Bài giảng Hệ thống thông tin vệ tinh

1HỆ THỐNG THÔNG TIN 
VỆ TINH
B
 môn Thông tin vô tuyn 
ðại học công nghệ - ðHQG HN 
Giảng viên Thẩm ðức Phương
Tel. 0903 229 117
E- Mail: phuongthamduc@yahoo.com
1. Phương thức phủ sóng của vệ tinh: Phủ sóng 
rộng, theo khu vực, dạng ñặc biệt, phủ sóng 
ñốm và nhiều ñốm, theo cực hoá
2. Vùng phủ sóng của anten vệ tinh 
3. ðặc ñiểm của anten TTVT: Anten trên trạm 
VT, anten trạm mặt ñất 
4. Các loại anten thường ñược dùng trên trạm 
vệ tinh (phân loại theo hình thức phủ sóng) 
5. Anten của tram vệ tinh mặt ñất 
6. Kỹ thuật dùng chung anten cho thu và phát
Chương 6 – Aten cho TTVT 
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
2Anten
Anten có nhiệm vụ phát tín hiệu cao tần (RF) từ trạm mặt
ñất lên vệ tinh và thu tín hiệu cao tần từ vệ tinh (hoặc 
ngược lại). Nó ñược thiết kế sao cho giảm thiểu nhất can 
nhiễu cao tần lẫn nhau (RFI), bằng cách sử dụng các mặt
phản xạ hội tụ tín hiệu RF. Bộ tiếp nhận sóng - loa chiếu 
xạ (feed horn) của anten ñược dùng ñể tách các phân
cực ñơn ñể thu hoặc phát tín hiệu. ðể tách ra các phân
cực ñơn, anten và bộ tiếp nhận sóng phải ñược sắp ñặt
thích hợp với anten của vệ tinh (phù hợp về phân cực)
Phương thức phủ sóng của vệ tinh
Miền phủ sóng của vệ tinh là một vùng có hình dạng bất kỳ
nằm trong giới hạn búp sóng ñến từ vệ tinh, nói cách khác là
giao của búp sóng với bề mặt trái ñất. Trong khi ñó miền phục 
vụ là miền mà tại ñó thỏa mãn ñiều kiện về cường ñộ trường 
ở tần số và cực hóa ñã ñịnh. ðồng thời cũng phải ñảm bảo 
công suất bức xạ ra ngoài miền phục vụ phải thật nhỏ ñể
không gây nhiễu tới các hệ thông tin khác và tiết kiệm công 
suất phát. Vệ tinh có thể phủ sóng theo nhiều phương thức 
như sau:
+ Phủ sóng rộng (phủ sóng toàn cầu):
Trong trường hợp này, bề rộng
búp sóng bằng góc nhìn của vệ tinh 
ñịa tĩnh (17,50). Với phương thức này 
thường sử dụng anten loa.
Phương thức phủ sóng của vệ tinh
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
3Phủ sóng khu vực:
• Miền phủ sóng giới hạn trong một khu vực nhỏ hơn so 
với trường hợp trên. Miền phủ sóng của anten giới hạn 
trong phần bề mặt trái ñất nhìn thấy từ vệ tinh, vì búp 
sóng thu hẹp lại nên ñộ mở phải tăng lên, nên trên vệ 
tinh thường sử dụng anten mặt phản xạ.
Phương thức phủ sóng của vệ tinh
Phủ sóng dạng ñặc biệt:
Miền phủ sóng ñược ñịnh dạng sao cho trùng khớp với khu vực 
phục vụ . Việc khống chế miền bức xạ của anten (giản ñồ ñịnh 
hướng) có thể ñược thực hiện bằng cách ñịnh dạng mặt phản xạ, 
dùng nhiều loa chiếu xạ hay dùng anten mạng pha:
 ðịnh dạng mặt phản xạ:
Việc ñịnh dạng mặt phản xạ làm thay ñổi tiết diện búp sóng (mặt 
phản xạ hình elip se rạo ra búp sóng hình elip ), tuy nhiên việc 
khống chế các múi phụ làm cho phương pháp này trở nên phức 
tạp. Nhờ thay ñổi mặt phản xạ có thể cho phép tạo ra miền phủ
sóng với hình dạng tùy ý, nhưng vấn ñề tổng hợp ñể có ñược mặt 
phản xạ mong muốn là khó.
