不知不觉,和卫星电视结缘已经二十多年了。和早期众多的中国卫星电视发烧友一样,我们对卫星电视的认识,最早也是来自《电子报》的714MHZ前苏联卫星的文章介绍。但由于广州所处的纬度低,离原苏联“地平线”卫星的主波束距离远,信号弱,成功接收的例子不多。我们也没有动手制作714的接收系统。
第一次实际接触卫星电视接收系统,是在大约1986年底前往祝贺南宁电子爱好者联谊会成立时,在电子制作成果展上,展示了他们自制的714MHZ卫星接收系统。接收系统采用螺旋式接收天线,接收机好像也是自制的。当时接收的是前苏联卫星的“L”波段的节目,节目以SECAM制式播出。由于用黑白电视机收视,所以也无所谓彩色制式了。
其后通过一位会员的关系,我们有机会观摩了广州某教育学院的C波段中央电视教育节目接收系统,那是台湾生产的“H TO H”(水平至水平极轴活动天线)的3.7米直径网状天线,但由于天线固定接收印度洋上空66°E国际卫星,故实际并无安装极轴活动的部分。
真正有机会去手去“玩”卫星电视接收,是在1987年初?当时“珠三角地区”兴起一阵美其名曰:“远程电视接收”的热潮。而通常目的是接收香港电视的节目。由于距离远,信号弱,(直线距离约120公里,较易接收到的信号源位于香港屯门的青山转发站,ERP功率为100W,中途经过丘陵地带,部分是珠江江面。主发射站在慈云山,功率为10KW,但被北面的九龙坑山遮挡,香港电视全部采用UHF频段广播,绕射性能差),一般要用16单元八十天线阵或抛物面天线才可接收到较好的画面质量。我们会也曾主办“远程电视接收”研讨会进行技术探讨。后来在几个会员的建议、推动下,决定自制一个4米直径的抛物面天线,进行“远程电视接收”和卫星接收的试验。
为配合市面上常用的馈源规格,天线的焦径比取0.4。在确定了直径和焦距之后,我们自行编写了一个BASIC程序,用一部类似“中华学习机”的港产计算机“R1”计算出天线的直角坐标,然后交由负责制作的会员在地上放样、划线。再用手工把建筑用的钢筋,敲打了八条“肋骨”,加上几个圆环用电焊机焊在一起。最后铺上铁丝网,就成了一个四米的“大锅”。为方便运输,天线由两半组成,在接收现场用螺丝拼装。
在进行“远程电视接收”实验的天台,我们也烧焊了一个铁架,把天线挂上去以后,经过细心的调整角度,终于收到信号,但画面就不十分理想。当时参与制作的部分会员。除了自然的原因之外,另外的一个人为因素就是当时的一些天线系统工程公司为了“画地为牢”,会在自己的天线后方安装自制的“电视频道干扰器”,以防其他公司“侵占地盘”。“远程电视接收”的实验也算是完成了。“大锅”被卸下来了,接着就是它的“第二次旅程”——试收印度洋上空66°E国际卫星上的中央教育电视节目。
当时正值广州地区电子爱好者联谊会成立二周年前夕,一众会员便决定制作一个卫星电视接收系统,作为给大会的一个贺礼。更关键的是,远在广西玉林的梁威老师,答应借出当时算是“价值不菲”的高频头和卫星接收机,并提供技术支持。因此在当时,一部台湾产的卫星接收机也要过千元,在加上高频头等,是一般职工的一年多的薪金,要买来做一次实验是不现实的。
天线被送到会场附近的平台上,大家弄来一堆角铁,焊制了一个两米多高的支架,把“大锅”架了上去。稍微粗调了一下方位,也就算是“万事俱备,只欠东风”了。
直到周年大会前两天,梁威老师连同他的司机兼助手,真的是“千里迢迢,风尘仆仆”,专程从广西驾车把卫星接收设备送来。“下车伊始”连酒店还没来得及去,就和我们一道进行调试。调试还算顺利,收下来的影音信号比起地面广播的电视信号好多了。
