارد [4].
آنتن‌هاي آرايه فازي
آنتن‌هايي هستند كه از المان‌هاي آنتن‌هاي كوچك پراكنده بر روي يك صفحه تشكيل شده‌اند. اين نوع آنتن پرتوهاي چندگانه‌اي ایجاد می‌کند كه قابليت سمت‌گيري الكترونيكي يك پرتو را به خوبی فراهم مي‌آورد. مزيت اين نوع آنتن هنگامي است كه پرتو تشعشع حركت ثابتي داشته باشد. همچنين اين نوع آنتن به دليل اينكه از چندين جزء موازي تشكيل شده است، قابليت اطمينان بسيار بالايي دارد. (با از كار افتادن چند المان، كل آنتن كارايي خود را از دست نمي‌دهد) بازده بالايي دارد اما تلفات در سيستم تغذيه آن نسبتاً بالاست [2] . فناوري نسبتاً دشوار، وزن بالا و هزينه بالاي آن، استفاده از آن را محدود مي‌كند [4] [18].
آنتن‌هاي لنزي
نوعي از آنتن كه امواج را به شيوه يك عدسي اپتيكي بر روي حساسه‌هاي مختلف متمركز مي‌كند [1] . عمده مزيت اين نوع آنتن بازده بالاي آن است. البته نامتناسب بودن سطح لنز در اين نوع آنتن باعث بروز تلفات زيادي ميشود. اين نوع آنتن بيشتر براي فركانس‌هاي خيلي بالا كاربرد دارد زيرا براي فركانس‌هاي پايين به وزن آن اضافه خواهد شد. چنين آنتني براي فركانس حدود 15 گيگاهرتز در حدود 50 سانتي‌متر قطر دارد[2].
آنتن‌هاي انعكاسي
اين نوع آنتن‌ها از يك صفحه بشقابي سَهمَويِ متمرکز کننده امواج و همچنين يك «تغذيه» تشكيل شده‌اند. در آنتن‌هاي گيرنده، صفحه بشقابي مورد اشاره امواج را جمع‌آوري و متمركز مي‌كند و تغذيه، كه در نقطه‌اي در روبروی صفحه نصب شده است، اين امواج را دريافت مي‌كند. در مورد آنتن‌هاي فرستنده اين فرايند برعكس است و تغذيه امواج را جهت پخش در فضا به روي بشقاب مي‌فرستد. در انواعی از اين آنتن‌ها از يك صفحه منعكس‌كننده هذلولَويِ محدب (نوع كاساگرين) یا بیضوی مقعرِ (نوع گرگورين) ثانويه نيز، به صورت تركيبي با بشقاب سهموي استفاده ميشود. البته ممكن است در مجموع از تركيب چند منعكس‌كننده نيز استفاده شود [1] . اين نوع پركاربردترين آنتن در مخابرات فضايي (چه در فضا و چه بر روي زمين) است. سادگي طراحي، انعطاف‌پذيري در طراحي (چید مانی متفاوت تغذيه و صفحات بشقابي و ثانویه)، وزن نسبتاً كم و هزينه كمتر از مزيت‌‌هاي اين نوع در مقايسه با ساير انواع آنتن ميباشد [5].
آنتن‌هاي انعكاسي متقارن
آنتن‌هاي انعكاسي هستند كه به لحاظ هندسي متقارن مي‌باشند. يعني مركز سهمي بشقابي، تغذيه و مركز انعکاس دهنده ثانويه همگي بر روی يك خط راست قرار دارند. ضعف عمده اين نوع آنتن‌ها در آن است كه نگه‌دارنده‌هاي تغذيه و خود تغذيه روي دهانه تشعشعي اثر ماسک گذاری دارند. اين اثر باعث ميشود تاسطح گلبرگ‌هاي جانبي الگوي تشعشعي آنتن بيشتر شود كه اين خود به كاهش بازده آنتن مي‌انجامد. علاوه بر اين، در نوع ساده اين آنتن (غير كاساگرين يا گرگورين كه فقط از یک بشقاب و يك تغذيه تشكيل شده است) ، تغذيه به سمت زمين قرار مي‌گيرد و آن بخش از الگوی تشعشعي تغذيه كه به بشقاب سهموي منعكس‌كننده برخورد نمي‌كند به آساني تشعشعي را كه از زمين منعكس ميشود جذب مي‌كند كه اين باعث افزايش بسيار زياد دماي نویز آنتن ميشود. براي غلبه بر چنين مشكلي بايد در نوع تغذيه و فاصله كانوني آن تغييراتي داده شود كه اين هم باعث بزرگ شدن حجم آنتن و همچنين عدم سازگاري با مدارات مايكرو ويو پشت تغذيه ميشود [18].
