极地卫星图像接收教程:从接收天线开始

lihuaxun88

本文介绍了一种相当简单的方法，可以用最少的设备和每个人都能掌握的程序，来从NOAA极地卫星接收太空视角的天气图像。接收极地卫星发送的图像是一项非常有趣的活动，它提供了一种全新的电磁波接收体验。没有什么比编码无线电信号和观察卫星图像时的感觉更好的了。
NOAA极地卫星(见图1)是一系列在极地轨道上绕地球运行的人造卫星，因此会经过所有大陆、海洋和几乎世界每个角落。他们的目标是收集与气象学、海洋学和环境相关的数据。NOAA卫星可以收集各种参数的数据，例如陆地和海洋的表面温度、降水、云层等。气象学家、海洋学家、气候学家和科学家利用收集到的数据进一步加深对气候和环境的了解，并依此来预测天气状况和自然事件。NOAA卫星的接收非常容易。它们的接收并不需要特殊的电子设备，只需一些普通设备，甚至是便宜的设备就足够了。接收它们的无线电信号甚至不需要无线电指向和跟踪。它们也使用模拟APT格式，但传输图像的分辨率很低(1像素相当于4公里)。目前，NOAA 15、NOAA 18和NOAA 19卫星可以通过VHF在以下无线电频率轻松进行接收：


VHF频率的选择取决于其接收的简易性。只要有一个覆盖137MHz和138MHz之间极地卫星频段的RX就足够了，即使不太贵。每天都有数十颗卫星经过这个狭窄的频段，其中大部分都在监测地球上的气候状况。NOAA卫星每天都全天传输图像，并且您收到的图像是实时的，与您的观看位置相对应。只要有天线和合适的接收器，任何人都可以免费接收该无线电广播。

图1：NOAA卫星(来源：NOAA)


必要的设备

NOAA卫星的无线电接收非常便宜、简单，而且有趣。本系列文章旨在说明该系统简单但有效的配置，但并非绝对最佳的。这样做是为了让每个人，非专业人士和初学者，都有机会去体验这个迷人的世界。如前所述，NOAA卫星的接收毫不费力，不需要专业设备。如图2框图所示，要建立一个接收卫星图像的基站，一般只需以下组件即可：

天线

同轴电缆

软件定义无线电(SDR)接收器

个人电脑

软件

Gpredict(卫星跟踪应用)

SDR++
SatDump(接收卫星数据软件)

下面的段落将详细介绍并充分展示清单上的每个项目。网上有数以千计的解决方案和项目，所有方案和项目均有效且运行良好。在任何情况下，都建议循序渐进地接收极地卫星，首先使用简单且廉价的设备，然后升级更复杂的软件和硬件。

图2：接收极地卫星传输图像的最基本材料框图


天线

现在让我们详细介绍一下这些必要元件。接收天线是接收这些卫星传输数据的基本设备。极地卫星沿着极地轨道绕地球运行，因此可以飞越地球上的所有地点。这使它们成为收集天气、环境和其他数据的理想选择。因此，接收天线必须能够接收来自快速旋转和移动的卫星的微弱信号。有各种不同类型的天线，但本文仅介绍其中两种类型：

双交叉偶极子天线
简化的QFH天线

还有其他更灵敏的天线，但对于初学者来说，这两种天线可以更能保证成功。

双交叉偶极子
这种类型的天线制作起来非常简单，并且可以让您在接收APT卫星时获得出色的效果。它设计用于调谐到频段中心的137.5MHz频率。要制作这种天线，可以使用直径为6mm的黄铜、铝或其他导电材料棒材。显然，并非所有直径都适合，我们建议按照本文中的测量方法进行。
在图3中，我们可以看到天线的物理结构细节和相对尺寸。如图所示，这是两个呈90°交叉的偶极子。图中仅显示了天线的电气部分，但很显然它必须由绝缘支撑物支撑，例如木材或塑料。其中一个偶极子直接连接到屏蔽电缆上，而另一个偶极子前面则有一段四分之一波长的长度，以便将信号相位偏移90°。通过这种配置，天线在水平面上具有几乎全向的性能。不过，也可以将电缆直接并联连接到两个偶极子，尽管会得到更糟糕的结果。该天线的仿真测量结果如下：