Sử dụng cách này thì hình dạng miền phủ sóng tồn tại trong suôt 
thời gian tồn tại của vệ tinh, hay ít ra là cho ñến khi ñược thay thế.
Phương thức phủ sóng của vệ tinh
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
4DdB
λθ 703 =
Phương thức phủ sóng của vệ tinh
1
1 70 D
λθ =
2
2 70 D
λθ =
21
21
2 48360
θθ
η
λ
piη =





= DDG
44
22 DSGA aaHD
piηη
pi
λ
===
D1
D2
Loa chiếu 
xạ 
Mặt phản 
xạ
θ1
θ2
DdB
λθ 703 =
Phương thức phủ sóng của vệ tinh
Gmax=20dB ở 4GHz ta có D∼ 0,3m, vì thế dùng anten loa 
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
5Bài tập
Tính ñường kính của anten vệ tinh trong trường hợp phủ
sóng toàn cầu, từ ñó chỉ ra nên dùng loại anten nào. Tần 
số làm việc là 4GHz
Giải: Phủ sóng rộng (phủ sóng toàn cầu):
 Trong trường hợp này, bề rộng búp sóng bằng góc nhìn 
của vệ tinh ñịa tĩnh (17,50). 
DdB
λθ 703 = ( )2/ λpiη DGa =
Gmax=20dB ở 4GHz ta có D∼ 0,3m, vì thế dùng anten loa 
Bài tập: Chọn loại anten ñể tạo ra búp sóng ñốm có ñộ rộng 
là 10 ở tần số 6GHz. Tính hệ số khuếch ñại của anten.
Sử dụng nhiều loa chiếu xạ cho cùng một mặt phản xạ
Có thể bố trí nhiều loa chiếu xạ gần tiêu ñiểm của mặt 
phản xạ. Việc tổ hợp các búp sóng riêng sẽ tạo ra miền 
phủ sóng với hình dạng tùy ý.
Khi vệ tinh ñang ở trên quỹ ñạo vẫn có thể thay ñổi hình 
dạng miền phủ sóng cho phù hợp với sự thay ñổi về nhu 
cầu thông tin hay sự thay ñổi vị trí của vệ tinh.
Phương thức phủ sóng của vệ tinh
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
6Anten t¨ng Ých cao nhiÒu bóp sãng
• Anten nhiÒu bóp sãng (MBA) ®−îc thiÕt kÕ cho c¸c hÖ vÖ
tinh ë d¶i tÇn Ka, t¹o ra nh÷ng bóp sãng hÑp mang dung 
l−îng lín, vµ miÒn phñ sãng linh ho¹t. 
• MBA gåm nh÷ng bóp sãng ®èm t¨ng Ých cao, dïng c«ng 
nghÖ “®èm nh¶y” cã thÓ phñ sãng quèc gia, khu vùc, hay 
toµn cÇu. MiÒn phñ sãng ®−îc l¸t b»ng nh÷ng ®èm nhá
dïng c«ng nghÖ t¸i sö dông tÇn sè ®Ó n©ng cao dung 
l−îng hÖ thèng. MBA Ýt bóp sãng phô, ®é c¸ch ly ph©n 
cùc chÐo cao, vµ cã tÝnh linh ho¹t cao vÒ miÒn phñ sãng 
• VÖ tinh dïng MBA cßn cã −u ®iÓm lµ dung l−îng kªnh 
lín h¬n, vµ cã kh¶ n¨ng thÝch øng víi sù thay ®æi cÊu h×nh 
sö dông cña m¹ng ngay trªn vÖ tinh
Sử dụng anten mạng pha:
Các thành phần cơ bản của mạng anten là các loa chiếu 
xạ, các bộ chia công suất và quay pha, ñược kết hợp 
với nhau ñể tạo thành giản ñồ ñịnh hướng của anten.
