常用衛(wèi)星通信天線介紹

1、常用衛(wèi)星通信天線介紹天線是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分，是地球站射頻信號(hào)的輸入和輸出通道，天線系統(tǒng)性能的優(yōu)劣影響整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。地球站與衛(wèi)星之間的距離遙遠(yuǎn)，為保證信號(hào)的有效傳輸，大多數(shù)地球站采用反射面型天線。反射面型天線的特點(diǎn)是方向性好，增益高，便于電波的遠(yuǎn)距離傳輸。 反射面的分類方法很多，按反射面的數(shù)量可分為雙反射面天線和單反射面天線；按饋電方式分為正饋天線和偏饋天線；按頻段可分為單頻段天線和多頻段天線；按反射面的形狀分為平板天線和拋物面天線等。下文對(duì)一些常用的天線作簡(jiǎn)單介紹。1 拋物面天線 拋物面天線是一種單反射面型天線，利用軸對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)拋物面作為主反射面，將饋源置于拋物面的焦點(diǎn)F上，饋

2、源通常采用喇叭天線或喇叭天線陣列，如圖1所示。發(fā)射時(shí)信號(hào)從饋源向拋物面輻射，經(jīng)拋物面反射后向空中輻射。由于饋源位于拋物面的焦點(diǎn)上，電波經(jīng)拋物面反射后，沿拋物面法向平行輻射。接收時(shí)，經(jīng)反射面反射后，電波匯聚到饋源，饋源可接收到最大信號(hào)能量。圖1 拋物面天線 拋物面天線的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較雙反射面天線便于裝配。缺點(diǎn)是天線噪聲溫度較高；由于采用前饋，會(huì)對(duì)信號(hào)造成一定的遮擋；使用大功率功放時(shí)，功放重量帶來(lái)的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性必須被考慮。2 卡塞格倫天線 卡塞格倫天線是一種雙反射面天線，它由兩個(gè)發(fā)射面和一個(gè)饋源組成，如圖2所示。主反射面是一個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，饋源置于旋轉(zhuǎn)雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)F1上，

3、拋物面的焦點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)雙曲面的焦點(diǎn)重合，即都位于F2點(diǎn)。從從饋源輻射出來(lái)的電磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。由于主反射面的焦點(diǎn)與副反射面的焦點(diǎn)重合，經(jīng)主副反射面的兩次反射后，電波平行于拋物面法向方向定向輻射。對(duì)經(jīng)典的卡塞格倫天線來(lái)說(shuō)，副反射面的存在遮擋了一部分能量，使得天線的效率降低，能量分布不均勻，必須進(jìn)行修正。修正型卡塞格倫天線通過天線面修正后，天線效率可提高到0.70.75，而且能量分布均勻。目前，大多數(shù)地球站采用的都是修正型卡塞格倫天線。 卡塞格倫天線的優(yōu)點(diǎn)是天線的效率高，噪聲溫度低，饋源和低噪聲放大器可以安裝在天線后方的射頻箱里，這樣可以減小饋線損耗帶來(lái)的不利影響。

4、缺點(diǎn)是副反射面極其支干會(huì)造成一定的遮擋。圖2 卡塞格倫天線3 格里高利天線 格里高利天線也是一種雙反射面天線，也由主反射面、副反射面及饋源組成，如圖3所示。與卡塞格倫天線不同的是，它的副反射面是一個(gè)橢球面。饋源置于橢球面的一個(gè)焦點(diǎn)F1上，橢球面的另一個(gè)焦點(diǎn)F2與主反射面的焦點(diǎn)重合。格里高利天線的許多特性都與卡塞格倫天線相似，不同的是橢球面的焦點(diǎn)是一個(gè)實(shí)焦點(diǎn)，所有波束都匯聚于這一點(diǎn)。圖3格里高利天線4 環(huán)焦天線 對(duì)衛(wèi)星通信天線的總要求是在寬頻帶內(nèi)有較低的旁瓣、較高的口面效率及較高的G/T值，當(dāng)天線的口面較小時(shí)，使用環(huán)焦天線能較好地同時(shí)滿足這些要求。因此，環(huán)焦天線特別適用于VSAT地球站。 環(huán)焦天