偶极子距地面高度：2m

每个臂的长度：52cm

工作频率：137.5MHz

波长：2.18m

阻抗：80Ω

137.5MHz时的驻波比(SWR)：1:1.62
最大增益：6.71dB

鉴于这种阻抗，最佳的连接方式是使用75Ω同轴电缆(用于电视)，并采用具有相同阻抗的接收器。然而，即使采用不同的配置，结果也同样不错。

图3：双交叉偶极子天线

在图4中，可以看到双交叉偶极子天线的电气性能。该图显示了以下部分：

左上方是垂直平面上的辐射图。

上方中间是水平面上的辐射图。

右上角是3D视图中的辐射图。

中间是一个SWR图，可以看出谐振频率为137.5MHz。
最下方是阻抗图。当天线是一个纯电阻时，天线会谐振，电感和电容分量相互抵消。正如您所看到的，电抗分量在137.5MHz处为零，而纯电阻分量为80Ω，这与普通偶极子的实际阻抗相当接近。

图4：双交叉偶极子天线的电气性能
必须要注意的是，天线的阻抗取决于许多因素。其中一个不直接涉及物理形状的因素是距离地面的高度。高度越小，阻抗越小。当高度大于λ/2时，天线阻抗就开始稳定在76Ω。图5显示了我们的天线在距地面不同高度(最高4米)的阻抗。可以看出，稳定时高度等于λ/2。如果天线距地面的高度增加，辐射旁瓣的分数也会增加。

图5：天线的特性阻抗也会随着离地高度的变化而变化。


简化的QFH
该天线是全向天线，是QFH的简化版，可能是最成功的卫星信号接收天线。它的简化是为了让每个人都有机会以易于理解的方式构建它，尽管它很简单，但仍可以获得出色的结果。它由一个闭合交叉环路组成，设计用于在频段中心的137.5MHz频率上谐振。类似于双交叉偶极子天线，它可以使用直径为6mm的黄铜棒或铝棒。与人们的想象的不同，采用不同的直径会导致天线最终阻抗的差异。下表显示了不同直径导线的各种阻抗，0.5mm至12mm。


如您所见，制造天线金属结构的最佳直径在6mm到9mm之间。在图6中，可以看到天线的物理结构和尺寸。至于另一个天线，图中仅显示了电气部分，并且还必须制作一个有效的绝缘支架。这种类型的天线非常简单，由一个可旋转的环组成。为了方便制作，下面的列表显示了3D空间中构成物理模型的所有点，单位为米。


该天线的仿真测量结果如下：

离地高度：2m

工作频率：137.5MHz

波长：2.18米

阻抗：35.4Ω

137.5MHz时的驻波比：1:1.48
最大增益：5.79dB

在这种阻抗下，最好使用换衡器、变压器或LC适配器进行阻抗变换。不过，最开始天线可以直接连接到电缆上，效果同样很好，因为天线的作用是接收而非传输。

图6：简化的QFH天线以及与金属结构厚度相关的阻抗

在图7中，可以通过以下部分看到天线的电气性能：

左上方是垂直平面上的辐射图。

上方中间是水平面上的辐射图。

右上角是3D视图中的辐射图。

中间是SWR图，可以看出谐振频率为137.5MHz。
最下方是阻抗图。电抗分量在137.5MHz时为零，而纯电阻分量为34Ω。

图7：简化的QFH天线的电气性能
图8显示了简化的QFH天线在距地面不同高度(最高4米)处的阻抗。同样，稳定时高度等于λ/2。

图8：天线的特性阻抗也会随着离地高度的变化而变化。
本系列的第2部分将继续介绍这一动人心弦的卫星图像接收系统的制作过程，研究天线的选择，并开始分析其他重要组件。作者：Giovanni Di Maria， 来源：EDN姊妹网站EEWeb
参考原文：Polar Satellite Image Reception: An Exciting Appointment (Part 1)，由Ricardo Xie编译。版权声明：本文为电子技术设计原创文章，版权所有，未经授权，请勿转载。END