 ðể tạo thành giản ñồ ñịnh hướng cố ñịnh thì sử dụng 
các bộ chia công suất và quay pha cố ñịnh. ðể tạo thành 
giản ñồ ñịnh hướng với dạng có thể thay ñổi ñược thì
phải sử dụng các bộ chia công suất và quay pha có thể 
thay ñổi ñược.
Phương thức phủ sóng của vệ tinh
Original feed network
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
732 X 32 Element X/Ku-band Array
Antenna Test
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
8Phủ sóng ñốm
 ðể tạo ra những búp sóng rời nhau với cùng một anten bằng 
cách ñặt số lượng loa chiếu xạ tương ứng với kề tiêu ñiểm 
của mặt phản xạ.
Mỗi loa chiếu xạ cung cấp tín hiệu từ những máy phát khác 
nhau, các búp sóng sẽ chiếu ñến những nơi khác nhau trên 
mặt ñất tùy theo vị trí của loa chiếu xạ. Nếu khoảng cách giữa 
các búp sóng ñủ lớn có thể sử dụng lại tần số. Ngoài ra có thể 
tăng thêm ñộ cách ly bằng cách sử dụng cực hóa trực giao 
với nhau.
Phủ sóng theo cực hóa:
Dựa theo ñăc tính phân cực cũng có thể chia vùng phủ sóng 
theo cực hóa.
Phủ sóng ñốm
• Bóp sãng ®èm tËp trung n¨ng l−îng vµo mét chïm bøc x¹
rÊt hÑp, do ®ã miÒn chiÕu x¹ trªn mÆt ®Êt chØ lµ mét ®èm 
nhá, nh−ng mËt ®é n¨ng l−îng tíi lín, chØ cÇn anten nhá ë
tr¹m mÆt ®Êt. §Ó ®¹t ®−îc diÖn tÝch bao phñ cña mét anten 
th«ng th−êng, cÇn cã nhiÒu “®èm”. §iÒu ®ã thùc hiÖn b»ng 
c¸ch ®iÒu khiÓn cho bóp sãng ®èm quÐt trong vïng cÇn phñ
sãng, hay lµ dïng anten cã nhiÒu bóp sãng ®èm cè ®Þnh.
• Trong vÖ tinh ACTS (Advanced Communications 
Technology Satellite) NASA dïng c«ng nghÖ “®èm nh¶y”
cho nªn gi¶m ®−îc sè bóp sãng ®èm cÇn thiÕt. Bóp sãng 
lia liªn tôc trong miÒn phñ sãng, cã t¸c dông t−¬ng ®−¬ng 
nhiÒu bóp sãng vµ mçi tr¹m mÆt ®Êt tù biÕt ®Ó truyÒn tÝn 
hiÖu lªn vÖ tinh khi bóp sãng räi ®Õn nã. C¸ch lµm nµy 
còng t¨ng kh¶ n¨ng chèng “nhiÔu tÝch cùc” cña hÖ thèng
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
9Bóp sãng ®èm
Bao phñ b»ng anten khu vùc, hoÆc anten nhiÒu “®èm”
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
10
C¸c lo¹i bóp sãng (®èm, khu vùc, toµn ch©u lôc)
Spot
Sù t¸i sö dông tÇn sè
Vùng phủ sóng của anten thông tin vệ tinh
• Miền phủ sóng là miền trong ñường biên mà tăng ích giảm 
3 dB.