آنتن‌هاي غیر متقارن
در اين نوع آنتن‌ها لزوماً مراكز و كانون‌هاي سه المانِ بشقاب سهومي، تغذيه و منعكس‌كننده ثانويه در يك خط مستقيم قرار ندارند. اين تنظيم (يا نصب) غیر متقارن به افزايش بازده و كاهش حجم آنتن مي‌انجامد. زيرا با این کار مي‌توان به نوعي اثرات ماسک گذاری و همچنين پهن شدن گلبرگ‌هاي جانبي الگوي تشعشعي آنتن را كنترل كرد و در نتيجه دماي نويز آنتن را پايين آورد [15] . اين قدرت مانور در نصب اجزاي مختلف آنتن، يكي از مزاياي آنتن‌هاي انعكاسي است. نصب غیر متقارن انسداد را كاهش داده و از وسعت گلبرگ‌هاي جانبي الگوي تشعشعي آنتن نیز می‌کاهد.
آنتنهای مو جبر88
شکل 4 8: آنتن مو جبر [7]
این نوع آنتن توسط ایجاد میدانی مغناطیسی امواج را هدایت مینماید. موارد کاربرد این نوع آنتن در مخابرات ماهوارهای میباشد. این نوع آنتن اکثراً در باندهای فرکانسی S,C,L,X استفاده میشود و در باندهای دیگر نیز قابلیت استفاده دارد ولی بهینهگی خود را از دست میدهد. در جدول 4 1مشخصات استفاده از این آنتن در باندهای مختلف آمده است. (شکل 4 8)
لازم بذکر است داده های آماری ارائه شده می تواند در طراحی آماری آنتن موجبر رهگشا باشد که از موضوع این پایان نامه خارج است .
جدول 4 1: مشخصات فنی انواع آنتن موجبر [7]
آنتنهای ترن استایل89
شکل 4 9: آنتن ترن استایل [7]
این نوع آنتن از بهم پیوستن دو آنتن دیاپل90 تشکیل میشود و معمولاً در ماهوارهها در باند S,L مورد استفاده قرار میگیرد. (شکل 4 9)
آنتنهای ایزوفلوکس91 :
بهینه‌ترین آنتن برای ماهوارههای سنجش از دور ارتفاع LEO میباشد که پترن تشعشعی بسیار مناسبی دارد. آنتن ایزوفلوکس معمولاً در باند X استفاده میشود که در شکل 4 10نمایش داده شده است. این نوع آنتن امروزه در اکثر ماهوارهها جدید و در دست ساخت ناسا که سنجش از دور هستند و در مدار LEO میباشند استفاده میشود. [18]
شکل 4 10: آنتن ایزو فلوکس [8]
مدولاسیون
در این بخش از پروژه به توضیح انواع مدولاسیونها خواهیم پرداخت. روش کار هر یک و مزایا و معایبشان مشخص میشود تا بتوانیم به درستی مدولاسیون مورد نظر برای ماهواره را انتخاب نماییم.
اگر کانال مخابراتی شامل فضای آزاد باشد در این صورت برای انتشار و دریافت سیگنال آنتن‌هایی مورد نیاز است طول این آنتن‌ها متناسب با طول موج سیگنال فرستاده شده است. بسیاری از سیگنال‌های صوتی دارای مؤلفه فرکانسی ۱۰۰ هرتز یا پایین تر هستند. برای ارسال این سیگنال‌ها اگر سیگنال مستقیماً انتشار یابد به آنتن‌هایی با طول حدود ۳۰۰ کیلومتر نیاز است. اما اگر از مدولاسیون برای سوار کردن سیگنال بر روی یک فرکانس حامل مثلاً ۱۰۰ مگا هرتز استفاده کنیم در این صورت طول آنتن‌ها حدود یک متر خواهد بود.
تقسیم بندی انواع مدولاسیون از لحاظ ماهیت:
• مدولاسیون دامنه (AM)
• مدولاسیون فرکانس (FM)
• مدولاسیون فاز (PM)
شکل 4 11: مدولاسیون Pm مدولاسیون Am مدولاسیون fm[4]
علاوه برمدولاسیون‌های آمده در شکل 4 11 همگی آنالوگ