不过由于固定的支架不那么结实,不时会有一些调频噪声,也即“飞针”印象中当时用的低噪声放大器(LNA Low Noise Amplifier),噪声温度起码在80°K以上。而下变频器(BDC)是外接的,而不像现在用的LNB(LNA+BDC-BLOCK DOWN CONVERTER)是一体化的。
接收机是全手动的,前面板上除一个电平表,就剩下几个旋钮,分别是频道选择、频率微调、音频载波频率、极化选择和极化调整。是同一时期的接收机。
在周年大会的当天,广东省科协副主席,电子学会广东分会等领导和《广州日报》的记者也到会场祝贺和采访。
1988年,本人回港定居,不久便受聘于香港的一家卫星电视工程公司。业余爱好成为了职业。本人在1989年为一个私人会所安装的一个9米网状天线,用于接收太平洋上空的180°E国际卫星。
除安装大厦和家居的卫星电视接收系统外,有时也会安装调试一些卫星视像会议、卫星新闻图片传送和卫星遥距教育的系统。而在工余时间仍有参与当地的无线电组织,并在九零年代初开设了有关卫星电视接收原理的讲座和课程。为增加学员和会员对微波传输原理的认识,我们组织了多个相关的实验。
其中较为有趣的是制作“多焦距平面天线”。该设计意念来自于范东平、杜之云老师的《卫星电视接收机原理与制作》一书。我们可以理解它是由多个焦距相差半个波长的抛物面天线组成,同一波长(频率)的电波经不同的抛物面的反射到同一个焦点上,由于每个反射面的电波来回差程刚好差一个波长,故各路信号均为同相迭加。也由于各个抛物面中心部份的面积重迭遮挡,故可切去。于是变成了一个约为半波长厚的平面天线。设计时需要注意天线的最大直径和最小焦距的比例应与选用的馈源相同,一般C波段的馈源的F/D约为0.4。但如能采用偏馈用的馈源,F/D会大一些,效率也会高些。
我们以4000MHZ为中心频率,设计了六组抛物线,中心焦距为0.72米,最外圈直径为1.8米。每组的焦距相差半个波长,然后按各组底线相切在同一平面上,然后以焦点为中心作数条射线,确定各环的外斜面。天线的剖面曲线也全部设计完成。并以此曲线制作一个金属刮板和一个四分之一的木模。然后用砂、石、水泥制作毛胚,用刮板修刮毛胚,再盖上一层水泥砂,用刮板小心修刮成形。最后在稍干的模胚上涂上一层水泥油(稀薄的纯水泥)。
由于制作只是实验性质,我们选用了报纸作骨料,用浆糊作粘合剂。制作时先在模胚上铺上一层锡纸(也即铝薄,可以烧烤或文具用品代用)再贴上三至四层的报纸,等干透之后就可以脱膜了。由于模胚只有四分之一的圆弧,故需制作四片反射板,再制作一个简易的支架,把四片反射面拼装固定,再做一个支架将馈源安装起来,便大功告成了。
实验是安排在该无线电会的元旦郊外旅行活动当天进行。实验中也没有甚么意外或惊喜,一切正常。与同直径的抛物面天线相比,效率当然会低一些。而这个报纸制作的卫星天线的寿命只连续了一个多星期,就由于浆糊“收水”,变形而“寿终正寝”了。
由于多焦距平面天线结构上各环间的连结部份不能聚焦,会使效率降低。另外,由于各层反射面的间距有波长的因素,也会使天线的频率特性变窄。
下面介绍两款原理相似的天线,供大家参考。其中的“环形薄膜天线”,应该是本杂志07年第11期《便携式卫星电视系统——DIRECTV SAT-GO》第49页两处“编者注”所提及的天线类型的原理。