• Chức năng của anten thông tin vệ tinh là tập trung công 
suất phát trong một góc không gian nhất ñịnh (anten phát) 
hay thu tín hiệu từ một vùng phủ sóng nhất ñịnh (anten thu)
• Một số thông số của anten gần lưu ý: tăng ích anten, ñộ mở
(aperature) anten, giản ñồ ñịnh hướng của anten.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
11
ðặc ñiểm của anten thông tin vệ tinh
Anten trên trạm vệ tinh
 ðiều ñầu tiên cần xét tới là môi trường, việc ñặt trên không gian 
làm cho anten phải thích nghi ñược với sự thay ñổi của nhiệt 
ñộ. Nhiệt ñột thay ñổi giữa ngày và ñêm có thể khiến cho kích 
thước anten thay ñổi. Do ñó vật liệu sử dụng cần phải tính toán 
rất kỹ.
Mặc dù với anten vệ tinh thì nói chung búp sóng không cần 
phải hẹp nhưng tăng ích và hướng tính của anten cần phải ñáp 
ứng ñược các yêu cầu của vệ tinh. Hầu hết các vệ tinh ñịa tĩnh 
ñều sử dụng các anten có tăng ích và hướng tính cao ñể chống 
lại suy hao do khoảng cách. Tuy nhiên do các vệ tinh này 
thường phủ sóng một khu vực cố ñịnh, và vị trí của nó ít thay 
ñổi do ñó ñây không phải là vấn ñề lớn. Nhưng cần lưu ý duy 
trì ñúng tư thế của vệ tinh và anten ñể duy trì ñúng hướng. 
Các anten có ñặc ñiểm là nhẹ gọn, nhỏ và dễ lắp ráp, nó 
thường có kích thước khoảng từ 2-3 mét.
Anten trên trạm vệ tinh
Với các vệ tinh quỹ ñạo thấp, thường sử dụng các anten có 
hướng tính thấp hơn. Tín hiệu thường ñược truyền và nhận với 
một góc rộng hơn, và thay ñổi khi vệ tinh di chuyển. Do ñó các 
vệ tinh này thường hiếm khi sử dụng anten phản xạ parabol.
ðặc ñiểm của anten thông tin vệ tinh
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
12
Anten trạm mặt ñất
Anten trạm mặt ñất sử dụng ñể truyền và thu tín hiệu từ vệ tinh thì 
thay ñổi tùy theo ứng dụng. Các anten phản xạ parabol thường 
ñược sử dụng, tuy nhiên ñôi khi cũng có thể sử dụng anten Yagi.
Kích thước của anten có thể thay ñổi ñáng kể. Các anten parabol 
sử dụng ñể thu truyền hình vệ tinh có kích thước rất nhỏ. Tuy 
nhiên những anten sử dụng cho các mục ñích chuyên nghiệp có
kích thước rất lớn, có thể lên tới hàng chục mét.
Anten cho thông tin vệ tinh cần phải ñược lựa chọn rất cẩn thận 
ñể ñáp ứng ñược những nhu cầu cụ thể. Có thể tính toán các 
thông số cho anten, dựa theo tổn hao trên ñường truyền, tỷ số
S/N, mức công suất phát, ñộ nhạy máy thu... Một anten nhỏ kích 
thước 70 cm có thể sử dụng ñể thu trực tiếp tín hiệu truyền hình 
từ vệ tinh nhưng không thể dùng ñể truyền các chương trình lên 
vệ tinh bởi vì cần có mức tín hiệu cao hơn ñể có thể ñảm bảo có
thể truyền về trái ñất chất lượng hình ảnh tốt.