5、線由主反射面、副反射面和饋源喇叭三部分組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。主反射面為部分旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面由橢圓弧CB繞主反射面軸線OC旋轉(zhuǎn)一周構(gòu)成，饋源喇叭位于旋轉(zhuǎn)橢球面的一個(gè)焦點(diǎn)M上。由饋源輻射的電波經(jīng)副反射面反射后匯聚于橢球面的另一焦點(diǎn)M， M是拋物面OD的焦點(diǎn)，因此，經(jīng)主反射面反射后的電波平行射出。由于天線是繞機(jī)械軸的旋轉(zhuǎn)體，因此焦點(diǎn)M構(gòu)成一個(gè)垂直于天線軸的圓環(huán)，故稱此天線為環(huán)焦天線。環(huán)焦天線的設(shè)計(jì)可消除副反射面對(duì)對(duì)電波的阻擋，也可基本消除副反射面對(duì)饋源喇叭的回射，饋源喇叭和副反射面可設(shè)計(jì)得很近，這樣有利于在寬頻帶內(nèi)降低天線的旁瓣和駐波比，提高天線效率。缺點(diǎn)是主反射面地利用率低，如圖4所示，AA間

6、的區(qū)域沒有作用。圖4環(huán)焦天線5 偏饋型天線 無(wú)論是拋物面天線，還是卡塞格倫天線，都有一個(gè)缺點(diǎn)，總有一部分電波能量被副反射面阻擋，造成天線增益下降，旁瓣增益增高?？梢允褂锰炀€偏饋技術(shù)解決這個(gè)問題。所謂偏饋天線，就是將饋源和副反射面移出天線主反射面的輻射區(qū)，這樣就不會(huì)遮擋主波束，從而提高天線效率，降低旁瓣電平。偏饋型天線廣泛應(yīng)用于口徑較小的地球站。這類天線的幾何結(jié)構(gòu)比軸對(duì)稱天線的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，特別是雙反射面偏饋型天線，其饋源、焦距的調(diào)整要復(fù)雜得多。圖5偏饋天線6 雙頻段天線 如果使用頻率選擇表面（FSS）作副反射面，就可以構(gòu)成雙頻段天線。FSS是一種空間濾波器，通過在空間放置周期性的金屬貼片或金

7、屬縫隙構(gòu)成，它在某些頻率可讓電磁波無(wú)衰減的通過，而在另外一些頻率將電磁波完全反射。其結(jié)構(gòu)及電磁特性如圖6所示，在頻率f1電磁波被完全反射，在頻率f2電磁波完全通過。如果我們使用這樣的FSS作副反射面，并使饋源1工作在f1，饋源2工作在f2，則兩個(gè)饋源可無(wú)干擾地工作在同一副天線上，如圖7所示。利用相同地原理，可制成多頻段天線，這種技術(shù)已在衛(wèi)星上得到應(yīng)用。這種天線地優(yōu)點(diǎn)是可有效利用反射面，降低天線重量。圖6 FSS的結(jié)構(gòu)及電磁特性圖7雙頻段天線用衛(wèi)星通信天線介紹（二）平板天線寇松江（愛科迪信息通訊技術(shù)有限公司，北京，100070）E-mail: 1.平板天線介紹 平板天線采用陣列天線技術(shù)，將幾十上

8、百甚至上千個(gè)天線單元集成在一塊平板上，以獲得較高的增益。平板天線主要應(yīng)用在雷達(dá)方面，近年來(lái)平板技術(shù)開始出現(xiàn)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域。平板天線的天線單元種類很多，常用的有微帶貼片、波導(dǎo)縫隙、喇叭天線等。平板天線可分為平板、平板相控陣、平板拋物面等類型。2.平板天線與拋物面的比較 平板天線剖面低，易于小型化設(shè)計(jì)；平板天線的波束可賦形，可設(shè)計(jì)為多波束；易進(jìn)行共形設(shè)計(jì)；平板相控陣天線更加適合高速載體上的動(dòng)中通信。 平板天線的增益一般比同口徑拋物面天線低，因?yàn)樗妮椛湫?、口徑效率較拋物面低。 筆者認(rèn)為，平板天線更適合于低剖面動(dòng)中通方向的應(yīng)用。3.常見Ku波段平板天線介紹 平板天線的應(yīng)用頻帶很寬，本文僅涉及Ku頻

