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[图文]卫星接收天线         ★★★ 【字体:
卫星接收天线
作者:imefan    文章来源:本站原创    点击数:    更新时间:2008-2-16    

 

  通信卫星上设置有专门的姿态调整系统和消除旋转的系统使卫星天线能始终保持其指向对准地面的某一点,指向精度在0.3度以内。

  根据通信业务的需要,卫星天线有以下几种形式:

 1)全球波束天线:全球波束天线的波束设计成覆盖全球大多数地面的形状,运用于国际通信卫星进行全球的卫星转播和通信。

 2)半球波束天线:由于地球上一大部分是海洋,只有极少的用户,所以,利用半球波束天线,可以将卫星的辐射功率集中在大陆地区。

 3)区域波束天线:专门为某一国家或地区服务的通信卫星可以采用区域波束天线,覆盖特有的服务区。

  我国国内的通信卫星可以采用“赋形波束”天线,对天线的反射器和馈源进行特殊设计,使波束所覆盖的区域与我国的版图形状相吻合,充分利用宝贵的转发器功率资源,使全国各地地面站都可以收到较强的卫星广播信号。
  “赋形波束”天线和转发器功率确定后,全国地面的等效全向辐射功率分布图应被确定。
  波束中心所照射的区域等效全向辐射功率最大、最边远地区的等效全向辐射功率比中心略小。在建设卫星接收地面站的设计中,必须根据当地的等效全向辐射功率值进行设计计算。

1、卫星接收天线的工作原理

  卫星电视接收站接收的信号是来自地球赤道上空35786.014公里的卫星上的微波信号,由于其距离非常遥远,接收站所收到的信号极其微弱,必须采用大口径的抛物面天线才可能满足解调系统的要求。普遍使用高增益、高方向性的旋转抛物面天线作为接收天线。

  抛物面天线通常由反射面和馈源两部分组成,馈源的相位中心位于抛物面的焦点。反射面一般采用金属板冲压或者旋压而成,所以被称为旋转抛物面天线,简称抛物面天线。

 

  卫星电视传输所使用的频率属于微波波段,微波具有类似于光线的直线传播的特性。卫星距接收站数万公里,所以到达接收天线口面的电磁波可看作是平面波。因此,可以采用几何学的原理来分析抛物面天线的工作原理。根据抛物线的性质可知,任何平行于抛物线轴线的电磁波经抛物线反射后,一定能全部集中于焦点为上,面任何不平行于抛物线轴线的电磁波经抛物线反射后,一定不会到达焦点。这就决定了抛物面天线具有很好的方向性和较高的增益。

  抛物线具有以下特性:
  1)抛物面上任意一点P的法线PN平分该点到焦点F的连线PF与过P点所作轴线的平行线
PM所构成的夹角。

  2)抛物面上任意一点P距焦点F的距离与该点到同一参考平面的距离之和为一个常数。

  卫星电视抛物面天线可以将到达天线上的平行于其轴线的卫星电视信号聚集到焦点,使这些信号同相叠加成较强的电磁波。而不平行于天线轴线的信号则不能到达焦点。

2、卫星接收天线的主要性能

  1)方向性
  方向性是指天线是否集中针对性地以某一方向来进行传递。天线系统的方向性通常采用方向图进行详细表述。方向图是指天线的辐射特性(场强、相位、极化)随空间角度变化的曲线。
  通常,一面设计合理的抛物面天线的主瓣宽度可用下式估算:
           Φ=70λ/D(度)
  其中:λ为系统的工作波长;D为抛物面天线的直径。   
  另外,引入方向性系数D 定量表示天线在给定方向上集中辐射功率的能力。方向性系数定义为:在空间某点获得同样辐射功率的条件下,无方向性天线辐射的总功率P,与该天线在同样位置且主波瓣指向这一点所需的总功率的比值。即:
          D=P/P=4πA/λ2  
  式中,A为方向性天线的有效开口面积。

  2)天线效率
  无论是发射天线还是接收天线,都程度不同地存在着天线损耗。把天线的辐射功率PΣ 和输入功率P1 之比称为天线的效率,用 η 表示:
          η=PΣ/P