ðặc ñiểm của anten thông tin vệ tinh
Anten trạm mặt ñất
ðặc ñiểm của anten thông tin vệ tinh
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
13
Các loại anten ñược dùng trên trạm vệ tinh
Các loại anten ñược dùng trên trạm vệ tinh
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
14
Các loại anten ñược dùng trên trạm vệ tinh
Có 4 loại anten thường ñược sử dụng trên trạm vệ tinh ñó là
dipole tuyến tính (anten dây), anten loa, anten dàn và anten 
mặt phản xạ. Anten dây thường ñược sử dụng ở dải VHF, 
UHF cho thông tin của hệ thống TT&C. Loại anten này cung 
cấp vùng phủ sóng theo mọi hướng sử dụng chính lúc phóng 
vệ tinh và ñưa vào quỹ ñạo, khi mà các anten chính chưa mở
ra hoặc chưa sử dụng ñược.
Các loại anten ñược dùng trên trạm vệ tinh
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
15
Anten loa ñược sử dụng ở tần số siêu cao khi cần có búp sóng rộng, 
ñể phủ sóng toàn cầu và khu vực. Loa là phần loe ra của ống dẫn 
sóng cho nên có dải tần rộng và phối hợp trở kháng tốt với không 
gian tự do. Loa cũng có thể dùng ñể chiếu xạ cho mặt phản xạ ñơn 
hoặc kép. Loa và mặt phản xạ là những ví dụ của anten có ñộ mở
phát sóng vào không gian tự do từ ống dẫn sóng. Tuy nhiên với 
anten loa thì khó có thể ñạt ñược tăng ích lớn hơn 23 dB hoặc ñộ
rộng chùm hẹp hơn 100. Khi ñó phải sử dụng anten mặt phản xạ
hoặc anten dàn.
 ðể cung cấp ñộ mở lớn hơn so với anten loa và anten mặt PX, cần 
phải tạo ra mặt sóng phẳng ở mặt phản xạ. Hình dạng thường dùng 
của mặt PX là anten parabol (thực chất là một anten loa nhỏ ñặt ở 
tiêu ñiểm của mặt PX parabol. ðây cũng là loại anten thông dụng 
nhất của trạm mặt ñất cũng như của trạm vệ tinh. Các anten này có
thể dùng ñể tạo ra các ñốm hoặc phủ sóng các phần trái ñất. Sử
dụng nhiều bộ chiếu xạ loa có thể phủ sóng những khu vực cụ thể.
Các loại anten ñược dùng trên trạm vệ tinh
Một số loại anten
ðặc ñiểm của anten thông tin vệ tinh
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
16
Anten d¹ng l−íi d¨ng réng
• Anten trªn vÖ tinh thÕ hÖ míi dïng nh÷ng bé
ph¶n x¹ nhÑ ë d¹ng l−íi d¨ng réng cã ®−êng 
kÝnh 6 ~ 30 m, miÒn phôc vô ®Þnh d¹ng hay 
gåm nhiÒu bóp sãng ®èm, ®¶m b¶o phñ sãng 
chÊt l−îng cao c¶ mét khu vùc hay toµn cÇu ë
c¸c d¶i tÇn C vµ Ku. 
• ChÊt l−îng anten ®−îc c¶i thiÖn b»ng c¸ch san 
®Òu c−êng ®é tr−êng trong miÒn phôc vô, cho 
gi¶m t¨ng Ých ë ®−êng biªn (c¶i thiÖn 60-
100% vÒ h−íng tÝnh ®Þnh d¹ng so víi anten cã 
mÆt ph¶n x¹ thÓ r¾n), vµ c¾t hÕt bóp sãng phô. 
CÊu tróc cña anten d¹ng l−íi d¨ng réng
• MÆt ph¶n x¹ ®Þnh d¹ng bóp sãng lµ mét cÆp mÆt cong 
ë thÓ l−íi c¨ng trªn hai vµnh tang trèng cña mét khung 
lµm b»ng ªp«xy graphit d¨ng réng ®−îc, mçi mÆt cong 
®−îc thiÕt kÕ theo mét d¹ng s¬ ®å ph−¬ng h−íng ®b
cho. CÊu tróc h×nh trèng nµy nhÑ, hiÖu suÊt bøc x¹ cao, 
®é æn ®Þnh nhiÖt vÒ kÝch th−íc cao, vµ tû sè “®é cøng 
ch¾c/ träng l−îng” cao.
