ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHÊ

NGUYỄN THỊ THU HUYỀN

ANTEN NHIỀU TIA
DÙNG TRONG THÔNG TIN VỆ TINH
■

Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
Mã số: 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC s ĩ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KH: GS.TS. PHAN ANH

Há

N ội - 2002


M Ụ■ C

L Ụ• C
Trang

Lời nói đẩu
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ THÔNG TIN VỆ T I N H ...................................

1



2.1 Giói t h i ệ u .......................................................................................................

9

Cấu hình của hệ thống thông tin vệ t i n h ..........................................

10

2.2.1 Phần Không gian.................................................................................

1ỉ

2.2.2 Phần Mặt đất ........................................................................................

13

C á c th à n h ph ần c h ín h c ủ a v ệ tinh t h ô n g tin .............................

15

2.3.1 Tải thông tin (Payload).......................................................................

15

Bộ khuyếch dại tạp âm thấp................................................................

15

Bộ đổi tầ n .............................................................................................


Hệ (tiều khiển và xác định trạng thái cùavệ tinh...............................

22

Hệ đ ẩ y ..................................................................................................

23

Hệ điêu khiển nhiệt..............................................................................

24

2.4 Các kỹ thuật đa truy n h ậ p ......................................................................

25

2.4.1 Khái niệm...........................................................................................

25

2.4.2 Các vấn đề lưu lượna.........................................................................

26

2.4.3 Kỹ thuật da truy nhập phân chia theotần số (FDMA).....................

27

2 .2


46

3.1.4 Búp sóng phụ.......................................................................................

48

3 . 2 C á c l o ạ i a n t e n v ệ t i n h .................................................................................................

50

3.2.1 Anten lưỡng cực..................................................................................

50

3.2.2 Anten loa.............................................................................................

50

Anten loa hình nón..............................................................................

52

Aìĩten loa vách nhăn............................................................................

53

Anten loa lưỡng mode..........................................................................

54


61

3.2.4 Anten dàn ............................................................................................

63

Anten dàn xoắn....................................................................................

64

Anteil dàn tích cực...............................................................................

65

3.2.5 Anten TT&C........................................................................................

66

3.2.6 Anteil vệ tinh di động hiện tại và trong tương lai..............................

69

C H Ư Ơ N G 4 : L Ý T H U Y Ế T A N T E N N H I Ề U T I A .........................................................
4.1

Đ ặ c đ i ể m v à p h â n l o ạ i a n t e n n h i ề u t i a ........................................................

72
72

4.2 Cấu hình anten nhiều tia ..................................................................
4.2.1 Anten Gregorian .......................................................................
4.2.2 Dãy tiếp điên và bô diều khiển tạo dangbúp sóng (BFN)......
4.3

....
....

Bộ phát đáp đối với anten nhiều t i a ............................................

C H Ư Ơ N G 5: T H IẾ T K Ế V Ù N G P H Ủ S Ó N G C H O V Ệ TIN H V I N A S A T

o()
0
o3
^
88

5.1

C á c c h ỉ t i ê u ........................................................................................................................

89

5.2

C á c b ư ớ c tiến h ành

...................................................................................................



y ^ity e n Thị T hu ỉlu y é n

LỜI NÓI ĐẦU
Xã hội cànu phát trien thì nhu cáu trao dổi thông tin, liên lạc càn« ?-in,r
Đẽ có thể thúc đáv kinh tế và xã hội phát triển một cách đổnii đểu. mỏi rpòt
quốc iiia phải xây đựns được cơ sớ hạ tầng vững mạnh dáp ứng được nhu cầu
cần thiết. Mạng thòns tin là một trong những cơ sở hạ táns cẩn thiết phải (iươc
nủns cấp, đầu tư và hiện đại hoá phù họp với xu thế phát triển của thế y\á[
Trong mạnu viễn thông, các hệ thống truyền dẫn giúp cho việc triển kh' j vì
mờ rộns các dịch vụ viễn thôns trẽn các phạm vi rộns lớn. Ngoài các phươn»
tiện truyền dẫn phổ biến nhự cáp đổng, sợi quang, các tuyến vi ba, thồ nơ tin vê
tinh là một phương tiện truyền dẫn quan trọng cho phép hỗ trợ cho các rrina
> ^

thônu tin mặt đất hiện có và cho phép triển khai các dịch vụ thông tin khẩn cấp
một cách nhanh chóng.
Vệ tinh ở nhữns thời kỳ đầu của sự phát triển có dung lượn 2 thấp và
Trườn

