月面反射通信——远比你想象的简单


——科技的进步使得50MHz以上频率月面反射通信触手可及

作者:Paul Wade,呼号是W1GHZ

翻译:LifeWieller

本文已发表于《电子制作》2014年4月刊

 

月面反射(地球-月球-地球)通信,简称EME,是每个远程无线电通信爱好者的终极梦想——想象一下每次通信需要经过400,000英里!直到不久以前,月面反射通信还仅限于拥有大功率电台和巨大天线的爱好者之间。对于普通爱好者来说,仅有的几次机会来自于阿雷西博天文台之类的机构利用商业级抛物面天线提供的通信实验。

最近的几年,两个因素使得月面反射通信得以在VHF及更高频段普及。其一是超低噪声前置放大器,其噪声系数可低于0.5dB(35K),因此可接收到比之前更微弱的信号。在微波频段,月面反射通信的背景噪声可低至3K,因此接收机的噪声系数直接限制了微弱信号的接受。

其二是数字技术的快速发展,特别是由Joe Taylo(呼号K1JT)编写的WSJT软件的出现。WSJT软件使用数字信号处理技术和纠错技术以减小占用带宽,并使得通信可在低于噪声电平的超出听觉范围的音频频率进行。相比CW模式可在灵敏度方面获得高达20dB的提升。训练有素的EME操作员可藉此分辨出极微弱的莫尔斯码。

对于小信号来说,每3dB灵敏度的提升意味着发射功率或天线增益可以减小一半。因此,低噪声前置放大器和数字技术的发展使得月面反射通信可以利用普通电台进行。在2m波段,仅需一根多单元八木天线和普通功放即可尝试月面反射通信。当月亮升起或落下时即可将天线朝向地平线方向尝试通信。较小的仰角可增加能够用于通信的时间,最长可达每天12小时。由于设备和操作较为简单,2米波段月面反射通信迅速得到普及。仅2012年就有超过800台电台进行过通信,其中一些甚至获得DXCC奖状。

对于微波月面反射通信,1296MHz是最常用,并且也是最容易进行的频率。一个8英尺的抛物面天线,例如老式电视接收天线[大型C波段(4-8GHz)天线,用于早期模拟卫星电视系统——编者注],和100W左右的发射功率就足够了。前置放大器与馈源之间距离必须尽可能短。馈线损耗会直接增加噪声系数,从而使信噪比急剧下降。对于较大功率的电台,稍小的天线也可能实现月面反射通信。

那么更高频率的微波波段怎么样呢?同样大小的抛物面天线也够用,但是想要获得足够的发射功率会很困难。更大的困难来自于如何把天线对准月球——对于给定的天线,波束宽度随着频率升高而减小,因此跟踪月球变得困难。在10GHz频率,8英尺的抛物面天线其3dB波束宽度约为1度。那么,指向精度要求小于0.5度。除此之外,对于如此高的频率,抛物面精度也是很重要的一个因素。绝大多数电视接收天线设计工作频率为4GHz,其抛物面精度不足以应对10GHz频率。

 

我能做到么?

月面反射通信可能不是那么容易,但是也并不需要顶级电台。你所需要的仅仅是一点创意。

有些高端的通信方式确实需要顶级的设备。在www.HB9Q.ch你能了解到所需的设备——现代化的卫星地面站。另一个例子是,从2012年月面反射通信讨论会回来之后,我也尝试利用月球反射进行通信。

电视接收抛物面天线可以很容易得到。其代价通常仅仅是帮邻居拆掉那个“又大又丑”的天线。我曾经帮助我的的邻居,Chip Taylor,(呼号是W1AIM),安装过一个16英尺的抛物面天线。那是他几年前从一个拖车的主人那里得到的。在他修好天线之后,我帮助他成功参加了2012年ARRL月面反射通信比赛。

这种天线原本用于临时卫星通信,因此没有追踪卫星的能力。Chip尝试为其增加卫星追踪功能,但没有完成。因此只能采用人工旋转天线方式[armstrong rotation指的是用你的胳膊旋转天线——编者注]。如图1所示,通过天线下方的长杆,操作员可以比较容易的转动天线。更进一步地,Chip尝试使用电视接收天线旋转器以调整天线仰角。虽然转得很慢,但还是能成功跟踪月球。之后我们又在VE4MA的天线设计上又增加了一个馈源。