环形薄膜天线可设计为透射式、反射式,亦可设计为正馈和偏馈的方式。为正馈透射式的天线原理,是正馈透射式的天线。天线由多个能阻挡电波穿透的圆形金属薄膜组成,电波可通过个环形金属薄膜之间的间隙投射到后面的接收组件——高频头。至于外围各圈电波的偏转,可以用折射或衍射以及波的干扰原理来理解,如要透切理解,恐怕要用量子原理了。
但简单一点,我们也可以这样理解各环间的“透明”部分让同相的电波穿透,而反相的电波则被金属薄膜遮挡。于是到达接收器的电波信号都是同相的。设计最重要的一点是各路平行电波的路径必须相差一个或整数倍的波长,也就是要保证各路信号同相迭加。正馈式的天线设计并不太困难,但偏馈的设计就需要有较好的立体几何根底了。
由于环形薄膜天线的效率较低,这样的设计,在C波段天线会很大,似乎实用价值不大。但如果我们设计一个KU波段的偏馈环形薄膜天线,挂在落地玻璃上,而在办公桌上放一高频头就可连接卫星接收机收视了。在环形薄膜天线前用个海报遮遮丑,或者说把环形薄膜天线贴在偶像的海报后面,那就天衣无缝了。即使用1.5*1.0米的天线取代了0.6米的天线,也是值得的。因为一般人只会留意到桌上的LNB。但须留意,很多写字楼带反光镀膜的落地玻璃是会阻挡电波的穿透的。
如有立体几何功底深厚的计算机程序员能编好程序,按现场的方向和仰角,用计算机计算好环形薄膜天线的形状,再用银色铝箔的不干胶纸裁剪好。拿到现场贴上即可。
环形薄膜天线也可设计为反射式的。计算得好,可以用两层反射,互相交错,以提高效率。但应注意两层反射面的电波路径应相差一个波长。和抛物面天线一样,通常焦距越长,效率就越高。但须考虑馈源的接收角度,也即焦径比。反射式同样也可以设计为正馈式和偏馈式的。
本来,我一直想做一个试试,起码做个“正馈透射”是不难的。但一则忙于“食”,二则共鸣的发烧友不多,一个人做似乎闷了点,故一直未动手。以上只是脑子里的“思想试验”或者说是“智力体操”而已。
但英国在十多年前,也曾经出产过一款类似的C波段平面天线,产品分四片和九片两种,每片约1M*1.1M*5CM。产品由多层厚约1CM的发泡胶制成,每层发泡胶贴有按设计形状作反射用的金属薄膜。其原理结构可以阐述为:“多层反射式偏馈平面天线”。需配偏馈式馈源,亦可以“一碟多星”。装在花架上还可以既可作装饰、遮阳之用,又可防止邻居“虎视眈眈”,或以“风水”,或以其他理由干预。
据悉香港的某卫星公司仍由少量存货。
其实以上的各种天线的原理,与范东平老师介绍的多焦距平面天线的原理是大同小异的,只是把连续的抛物面曲线离散为断续的平行反射面。而本文中关于环形薄膜天线的理解,只是我个人的理解,欢迎各行家共同交流研究,如有错误,敬请各位斧正。
以往,我也曾经设计过几个不同的天线的制作实验。其中一个是用弃置的CD光盘制作的KU波段的卫星接收天线。基本原理仍与多焦距平面天线一样,设计用了三十一只光盘作反射面,分四层环状按不同的倾角固定在一个平面上。设计时应按馈源的接收角来确定焦距。因为用于正馈天线和用于偏馈天线的馈源的接收角(也即焦径比:F/D)是不一样的。
其实,各位爱好者都可以发挥想象力,设计出形形色色的微波天线来,关键的是两点:一是聚焦;一是同相。至于其他效率、阻抗之类的指标,就不必太认真了,反正不是专业或商业产品。总比用个“铁锅”有建设性一点。
通过这些实验,可以增加学员对微波传输原理的认识,同时亦提升了他们的动手能力,实验也可消除大家对微波天线的神秘感。最后当然亦希望藉此增加参加“技术性”旅游活动的人数,增加协会的向心力。
随着光纤/同轴电缆分配系统和宽带数码视频系统的普及,卫星电视中不少的精彩节目已被收费电视商收购,以家庭为目标的卫星电视工程似乎已经渡过了它的火红的年代。