• VÖ tinh Thuraya (d¶i tÇn L) sö dông mÆt l−íi ph¶n x¹
h×nh parab«l cã φ = 12.25m; VÖ tinh INMARSAT 4 
còng dïng mÆt l−íi ph¶n x¹ φ = 9m cho d¶i tÇn L.
• Trªn c¬ së tèi −u ho¸ c¸c anten ë d¶i tÇn L, ng−êi ta 
thiÕt kÕ anten trªn vÖ tinh ë c¸c d¶i C vµ Ku
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
17
Anten d¹ng l−íi d¨ng réng
Kỹ thuật dùng chung anten cho thu và phát
 Thông thường, muốn thực hiện ñược cả 2 chức năng thu 
và phát thì phải có 2 anten. ðiều này sẽ gây ra tốn kém và
sẽ làm cho kích thước trọng lượng tăng lên. Tuy nhiên 
chúng ta có thể sử dụng một thiết bị gọi là Duplexer ñể sử
dụng chung một anten cho cả thu và phát. Duplexer có thể 
xem như một switch thu-phát. Duplexer cần phải thực hiện 
ñược các chức năng chính sau: kết nối anten với phần phát 
trong suốt quá trình truyền (và ngắt kết nối với phần thu), 
kết nối anten với phần thu trong suốt quá trình nhận (và
ngắt kết nối với phần truyền), và luôn luôn cách ly phần thu 
với phần phát.
Có 3 loại multiplexer thường ñược sử dụng 
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
18
Duplexer phân nhánh
 Ưu ñiểm chính là loại này ñơn giản, nhỏ gọn và giá
thành thấp. Nhược ñiểm chính là băng thông hẹp (5%)
Kỹ thuật dùng chung anten cho thu và phát
Duplexer cân bằng
Loại này có ưu ñiểm về khả năng làm chủ ñược công 
suất và băng thông. Nhược ñiểm chính là kích thước
Kỹ thuật dùng chung anten cho thu và phát
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
19
Circulator Ferrite
Là loại thông dụng nhất, thường ñược sử dụng trong các hệ
thống mới. Như tên gọi của nó, thiết bị này có khả năng luân 
chuyển công suất từ cổng này sang cổng khác cho phép sử
dụng nó như một duplexer. Tuy nhiên do công suất phát có
thể truyền ngược trở lại phần phát cho nên thường cấu trúc 
như circulator có 4 cổng. ðiều này có thể thực hiện bằng 
cách dùng 2 circulator 3 cổng hoặc circulator dịch pha vi sai, 
vốn có 4 cổng (thường dùng).
Kỹ thuật dùng chung anten cho thu và phát
Circulator Ferrite 
 Trong trường hợp này, cần có một thiết bị bảo vệ phần 
thu bởi vì tùy theo băng thông và thiết kế, circulator 
thường chỉ có khả năng cách ly giữa phần thu và phần 
phát khoảng 10 ñến 20 dB. Giá trị này chỉ chấp nhận 
ñược với một số hệ thống công suất rất thấp. DO ñó
phải có thêm một bộ bảo vệ
Giống như loại cân bằng, loại circulators ferrite có băng 
thông rộng và chúng ñang ñược thu gọn dần. Nói chung 
loại này cho sự cân bằng nhất giữa các yếu tố: kích 
thước, giá thành, và các ñặc tính khác
Kỹ thuật dùng chung anten cho thu và phát
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 
20
Kỹ thuật dùng chung anten cho thu và phát
KoDSat’s Ground Contact Analysis (6/7)
Satellite Attitude
- Before contact region, 
the satellite points its S-
band antenna to Nadir 
direction.
- Back to the Sun 
pointing after the 
contact region
Result
- Nice contact region.
- Degraded KoDSat 
power balancing
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -