Bir kez fırlatıldıktan sonra bir uydu yörüngesinde kalmaktadır, çünkü yeryüzü çevresindeki dönüşünün neden olduğu merkezkaç kuvveti, yeryüzünün çekim gücü tarafından dengelenmektedir. Uydu dünyaya ne kadar yakın dönüyorsa, yerçekimi gücü ve uyduyu yeryüzünün çekim gücüne kapılmaktan korumak için gereken hız o kadar fazla olur. Yerküreye yakın (160 ile 480 kilometre arası yükseklikte) dönen alçak yükseklikteki uydular, saatte yaklaşık 28.000 kilometre hızla ilerlerler. Uydunun bu hızla bütün dünyanın çevresini dolaşması, yaklaşık 1saat sürer. Dolayısıyla, uydunun belli bir yer istasyonunun görüş hattında bulunduğu süre yörünge basma yalnızca saat ya da daha azdır. Orta yükseklikteki uyduların (9500 kilometre 19.000 kilometre arası yükseldikte) dönme peryodları, 5 saat ile 12 saat arasıdır ve bu uydular, bir istasyonun görüş hattında yörünge başına 2 saat ile 4 saat arası kalırlar. Yüksek yükseklikteki senkron uydular (30.000 kilometre ile 40.000 kilometre arası yükseklikte), saatte yaklaşık 11,000 kilometre hızla dönerler ve 24 saatlik bir dönme peryoduna sahiptirler, bu da dünyanın dönme peryodu ile tam olarak aynıdır. Sonuç olarak, bu uydular belli bir yer istasyonuna göre sabit kalırlar ve 24 saat boyunca kullanılabilmeleri mümkün olur. Şekil 20-2, alçak, orta ve yüksek yükseklikteki uydu yörüngelerini göstermektedir. Ayni uzaklıkta yerleştirilmiş, yüksek yükseklikli, dünya çevresinde ekvatorun üstünde dönen üç senkron uydunun, kuzey ve güney kutuplanılın insan yerleşimi olmayan alanları dışında bütün yeryüzünü kapsadığı görülebilir.
Şekil 20-3, dünyanın çevresinde dönerken bir uydunun izleyebileceği üç yolu göstermektedir. Uydu ekvatorun üstündeki bir yörüngede döndüğünde, buna ekvator yörüngesi denir. Uydu, kuzey ve güney kutuplarının üstündeki bir yörüngede döndüğünde, buna kutup yörüngesi denir. Bu yörüngeler dışındaki tüm yörüngelere, eğimli yörünge denir.
Dikkati çeken ilginç bir nokta, kutup yörüngesindeki tek bir uydunun dünya yüzeyinin % 100’ünü kapsayabilmesidir. Uydu, dünya çevresinde boylamasına bir yörüngede; dünya ise enlemesine bir eksen üzerinde döner. Dolayısıyla, uydunun yayılım paterni dünyanın çevresinde diyagonal bir spiral şeklindedir. Sonuç olarak, yeryüzündeki her nokta günde iki kez uydunun yayılım paterni içine girer.
BAKIŞ AÇILARI
Bir anteni bir uyduya yönlendirmek için, yükseklik açısını ve azimutu bilmek gerekmektedir (Şekil 20-4). Bunlara bakış açılan denir.
Yükseklik açısı
Yükseklik açısı, bir yer istasyonu anteninden yayılan bir dalganın düzlemi ile ufuk arasındaki açıya veya yer istasyonu anteniyle uydu arasındaki doğrunun yer istasyonu anteniyle yeryüzü ufku arasındaki doğruyla oluşturduğu açıya denir. Yükseklik açısı ne kadar küçük olursa, yayınım yapan dalganın yeryüzü atmosferinde kat etmesi gereken mesafe o kadar büyük olur. Yeryüzü atmosferi boyunca yayılan herhangi bir dalgada olduğu gibi, dalga soğurmaya maruz kalır, ayrıca gürültü tarafından ciddi bir biçimde bozulabilir. Dolayısıyla, yükseklik açısı çok küçük ve dalganın yeryüzü atmosferi içinde kat ettiği mesafe çok uzun olursa, dalga, iletimin yetersiz olmasına neden olacak kadar nitelik kaybına uğrayabilir. Genel olarak 5°, kabul edilebilir minimum yükseklik açısı olarak değerlendirilir. Şekil 20-5, yükseklik açısının, normal atmosferik soğurma, yoğun sisden kaynaklanan soğurma ve şiddetli yağmurdan kaynaklanan soğurma yüzünden yayınım yapan dalganın sinyal kuvvetini nasıl etkilediğini göstermektedir. 14/12 GHz bandın (Şekil 20-5b), 6/4 GHz banttan (Şekil 20-5a) daha ciddi bir etkiye maruz kaldığı görülebilir. Bunun nedeni, daha yüksek frekanslarda dalga boylarının daha küçük olmasıdır. Ayrıca, 5°’den daha düşük yükseklik açılarında zayıflama çok çabuk artar.
Çevre tetiklemeyi önlemek üzere farklı çıkarma hattı ve indirme hattı frekansları kullanılır (19. Bölüm). Taşıyıcı frekansı ne kadar yüksek olursa, belli bir kazanç için gereken anten çapı o kadar küçük olur. Çoğu ulusal uydu, 6/4 GHz bandı kullanır. Ne yazık ki, bu bant aynı zamanda geniş çapta yeryüzü mikrodalga sistemleri için kullanılmaktadır. Bir uydu ağı tasarımı yapılırken, mevcut mikrodalga hatlardan ya da bu hatlarla meydana gelebilecek girişimden kaçınmaya özen gösterilmelidir.
Senkron yörüngedeki belli konumlara öteki konumlardan daha çok talep vardır. Örneğin, Kuzey Amerika ile Avrupa’yı birbirine bağlamada kullanılan Atlantik okyanusunun ortasındaki konuma aşırı yüksek bir talep vardır. Yüksek talep gösterilen bir başka konum da Pasifik okyanusunun ortasıdır.
WARC (Dünya İdari Radyo Konferansı) tarafından tahsis edilen frekanslar Şekil 20-8’de özetlenmiştir. Tablo 20-3, Amerika Birleşik Devletleri’nde çeşitli hizmetler için kullanılabilir bant genişliklerini göstermektedir. Söz konusu hizmetler şunları kapsamaktadır: sabit nokta (yeryüzünde sabit coğrafi noktalarda yerleştirilmiş yer istasyonları arasında), yayın (geniş bir alanı kapsar), mobil (yerden uzay araçlarına, gemilere ya da kara taşıtlarına) ve uydular arası (uydudan uyduya çapraz bağlantılar).
YAYILIM PATERNLERİ: AYAK İZLERİ
Bir uydunun hizmet verebileceği yeryüzü bölgesi, şu unsurlar tarafından belirlenir: uydunun senkron yörüngesindeki yeri, uydunun taşıyıcı frekansı ve uydu antenlerinin kazancı. Uydu mühendisleri belli bir uzay aracı için anteni, ve taşıyıcı frekansını, sınırlı iletim gücünü yeryüzünde belirgin bir alanda yoğunlaştıracak şekilde seçerler. Uydu anteninin yayılım paterninin coğrafi temsiline ayak izi denir (Şekil 20-9). Kontur çizgileri, eşit alma güç yoğunluğu sınırlarını gösterir.
Yeniden Kullanma
Tahsis edilen bir frekans bandı dolduğu zaman, frekans tayfının yeniden kullanılması yoluyla ek kapasite gerçekleştirilebilir. Bir antenin boyutları artırıldığında (yani, anten kazancı artırıldığında), antenin huzme genişliği azaltılmış olur. Böylece, aynı frekanstaki farklı huzmeler, yeryüzünün farklı coğrafi alanlarına yönlendirilebilir. Buna frekansı yeniden kullanma denmektedir. Frekansı yeniden kullanmanın bir başka yöntemi, çift polarizasyon kullanmaktır. Farklı bilgi sinyalleri farklı yer istasyon alıcılarına, sinyallerin elektromanyetik polarizasyonları dikgen (ortogonal; 90° farklı fazda) yapılmak suretiyle aynı frekans bandından iletilebilir. Çift polarizasyon daha az etkili bir yöntemdir, çünkü yeryüzü atmosferi, atmosferden geçen elektromanyetik bir dalganın yönünü, yani polarizasyonunu değiştirme eğilimi gösterir. Yeniden kullanma, sınırlı bir bant genişliğinin kapasitesini artırmanın bir başka yoludur.
UYDU SİSTEM HAT MODELLERİ
Temel olarak, bir uydu sistemi üç ana bölümden oluşur: çıkarma hattı, uydu transponderi ve indirme hattı.
Çıkarma Hattı Modeli
Bir uydu sisteminin çıkarma hattındaki ana bileşen, yer istasyonu vericisidir. Tipik bir yer istasyonu vericisi şu öğelerden oluşur: bir IF modülatörü, bir IF’den RF’ye mikrodalga yükseğe dönüştürücü, bir yüksek güç yükselteci (HPA) ve son çıkış tayfını bant sınırlamasına tabi tutmak için bir devre (yani, bir çıkış bantgeçiren filtresi). Şekil 20-11, bir uydu yer istasyonu vericisinin blok diyagramını göstermektedir. IF modülatörü, giriş temelbant sinyallerini FM, PSK ya da QAM modülasyonlu bir ara frekansa dönüştürür. Yükseğe dönüştürücü (karıştırıcı ve bantgeçiren filtre), IF’yi uygun bir RF taşıyıcı frekansına dönüştürür. HPA (yüksek güç yükselteci), sinyali uydu transponderine iletmek için gerekli giriş duyarlığını ve çıkış gücünü sağlar. Yaygın olarak kullanılan HPA’lar klistronlar ve ilerleyen dalga tüpleridir
Transponder
Tipik bir uydu transponderi şu öğelerden oluşur: bir giriş bant sınırlama devresi (BPF), düşük gürültülü bir giriş yükselteci (LNA), bir frekans çevirici, bir alçak düzey güç yükselteci ve bir çıkış bantgeçiren filtresi. Şekil 20-12, bir uydu transponderinin basitleştirilmiş blok diyagramını göstermektedir. Bu transponder bir RF’den RF’ye tekrarlayıcıdır. Diğer transponder düzenlemeleri, mikrodalga tekrarlayıcılarda kullanılanlara benzeyen IF ve temelbant tekrarlayıcı düzenlemeleridir. Şekil 20-12’de, giriş BPF’si, LNA’nın girişine uygulanan toplam gürültüyü sınırlamaktadır. (LNA olarak sıkça kulandan bir aygıt, tünel diyodudur.) LNA’nin çıkışı, yüksek bant çıkarma hattı frekansını alçak bant indirme hattı frekansına dönüştüren bir frekans çeviriciye (bir kaydırma osilatörü ve bir BPF) beslenir. Genelde bir ilerleyen dalga tüpü olan düşük düzey güç yükselteci,
ŞEKİL 20-14 Uydular arası hat.
ŞEKİL 20-15 HPA giriş/çıkış karakteristik eğrisi
ŞEKİL 20-19. Parabolik bir antenin kazanç denklemine dayalı anten kazancı:
A (dB) = 10 log (D /)2
Burada D anten çapı, = bdalga boyu ve = anten verimliliğidir. Burada = 0,55’tir. %100 verimli bir anten için doğru sonucu bulmak üzere, değere 2,66 dB ekleyin.