在业余圈子里,有一群这样的爱好者,他们利用手中的技能在业余时间开展对深空航天探测器的测控。

比如,James Miller G3RUH和Freddy de Guchtenire ON6UG在2005年11月UK Microwave Group微波会议上演示了一款8.4GHz下变频器。James和Freddy在接收这些深空探测器方面有着相当丰富的经验,在 Amsat-DL网站上有一页有用的信息。

上面的照片显示了爱好者James和Fredd,使用了一个自制的1米网状抛物面天线,一个现成的DB6NT 8.4GHz低噪声放大器和下变频器。在这张照片里,Freddy在“金星快车”发射刚开放波导后就直接收听到了信号。DB6NT DSN变频器在23cm波段提供IF输出。演示期间的信号在SSB音频带宽上是一致且可复制的,金星快车比火星侦察轨道卫星的信号强得多,后者也在前往其目的地的途中。在1米的抛物面天线上使用的馈源是一个带有隔膜板的双圆形极化波导。图中所示的DB6NT LNA有一个波导输入,并与相关端口耦合,以实现从轨道卫星接收RHCP信号。

业余爱好者经常在二手市场上淘一些重要的部件,来制作一个8.4GHz的下变频器。

下变频器很快就制作出来,它由前端的Marconi Ku波段低噪声放大器,一个混频器,一个Ferranti‘砖状’振荡器和一对用于中频放大器的集成电路组成。最初的设计没有使用任何镜频滤波。下变频器中的振荡器工作在8GH频率上,由GPS锁定源/频率合成器提供80MHz的参考信号,保证了频率精确性和高稳定性。

当时的接收频率(2005年05月12日15:30 UTC)为8419.0010MHz。利用JPL horizons网站计算航天器的方位角和仰角,然后利用X波段通信卫星作为参考,计算出准确的方位角和仰角。

下面的频谱图清楚地显示,随着地球和金星快车探测器相对位置/运动的变化,载波在频率上漂移。FFT图像是用RFSpace SDR14捕获的。FFT是在5KHz频宽内进行的。使用SDR的好处在于,你的实际接收机不必在频率点上,但你仍然可以在FFT显示中看到信号,并在天线上达到峰值等。当所有的东西都调校完成时,就可以调整接收机收听载波。

增加了8.4GHz带通滤波器后的结果

下面的两张图片显示了用G3JVL滤波器软件设计的带通滤波器。它是在WG16中内置的2腔滤波器。一旦滤波器完成粗调,在8420MHz的频率上就有0.5dB的损耗,带宽约为50MHz。右边的图显示了滤波器的扫描-可以清楚地看到峰值。对7580MHz镜像频率的检测表明,该滤波器具有超过50dB的抑制比,这将解决镜频噪声问题,改善接收信号。

上述波导滤波器可以对接收信号形成了大约4~5dB的改善,这可能是由于镜频噪声的消除所致。下面的两幅图像显示了加了滤波器的下变频器,以及接收信号的改进。今天,探测器距离我们更远了,有417万英里。

下图是用于将8.4GHz信号转换成合适的IF的下变频器的框图,在这种情况下,IF在400MHz左右。

LNA修改细节

LNA是通过修改Marconi Ku波段LNB制成的。基本的修改包括切断DRO、IF放大器、11GHz滤波器和混频器组件,去除每个GaAsFET周围的调谐标签,用一个更适合于8GHz的组件替换波导/天线组件。对于新的波导,我使用了28毫米铜管耦合器焊接在一起。LNA是在微弱信号上进行调整的,其方法是在有源器件周围试着增加些调谐焊盘,同时在接收机或频谱分析器上监测输出。下图中的红色圆圈表示需要进行修改的地方,可以通过添加调谐焊盘或删除导线等方法修改。

下图是一些带有去极化螺丝的LHC喇叭状馈源的特写,以及安装在1.5m抛物面天线馈电臂上的喇叭馈源。

在对LNA做了一些进一步的工作之后,从Bertrand Pinel(F5PL)的设计中增加了一个新的馈源,该设计使用了两套用于去极化的螺丝,并用MGF4918D取代了LNA的前端GaasFet,性能的改善令人震惊。GaasFet的规格为0.6dB NF@12 GHz,相关增益为10 dB。信号比上述例子高出3~4dB。

来自MRO的第一个信号!

火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter,MRO)于2005年8月12日从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。在第一次信号接收时,单程光信号的时间是4.045806分钟,轨道飞行器离地球45151194英里。一旦MRO到达火星,它将绕其轨道运行,拍摄照片并进行其他科学实验。MRO在8439.444444MHz频率上的DSN 32信道上传输,到达地球的时候,由于多普勒效应,频率降到了8439.031MHz左右。MRO有一个直径3米的抛物面天线,由100W的行波管驱动将信号传送到地球,这意味着向我们方向的信号是4.2兆瓦的RF。

使用与金星快车相同的接收系统,首先计算多普勒,然后调谐接收机——根据JPL地平仪网站生成的方位/仰角调谐天线。下面的图片显示了MRO接收设置,火星和月亮在天线上方可见。

信号在SDR-14的FFT显示器中清晰可见,并且仅在通信接收机的SSB带宽中可听到。信号始终在本底噪声以上约6至8分贝。下面的FFT图像是在以10.7MHz为中心的2kHz带宽内拍摄的,这是所使用的接收机的IF。所有振荡器都锁定在GPS上。

集成X波段转换器的框图和照片如下所示。方框图上红色方框中的所有项目都位于室外单元中。

2006年2月26日,用FRARS 3.7m天线在X波段DSN上进行了测试。