  
 显然,效率越高,说明天线本身的损耗就越小。

  3)天线增益
  天线增益是反映天线方向性和效率的一个重要参数。定义为:在主瓣中心的空间某位置上获得相等场强的条件下,理想无方向性天线的输入功率Pino与该天线输入功率Pin之比。即:
                   G= Pino/Pin = η(πD/λ)2
  式中,η 为天线效率;D为天线直径,单位为米;λ 为工作波长,单位为米。

  可见,天线的增益与效率成正比,提高天线效率的措施是天线面和馈源的加工精度。增益与天线的直径的平方成正比,增加天线直径可以增加天线的增益。但是,天线的直径的增加是以提高造价为前提的。另外,同一个天线,使用的频率越高,其增益就越大,这就是Ku波段天线尺寸小的原因。

  4)天线的噪声温度
  天线的噪声可分为内部噪声和外部噪声。内部噪声指由反射面和馈源损耗引起的噪声,噪声的降低主要靠设计生产和安装调试中提高精度来实现;外部噪声指天线所处环境中进入天线的噪声,通常有大气层和天体所产生的噪声、地面的热辐射噪声等,这些噪声进入天线,提高了天线的等效噪声温度。

  5)天线的风荷
  天线的风荷指的是天线可以承受风的力量。与风速、风向、天线口径、天线类型有关。

  6)天线阻抗
  天线阻抗指从天线输入端看进去的输入阻抗。实际使用中,用驻波比或反射系数来表示天线的阻抗匹配状况。

3、天线的种类

  1)前馈式抛物面天线
  如图所示。图中,馈源被安装在反射抛物面的焦点处,馈源的口面与反射面的口面相对,由反射面反射的电磁波集中射入馈源内。前馈式抛物面天线的优点是馈源对空中电磁波的遮挡小、结构简单、成本低、安装调试容易。但是大口径的前馈式抛物面天线具有如下缺点:安装调试高频头不方便,而且高频头位于抛物面焦点处,太阳光有时被聚焦到高频头上,使高频头的温度升高,降低了信号的信噪比,对高频头的可靠性和寿命也有一定的影响。所以,在工程应用中,当天线口径 D < 5m 时,通常使用前馈式抛物面天
线,口径再大时,应采用后馈式抛物面天线

 


  2)后馈式抛物面天线
  
又被称为卡塞格伦天线,由抛物面主反射面、双曲面副反射面和馈源喇叭构成,如图
3-18所示。由于主反射抛物面的实焦点与双曲面副反射面的虚焦点重合,而馈源的相位中心与双曲面的实焦点重合,从卫星射来的电磁波经抛物面一次反射,再被双曲面二次反射后,被聚焦于馈源的相位中心,同相叠加。后馈式天线具有以下优点:纵向尺寸小,馈源安装在主反射面顶点的背后,既可以缩短馈源和 LAN的距离,减小传输噪声,又可以防止阳光直射,特别适合于热带地区使用;天线的效率高,在相同增益条件下,比前馈式口径小,对于大型抛物面天线来讲,后馈式的造价较低。但是,后馈式天线结构复杂,制造、安装、调试的技术要求高。

  3)偏馈式抛物面天线
  偏馈式抛物面天线适用于小口径天线的场合,特别适合接收 Ku波段的卫星电视信号,其结构示意图如图 3-19 所示。偏馈式抛物面天线的反射面是在某一参数的抛物面的非顶点处截取一块曲面而构成的,馈源安装在原抛物面的焦点上,口面对准反射面。由于馈源的安装位置不在反射面的中心法线上,所以被称为偏馈式天线。正是因为馈源不在反射面与卫星的连线上,避免了馈源对电磁波的遮挡,因而这种天线的效率最高。偏馈式天线具有以下优点:由于不存在口面遮挡的问题,使天线的旁瓣特性较好,噪声系数较小;阻抗不受反射波影响,具有较好的驻波系数,效率高。这种天线的缺点是:极化隔离性较差,结构不对称,加工难度大。

 


  

  

  

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