或者，我们需要一副圆极化天线吗？
作者：Adam-9A4QV
翻译：焦耳欧姆
译者按：本文主要介绍了接收气象卫星信号的基本原理，适用的天线种类对比，以及实际操作中选择合适的天线种类——本文的主题——V型偶极天线。在文章尾部介绍了这种天线如何制作，并附上作者的测试结果。无论从理论上，还是实际操作层面，都是不错的文章。 想看天线制作的，直接跳到文章后面部分即可。本文系UP主纯手工翻译，来之不易，希望可以对大家有所帮助，英文原文连接附在文章末尾。
我们在守听什么？
当前，总共有三颗可用的正在发射LRPT格式APT气象图像的NOAA卫星。他们的运行频率范围从137MHz到138MHz。这些卫星正在以下频率发射右手圆极化（RHCP，Right Hand Circular Polarized）信号：
NOAA-15 137.620 MHz
NOAA-18 137.9125 MHz
NOAA-19 137.100 MHz
除了这三颗卫星，还有俄罗斯的Meteor M N2卫星正在137.900MHz发射气象图像。其他卫星信号拥挤在这个频段（137-138MHz）。通常你可以发现几个强的ORBCOMM信号和宽频带ORBCOMM 57K6 信号在137.560MHz，刚刚低于NOAA-15 的频率。不要对在136.975Mhz的航空VDL 模式2的信号产生困惑。这也可以被解码，但这不是我将在这篇文章中所涵盖。
天线极化
正如上面提到的，这些卫星正在发射右手圆极化（RHCP）信号。显然，要得到最佳接收表现，接收系统应当符合接收RHCP信号天线用途。被广泛使用的DIY项目包括螺旋端射式天线、四臂螺旋天线、交叉偶极天线、打蛋器天线以及很少见的漩涡天线和林登布列天线。我们可以用左手圆极化或右手圆极化制作前面提到的各种天线。前面提到的天线得共同点是，极化的平面是旋转的，使得每个波长一次旋转。这种天线会在360度所有平面上辐射能量，包括垂直极化和水平极化。描述这种圆极化质量的数值叫做轴率。圆极化场被两个等量的直角场所创建。如果（场的）等级相同，那么轴率为1 或0db。这给我们了完美的圆极化，但却难以实现。轴率好于1db是成功的，并且可以被保持在窄的频率范围内，这取决于天线的设计。DIY设计通常会导致差的轴率，主要会产生椭圆极化而不是圆极化。
我可以简单检查一下我的天线的圆极化吗？是的，你可以。用圆极化天线发射信号。用第二个线性极化天线（简单的偶极天线）在远处测量垂直极化的信号强度。旋转同一个偶极天线九十度，再次测量水平极化的信号强度。这两个信号的比值就是轴率。保持适当远的距离非常重要，最小Fraunhofer距离可以计算为：L=
(2D)2/ λ。D是最大天线尺寸（dimension），λ是天线工作频率的波长。
交叉极化
用几句话说，什么是交叉极化？顾名思义，它是垂直于我们常用的极化方向的极化。如果我们用垂直极化，那么交叉极化就是水平的，反之亦然。这同样适用于圆极化。如果我们用右手圆极化，那么交叉极化就是左手圆极化。为什么这对我们很重要？简单来说，如果你选择错误的极化，那么它的交叉极化是不确定的，理论上说。在实践中，我们不能制作出只在垂直或水平极化上辐射的理想天线，因为交叉极化不会是不确定的，但会有20-30dB的数值。你可以简单地测试。尝试用垂直鞭状天线收听电台，然后把天线转为水平。这样应该会有至少20DB的信号强度区别。同样的，如果你错过把你的螺旋天线弯曲到合适方向，交叉极化将会有20-30dB，并且你最终会有差的信号接收。
让我们复习一下在实践中，极化与交叉极化的关系：
这对气象卫星信号接收有什么意义呢？刚才提到，气象卫星发射右手圆极化信号（RHCP）。理想状态下，这种信号应该被右手圆极化天线所接收。如果我们犯了错误，错将螺旋弯曲为错误的方向，制造出一个左手圆极化接收天线，那么信号接收至少会比右手圆极化天线低20dB。这会导致一个很差的信号质量，是不能接受的。如果我们用线性极化，无论是垂直极化还是水平极化，信号接收都会比右手圆极化低3dB。如前所述，要在圆极化天线上达到低于1dB轴率的并不是一个简单的区别于2dB的任务。任何尝试制作QFH天线（四臂螺旋天线）的人都知道精确在天线上复制计算得出的数值并非易事。所有的这些设计不完美和不合适的调整相位，都可能很容易地导致达不到1dB接收效果的等级。所以，我们最终得到的右手圆极化天线只比线性极化天线、垂直接地天线或水平偶极天线好1-2dB。如果你在微弱的信号通信中，比如1-2dB，这不是一个小的和微不足道的数值，但是如果你在处理强信号，1-2dB不会有明显区别。在我做过的每次试验中，要求无噪点的气象图片接收的必须的信噪比最低是22dB。在卫星过境中，信号达到45dB信噪比，因此有很多信号去覆盖2dB的损失，因为交叉极化。你会拿简单的线性极化天线和-2dB的损失去交换一个复杂设计的QFH天线吗？我已经尝试过了。
选择正确的天线
为了简单的天线设计牺牲一点dB，我们可以选择线性极化天线。首先，我们决定我们偏好的极化方向，垂直极化或水平极化。一个简单的垂直鞭状天线，或者甚至是垂直接地天线，都可以很便宜和简单的制作天线。