我们的设备仅仅是我的一台1296MHz的收发机和60W功放。在馈源入口处安装了由AD6IW设计的前置放大器,并通过继电器进行收发切换。见图1。我们利用此套设备进行了太阳噪声测试,同时将数值代入由VK3UM编写的EME Calculator[参见Micorwavelengths,P. Wade, W1GHZ, “Microwavelenghts”, QST, July 2013, pp 57-58]。测试值和软件计算数值非常接近。到目前为止这套设备表现良好。然后我们通过跟踪太阳,对天线指向方位角进行了标定。为了能更精确的确定角度,我们在天线底座框架上用扎带标出了刻度。

现在一切准别就绪,只等月亮升起,然后寻找位于1296.000MHz频点的ON0EME信标(www.ON0EME.org)。什么都没有!多数微波月面反射通信发射采用右旋圆极化,接收使用左旋圆极化(月面反射回改变极化方向)。因此可能是我们设定了错误的极化方向[P. Wade, W1GHZ, “Microwavelenghts”, QST, July 2013, pp 98-99]。调整馈源极化方向之后,扬声器中传来了CW信标的声音。

ARRL月面反射通习比赛是在10月下旬,几天之后的周末。通常,天气会变冷。我们把收发设备安装在一辆推车上,并放置在天线旁边(图2),这样就不需要额外的高频连接线。我们呆在Chip的小屋里。小屋里仅有的暖气并不够用,特别是需要每几分钟就出去移动一下天线的时候。图3是整套设备——FT817电台进行中频解调,一个连接FUNcube接收器(www.funcubedongle.com)的电脑作为频谱瀑布流显示。图中前面的电脑提供手动追踪月球需要的参数。简单起见,我们只在CW模式下通信。

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整个周末月面反射信号衰减非常大,同时由于天线旋转器只能在有限范围内旋转,限制了月球通信窗口。我们一直等待直到月球升起。当月球出现在我们视野中时,我们便看到一串信号。在图4的频谱瀑布流显示中,最左侧的便是提供频率参考的ON0EME信标。

2

比赛的最终目的是寻找在呼叫的电台,并与之取得联系。通常的步骤是零拍回复呼叫的电台,注意修正多普勒频偏。多普勒频偏是可以计算出来的。在能够精确测量频率的情况下,多普勒频偏是很容易修正的。鉴于我们简陋的设备及低温对电台本振频率的影响,替代方法是寻找频谱中的反射波,并将频率调节至零拍。同时,需要有人旋转天线以保持天线指向月球。最终,我们成功和拥有良好条件的NandoPellegrini(呼号是I1NDP)取得联系。不幸的是,我们没能在月球通信窗口之内通联到更多的电台。

接下来的一个晚上更加寒冷。由于寒冷,天线旋转器彻底罢工了。Chip用丙烷炉加热,最终让它恢复工作。这次时间只够进行一次通联。这次我们通联到的是Dominique Faessler(呼号是HB9BBD),另一个具有良好条件的爱好者。虽然时间紧迫,我们还是与2位火腿取得了联系。时间还剩下一周。

在接下来的一周里,我们又进行了几次通连,以提高通联水平。同时我们对天线旋转器进行了一些改进以增加月球通信窗口时长。

十一月底的佛蒙特天气已经变得很冷。通联比赛第一天晚上已经难以在室外进行操作。第二天晚上天气稍微好些,于是我们依靠丙烷炉取暖开始工作。

开始工作前我们不得不先把天线上的雪铲掉,并加热天线旋转器[图5]。即便如此,我们仍然成功收到至少五个电台的QRZ[即“谁在呼叫我”,用于在嘈杂电磁环境中确认呼叫者——编者注]。一个问题来自于月球平动——由于月球和地球的转动和月面不平整引起的信号快速衰减。我们能收到大功率电台的CW信号,但他们却收不到我们的。虽然使用数字收发模式会有帮助,可是那样会增加系统复杂性——这不是我们想要的。

3

最终我们成功完成了月面反射通信。对系统的升级也在进行中。重要的是,这很有趣,同时也比单纯的理论研究能够学到更多。有了这次通连基础,下一次肯定会做的更好。每一次新的尝试都是一次学习过程。通过理论和时间的结合,你会学到更多。我推荐ARRL手册[可从ARRL经销商或ARRL商店获得,ARRL订购号4197,或者拨打免费电话888-277-5289/860-594-0355,传真860-594-0303,网址www.arrl.org/shop,邮箱pubsales@arrl.org]中月面反射通信章节,作者是K1JT。然后,至少尝试一下——不管是什么新的东西。

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