ựDU

Qtioc iỊia ỉỉ iì Nội - Khoa Còng NiỊỈiè


ỉSgnyẻn Thị Thu Uuyén

4

số phàn lỊĨài cao (Hiiỉh Definition Tclevision-HDTV), phát, thanh sổ
hav các dịch vụ ISDN thòng qua một mạng mạt đất hoặc trực tiếp đến
thuê bao (Direct to home - DHT) thòng qua trạm VSAT. Cuối cùng do
sử dụns phương tiện truyền dan qua giao diện võ tuvến cho nên hệ
thốn» thông Ún vệ tinh là rát thích hợp cho khá năng cấu hình lại nếu
cần thiết. Các côns việc triển khai trạm mới, loại bỏ trạm cũ hoặc thay
đổi tuyến đều có thể thực hiện dỗ dàng, nhanh chóng với chi phí thực
hiện tối thiểu.
Tuy nhiên vệ tinh cũng có những nhược điểm quan trọns đó là:
- Không hoàn toàn cố định
- Khoảng cách truvền dẫn xa nên suy hao lớn, ảnh hưởna của tạp
âm lớn.
- Giá thành lắp đặt hệ thống rất cao, chi phí để phónơ vệ tinh tốn
kém và vẫn còn tổn tại xác suất rủi ro
- Thời gian sử dụng hạn chế, khó bảo dưỡns, sửa chữa và nâng cấp.
- Do đường đi của tín hiệu vô tuyến được truyền qua vệ tinh khá
đài (tới 70.000 km đối với vệ tinh địa tĩnh) nên từ điểm phát đến
điểm nhận sẽ có thời gian trễ đáng kể.
Nạ;ười ta mong muốn vệ tinh có vai trò như là một cột anten cố

tuổi thọ của vệ tinh nói chung thường thấp hơn các thiết bị thòng tin
mặt đất khác. Để làm cho vệ tinh hoạt động trở lại, nơiròi ta cần thu hồi
lại vệ tinh để sửa chữa và tiếp thêm nhiên liệu. Sau đó nơười ta phải
phóng lại nó lẽn quĩ đạo. Việc khôi phục các vệ tinh đã hết tuổi thọ này
hốt sức tốn kém và phức tạp nèn trong thực tế, người ta thường dùng
phương pháp thay thế bằng một vệ tinh hoàn toàn mới và vứt bỏ vệ tinh
cũ di.

1.3
1.3.1

Ứ N G D Ụ N G C Ủ A T H Ô N G TIN V Ệ T IN H
ứ n g d ụ n g c ủ a t h ô n g tin v ệ tin h

Mộ: hệ thốn? vệ tinh có thể cu na cấp rất nhiều loại hình dịch vụ khác
nhau và ngàv càng được phát triển đa dạng hơn. Tuy nhiên nhìn chun?
thông tin vệ tinh đem lại 3 iớp dịch vụ sau:
- Truns; chuyển trên phạm vi toàn cầu các kênh thoại và các
chương trình truyền hình. Đày là sự đáp ứng cho các dịch vụ
cơ bán nhất đối với người sử dụn®. Nó thu thập các luồng số
TrườnÍỊ D II Quốc iỊÌa ỉ hì Nội - Khoa Công Nghệ


6

XịỊityẻn ThỊThu Huvẽn

liệu và phàn phổi lới các mạn” mật đất với một tv lộ hợp lý.
Ví dụ cho lớp dịch vụ này lù các hệ thống INTELSAT và
EƯTELSAT. Các trạm mặt dát của chúns thườn" dược tra nu


Trường Đ H Quốc ịỊtíi Hà Nội

-

Khoa Còng ỉXiỊhừ


SíỊuyễn Thị Thu Uuvếii

tinh dã tluic day nhanh chóng việc hĩnh thánh các hộ ihốnii vệ linh da
búp sóna và các kv ihuạt dùns; lại tần số cho sórm mang. Kv thuật đáu
tiên được đùn» cho hệ thónu vệ tinh là truvén dan analog, sửdụnụ còniỉ
nghệ FDM/FM/FDMA. Sau đó dế đáp ứim nhu cáu sia tũiiíĩ thòng tin.
nsười ta dã tiến đến các phirơns thức truyền dán tiên tiến hơn như lá
SCPC/FM/FDMA (nám 1980) hav PSK/TDMA và PSK/CDMA. Các
phương thức về sau dựa trên truyền đản số qua vệ tinh để khai thác triệt
để mọi ưu điểm do kỹ thuật số đem lại. Trong tươnẹ lai khi dung lượn«
của tuyến
vệ tinh cũn*—2 như số lươn»V»- vê tinh trẽn toàn cầu tăng
•
W lên cực
•
lớn till việc sử đụna quá nhiều sóna mans sẽ làm cho mức can nhiễu
ũiữa các hệ thống thôn« tin với nhau vượt quá mức cho phép.
Để 2 Ìài quyết bài toán này, những nhà chế tạo bát buộc phái nshĩ
đến việc áp dụna các cỏns nshệ sau:
- Xử lý tại chỗ: Giải điểu chế tín hiệu nsay trên vệ tinh để xử lý,
sau đó dieu chế lại rồi truvền tín hiệu đã xử lv này xuống các
trạm mặt đất thu. Đày là trường hợp cùa các vệ tinh tích cực.

thu đơn thuần TVRO mà phổ biến là các trạm thu truyền hình
trực tiếp từ vệ tinh. Đây là một sự tiến bộ rất có V nghĩa cho cơ
hội phát triển của vệ tinh trong tương lai.

Trường Đ H Quốc qia l ỉ à Nội

-

Khoa Còng Nghé


,\\'tfve/ỉ i l l Ị Thu lỉuyừỉi

CHƯƠNG 2: HỆ THÔNG VỆ TINH
■

■

VÀ CÁC PHÂN HỆ
m

2.1

G IỚ I T H IỆ U

Các vệ tinh thôns tin trên quĩ đạo địa tĩnh có ảnh hường to lứn đến đời
sòns cùa chúnơ ta qua việc cuns cấp thốn 2 tin háu như tức thời trên toàn cáu.
Khả năna độc đáo của các hệ thống thông__■ tin sử dụng
tĩnh một
•

việc xâv dựng các irạm phát và thu trên mặt đất, ở khoảng cách 30 - 50 dặm,
rỏi khuvếch đại và phát lại tín hiệu. Ông dã ciúnsỉ, nhưng ứ thời điểm dó thì kỹ

TrướỉiiỊ DI ỉ Ouòc ỊỊÌa lícì nội - Khoa CỏtiiỊ Nqìỉệ


¿\^UY('II

r iii

I hu

10

lỉu y è ii

thuật do chó'lạo vệ tinh va phónu chú nu vào quĩ đạo lại chưa cho phép va phái
don

địa

lìhữnn nám 60 điều đó mới trớ thành hiện thực - Năm 1964 phỏnu vọ linh
tĩn h

đau tiên trên thế lỉiới - vệ tinh SYNCOM. Vào thời điểm đó, rất nhiễu

cá c nước dã

phát triền hệ thốnVI viba


-

Phần mặt đất (Ground Segment): Bao 2ổm hệ thống các trạm mặt
đất Liên lạc với nhau qua vệ tinh

Hình 2.1 mô tá cấu trúc tổng quát của một hệ thống thông tin vệ tinh trong
thực tế. Nó có thế chia thành hai phán chính: Phán không gian và phán mặi đất

Trườn ¡ỉ Đ ỉ ỉ Oitốc iỊÌu ¡1(1 nòi - Khoa Còng NíỊltệ


iViỊttyèn T h ị Thu Huyên

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin vệ tinh

2.2.1 Phần không gian
Phần không gian là khái niệm để chỉ một phần của hệ thống bao gồm vệ
tinh và tất cả các thiết bị trợ giúp cho hoạt động của nó như các trạm điều
khiển và truns tâm giám sát vệ tinh. Tại các trunơ tâm này các hoạt động đo
xa/bámvệ tinh/điều khiển từ xa (TT&C) sẽ được thực hiện nhằm mục đích giữ
cho vệ tinh cố định, đồng thời kiểm tra được các thông số hoạt động của nó
như nhiệt độ anten, nguồn điện ãcquv, nhiên liệu v.v...
Tuyến mà sónơ vô tuyến được phát từ các trạm mật đất đến anten thu
của vệ tinh được gọi là tuyến lên (Uplink). Ngược lại tuyến mà vệ tinh phát
cho các trạm mặt đất sẽ được gọi là tuyến xuống (Downlink). Để đánh giá chất
lượn2 của tuyến người ta hay dùn" đại lượng C/N là tỷ số giữa công suất sóng
mans và công suất tạp âm ảnh hưởng đến sóng mans. Tỷ số này trên toàn
tuyến được quyết định bởi chất lượn ¡ỉ của cả tuyến lên và tuyến xuống, tương

Trường Đ I Ỉ Quốc gia H à nội - Khoa Còng NtỊhệ


2.2.2 Phần m ặ t đ ấ t
Phần mặt đất bao 2 ổm tất cả các trạm mặt đất (ES) của hệ thốns. Thõng;
thường chúng được nối với thiết bị đáu cuối của người sử dụng thông qua một
mạng mặt đất có dày hoặc khôns dây. Tron 2 một số trường họp chúng nối trực
tiếp với thiết bị của nsười sừ đụng (VSAT). Các ES nối với người sử dụns qua
mạng thường là các trạm lớn có duna lượn2 cao phục vụ nhiều khách hàng
mội lúc. Nsược lại, các trạm VSAT lại là các trạm nhỏ duns lượns thấp và chi
phục vụ một số lượng hạn chế người dùns. Hiện nay, các dịch vụ VSAT đang
rất phổ biến và phát triển nên các trạm mặt đất VSAT được quan tâm nghiên
cứu rất nhiều.
Các trạm mặt đất có thê’ phân biệt theo kích cỡ của chúng. Kích cỡ này
phụ thuộc vào dung lượng truyền tái và kiểu tin tức của mỗi trạm (thoại,
truyền hình hav số liệu). Các trạm lớn nhất.được trang bị anten dườns kính 30
m như các ES tiêu chuẩn A cùa hệ thống INTELSAT thế hệ cũ. Các trạm nhỏ
nhái an ten chỉ có 0,6 171 ví dụ như các trạm thu truyền hình trực tiếp từ vệ tinh.
Nhìn chune do kỹ thuật ngày cans phát triển nên kích cỡ của các ES ngày
càn2 nhò lại. V í dụ hiện nay trạm tiêu chuẩn A của INTELSAT chỉ cân fcó
anten (tườnu kính 15 đến 18m.
Các trạm mặt đát thường có cả máy phái và máy thu để trao đổi tin tức với vệ
tinh. Một số trạm khác chỉ có máy thu như tron 2 trường hợp trạm khai thác
các dịch vụ quang bá từ vệ tinh hoặc là trạm phàn phối các dịch vụ truyền hình

Trường Đ I Ị Quỏc ÍỊÌU Ỉ ỈÌ I n ò i - Khoa CỏntỊ Nqhệ


¡Xguyen T h i i h n I I uy CIl

vä


suất tạp âm, hay C/N0. Tron" trườn2; hợp này, công suất tạp âm N được tiêu
chuẩn hoá bằng độ rộng băng B để tạo ra mật độ công suất tạp âm hay
:ônu suất tạp âm trẽn một đơn vị độ rộng băn 2 . Tv số công suất sóng mang
:rên nhiệt tạp âm cũng được sử dụníĩ để biểu thị mức tạp âm tươns đối. Ta
;ó:
ịC /N 0ỉ = í C Ỉ N Ỉ + Ỉ 0 lo g B

Như vậy chat lượng tín hiệu trên đường truyền giữa máy phát và máy thu
đưce đánh siá bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu so với công suất phổ tạp âm
T r iủ ì iiị /) // Quốc gia H á n ộ i - Khoa CủtiíỊ N qlỉệ


¡ \ ¡’ liven Til ị Thít ỉIu y ê n

19

C/N . Đàv là ham sò cùa đặc tính ihiôt bi sir đụrm trẽn đ ườn lĩ truvén siMVi.
thóiiLỉ tin vệ tinh khi nói đến dườníi iruyỏn iỊÌữa hai tram mặt đất liòn

T ro n -i

lạc vú'i nhau nhừ bộ khuvếch đại lặp tín hiệu đó là vệ tinh thì ta phái tính toán
kỹ cá đườn lĩ lên và đườns xuốns. Chất ỉ ươn a dườníĩ lèn được đánh 2Ìá bans
(C/N0)l:, còn chất lượns đườns xuống được đánh giá bang tỷ số (C/N0)D, ánh
hường của môi trường truyền sóns đến đườnạ; lèn và đường xuống rất khác
nhau. Ví dụ như mưa làm 2Íảm tỷ số (C/N0)(J bans việc giảm công suất tín
hiệu thu tuyến lên tại đầu vào anten vệ tinh, với tuyến xuốnẹ nó lại làm 2 Ĩàm
*

7


Ót ui ỉ

Trường

/)// Oudc ÍỊÌIĨI I (Ị n ộ i - Khoa CỏĩtíỊ Nghệ