垂直天线有什么好处呢？设计简单，全向辐射不需要天线旋转器，很简单达到50Ω阻抗，低辐射角度可以在卫星低仰角远距离时给我们一个好的接收效果。有人可能会说这几乎是完美的气象卫星接收天线，但是我们再看看垂直天线的缺点。最大的问题就在于一个事实，那就是大多数专业无线电服务和网络也在使用垂直极化。如果我们有一个下降选择性和高动态范围的接收机，这应该不是个问题。大多数用户都会用标准DVB-T 电视BANG级SDR接收机，但这种接收机缺乏选择性和动态范围。这个问题可以被部分解决，就是要把增益稍调小一点，但存在增加噪音和降低信噪比的缺点。 附近的航空无线电服务也以AM模式使用垂直极化，这些飞机无疑是最大的障碍。飞机只有10-12KM高，而且发射功率通常在25W。你可能随着接收信号瀑布上的噪声线条注意到上升的噪声水平的问题。一副垂直天线会有一个甜甜圈样式的辐射图，天线顶部的信号会减弱的很厉害。在高仰角，卫星距离足够近，这个缺点可能会被比较近的距离所弥补。
让我们来讨论一下相反的情况，水平极化和水平极化偶极天线的优点。便宜，制作简单，但是还有其他优点。如果我们往回看看水平极化和垂直极化的极化关系，我们就能注意到那个交叉极化的20dB。这个免费的特性（水平极化）可以减弱所有从商业无线电和航空无线电发射的垂直极化信号。 我们可以把SDR增益调高去得到更好的接收和解码图片。QFH天线不会给你这个好处。查看一下相同交叉极化的表格，我们可以注意到如果使用圆极化天线，较垂直极化只有3dB的区别。到目前为止还不错。让我们看看这种简单的水平偶极天线的缺点。主要缺点就是偶极辐射图。水平偶极天线不是全向天线，辐射图像一个“8”的形状，（中间部分）有很深的辐射增益缺乏。所有垂直于水平偶极天线的信号会减弱很多。把天线旋转以取得最佳信号，并非我们需要的简单的偶极天线。
两种极化都在辐射图上存在问题，垂直极化还会遭受强的商业信号干扰。考虑到所有情况，水平偶极天线是更好的选择。
为了NOAA卫星接收，改进偶极天线
在我们继续讨论实际制作这种偶极天线之前，让我们有没有什么可能性去减少偶极天线辐射图缺乏（没有辐射）的问题。正如前面提到的，偶极天线理论上的辐射图是一个“8”字。实际上，辐射的缺乏并不是那么多，垂直于偶极天线的信号也能被接收到，但是比前面来的信号更弱一些。要克服这一缺点，我们可以把偶极天线弯成一个翅膀的形状，两个偶极振子之间的夹角为120度。这样一种配置可以产生一种“0”型辐射图，提高垂直于偶极天线的信号强度。这能足够好的满足我们的目的。
在一天中，我们应该有每个卫星在早晨和晚上的过境，至少三次好的过境。我们有三颗正在工作的卫星，所以一天至少有九次不错的过境。一次好的过境将会有一个高的仰角，会给我们15分钟的接收窗口期。NOAA卫星几乎是极地卫星，以南向或北向的过境。对于这种卫星，将偶极天线的最大辐射方向指向北或南是足够的。我们不需要追踪卫星，因为卫星轨迹几乎是经过极地的（北极或南极）。如果你有一个空旷的视野，你将从开始的低仰角，到正上方，再到下降到另一个相反的极地方向，都能接收到卫星。
水平V型偶极天线
一旦我们知道这种天线看起来是什么样子，只需要应用上一个简单的偶极天线计算公式。用一个针对四分之一波长偶极天线的简单方程，我们能得到下面的方程：
天线长度(m) = 147 / 频率(MHz)
天线长度(m) = 147 / 137.5
天线长度 = 1.068 m = 106.8cm
每*** 长度=53.4cm
非常重要！每***的长度应当包含连接到同轴电缆或连接器的连接线的长度。尽量减少这个长度，但是降到1.5cm以下是比较困难的。
对于每***，我用了3.25mm铝棒。不要用铁磁性的材料，因为集肤效应的原因会增加信号丢失。偶极天线的中心用巧克力方块端子（Choc block terminals），铝棒固定在一端，同轴电缆在端子的另一端。方块端子中心被固定在一个支架上，这样天线可以被轻松固定在杆上。用50Ω或75Ω同轴电缆作为你的接收设备。把两***弯曲，创造一个120度的夹角，并指向南北方向 。你现在已经准备好接收NOAA气象卫星了。
我的位置并不完美，但是仍然是一个好的卫星接收位置。我有一个向北空旷的视野，但在向南7仰角的位置有高压线。天线被固定在屋顶的天线杆上，离地面8米高。
（接收过程太长，up主就不翻译了……，直接上接收结果图）
V型水平偶极天线是一种简单的DIY项目，可以在137MHz气象卫星信号接收上产生不错的结果。所有的表现测试都产生了非常好的优秀的图片，即使是用家用的便宜材料和手边的工具。这可以针对RTL电视BANG用户作为一个初学者的天线项目，保证能够成功。
up主焦耳欧姆纯手工翻译，水平有限，还请包涵。有一定英文阅读能力的朋友，可以直接参考 英文原版资料：https://pan.baidu.com/s/1W0DuxubYfnYFC3BcM1ukKQ 提取码: km9i 作者：焦耳欧姆 https://www.bilibili.com/read/cv1670185/ 出处：bilibili