9、段的天線。（1）StealthRay 低拋面相控陣天線 StealthRay系列天線是Ku頻段低剖面、雙向動(dòng)中通相控陣天線，是美國(guó)Raysat Antenna Systems（RAS）公司的產(chǎn)品。該公司是Raysat集團(tuán)公司中的一員。Rasat在1997年獲得了相控陣技術(shù)專利，并將其應(yīng)用于衛(wèi)星通信天線的開發(fā)之中。相控陣天線最大的優(yōu)勢(shì)是波束方向的改變是電掃，而不是傳統(tǒng)的機(jī)械掃描。波束方向改變迅速，無(wú)慣性。非常適合高速運(yùn)動(dòng)載體的通信。 StealthRay系列的最新產(chǎn)品是StealthRay 5000，其外形如圖1所示。尺寸為115 L x 90 W x 21 H cm，外觀優(yōu)雅漂亮。跟星性能極為

10、優(yōu)良。圖1 StealthRay5000 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，天線面為微帶陣列結(jié)構(gòu)，共四片，兩片接收，兩片發(fā)射，采用分片式布局，以壓低天線高度。射頻方面采用極化自適應(yīng)和空間波束合成技術(shù)。發(fā)射增益29dBi，接收增益28dBi。詳細(xì)信息請(qǐng)參閱2009年10月29日博客超低拋面相控陣動(dòng)中通衛(wèi)星通信天線StealthRay 3000。圖2 StealthRay5000內(nèi)部結(jié)構(gòu) （2） Mijet平板動(dòng)中通天線 Mijet 系列天線是以色列公司Starling-com的產(chǎn)品，它是Ku頻段平板動(dòng)中通天線。Starling-com公司最初生產(chǎn)空載動(dòng)中通衛(wèi)星通信天線，剖面低，增益高，性能好。Mijet天線

11、裝在飛機(jī)上的情況如圖3所示。天線直徑76cm，高度15cm，重量50Kg。圖3 Mijet平板動(dòng)中通天線 Mijet內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用分片結(jié)構(gòu)，一片發(fā)射，兩片接收。天線面采用微帶陣列結(jié)構(gòu)。EIRP42dBW，G/T值11dB/K。圖4 Mijet內(nèi)部結(jié)構(gòu) 近年來(lái)Starling-com推出一款汽車上使用的Ku頻段平板動(dòng)中通天線StarCar，其外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。但StarCar的銷售情況并不好。與StealthRay相比，StarCar在跟星性能方面還有待改進(jìn)， 畢竟空載平臺(tái)與車輛平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有很大不同。圖5 StarCar車載平板天線(3)Microsat System平板相

12、控陣靜中通天線 Microsat 天線是美國(guó)Gigasat公司的產(chǎn)品。天線采用微帶陣列結(jié)構(gòu)，等效口徑0.55m，可工作于X、Ku、Ka頻段。外尺寸455625cm，工作于Ku波段時(shí)EIRP49dBw，全重只有17Kg（含充電電池）。被稱為真正的手提箱式便攜天線。圖6 Microsat System平板相控陣靜中通天線（4）EL/K 1891機(jī)載相控陣動(dòng)中通天線 這款天線是以色列航空工業(yè)集團(tuán)公司的產(chǎn)品，被使用在阿帕奇直升機(jī)上，提供X/Ku頻段動(dòng)中通衛(wèi)星通信。如圖7所示。圖7 EL/K 1891機(jī)載相控陣動(dòng)中通天線 該天線采用波導(dǎo)縫隙結(jié)構(gòu)，收發(fā)單元各7080個(gè)。提供低速率數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。圖8 EL/K 1891天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信平板天線的發(fā)展 在衛(wèi)通領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)平板天線的發(fā)展很滯后，尚未有成熟的產(chǎn)品。石家莊54所嘗試采用波導(dǎo)縫隙技術(shù)開發(fā)Ku頻段平板動(dòng)中通相控陣天線，并于2007年申請(qǐng)了天線面的專利。但直到今天尚未有成熟的產(chǎn)品面市。上海51所，仿照Ste