衛(wèi)星接收系統(tǒng)衛(wèi)星天線與高頻頭

第四章衛(wèi)星接收系統(tǒng)系統(tǒng)組成:天線、饋源、高頻頭、衛(wèi)星接收機、功分器。衛(wèi)星接收天線：工作原理、主要參數(shù)、饋源：框圖、特性參數(shù)衛(wèi)星接收機：工作原理、特性參數(shù)功分器：特性參數(shù)、無源功分、有源功分

2024/3/314.1衛(wèi)星接收天線1、廣泛使用的衛(wèi)星接收天線為反射面天線，由反射面和饋源組成。2、分類：按反射面與饋源的相對位置分為：前饋、后饋和偏饋天線。按工作原理分為：旋轉拋物面、卡塞格倫、格里高利、球形反射面天線。3、作用：收集電磁波2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播224．1．1工作原理反射面天線工作原理分析方法：幾何光學法、口面場積分法、口面電流法。幾何光學法兩個基本出發(fā)點：①光線沿直線傳播②入射角等于反射角2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播334．1．1工作原理一、旋轉拋物面天線旋轉拋物面天線（直徑1-4.5米），又稱為前饋天線。1、拋物線定義：到一個定點（焦點）和一個直線（準線）等距離的點的運動軌跡。2、拋物面形成：拋物線沿對稱軸旋轉一周3、拋物線方程：

f—拋物線焦距4、拋物線極坐標方程：旋轉拋物面的四個幾何參數(shù)：焦距f、口面直徑d、口面半張角、拋物面厚度W。關系公式。2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播444．1．1工作原理一、旋轉拋物面天線旋轉拋物面天線（直徑1-4.5米），又稱為前饋天線。1、拋物線定義：到一個定點（焦點）和一個直線（準線）等距離的點的運動軌跡。2、拋物面形成：拋物線沿對稱軸旋轉一周3、拋物線方程：

2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播f—拋物線焦距54．1．1工作原理4、旋轉拋物面的四個幾何參數(shù)：焦距f、口面直徑d、口面半張角θ0、拋物面厚度W。

2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播6幾何參數(shù)之間的關系式：一、旋轉拋物面天線64．1．1工作原理5、旋轉拋物面的焦距口徑比是天線的一項基本參數(shù)。①f=0.25d中焦天線②f小于0.25d短焦天線③f大于0.25d長焦天線f=0.38d天線性能最好

2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播7一、旋轉拋物面天線74．1．1工作原理6、拋物線的兩個重要幾何光學性質：①平行于拋物線對稱軸方向入射的射線經(jīng)拋物線反射后一定經(jīng)過焦點。②平行于拋物線對稱軸方向入射的射線經(jīng)拋物線反射后經(jīng)過焦點時，所走路程是相同的。。7、旋轉拋物面天線的工作原理：天線對準衛(wèi)星時，衛(wèi)星發(fā)射的電磁波平行于天線的軸線傳播，經(jīng)反射面反射后同相聚焦。同相聚焦兩層含義：①電波傳輸距離相同，相位相同；②所有反射線都經(jīng)過焦點處聚焦。2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播8一、旋轉拋物面天線8天線的軸線偏離衛(wèi)星方向，就形成散焦。發(fā)射和接收狀態(tài)相類似一、旋轉拋物面天線9二、卡塞格倫天線1、組成卡塞格倫天線是雙反射面天線。它由主反射面、副反射面和饋源三部分組成。主反射面是旋轉拋物面，副反射面是旋轉雙曲面。2、主面的3個幾何參數(shù)：焦距f、直徑d、口面半張角。3、副面有兩個焦點：虛焦點和實焦點。虛焦點的位置與主面焦點重合?？ㄈ駛愄炀€饋源放置在副面實焦點。

2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播1010二、卡塞格倫天線11二、卡塞格倫天線4、雙曲線的兩個重要幾何光學性質：①對準虛焦點發(fā)出的射線經(jīng)過雙曲線反射之后，必然經(jīng)過實焦點②從反射點到兩個焦點的行程差為常數(shù)，對于電磁波來說就是相位差為常數(shù)。雙曲面的作用是將焦點進行搬移。2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播1212三、格里高利天線4、雙曲線的兩個重要幾何光學性質：①對準虛焦點發(fā)出的射線經(jīng)過雙曲線反射之后，必然經(jīng)過實焦點②從反射點到兩個焦點的行程差為常數(shù)，對于電磁波來說就是相位差為常數(shù)。雙曲面的作用是將焦點進行搬移。2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播1313三、格里高利天線1、組成格里高利天線是雙反射面天線。它由主反射面、副反射面和饋源三部分組成。主反射面是旋轉拋物面，副反射面是凹橢球面

。2、主面的3個幾何參數(shù)：焦距f、直徑d、口面半張角。3、副面有兩個實焦點：焦點F1和焦點F2。焦點F1的位置與主面焦點F重合。2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播1414三、格里高利天線格里高利天線有兩個實焦點，一個用于發(fā)射，另一個用于接收。收發(fā)共用通?？梢詫⒔邮震佋窗卜旁诮裹cF1處，由于這個位置同時也是主面的焦點，因此接收天線就是一個旋轉拋物面天線；而發(fā)射饋源則安放在焦點F2處。2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播1515三、格里高利天線16三、格里高利天線4、橢球的幾何光學性質：①從一個焦點發(fā)出的射線經(jīng)過凹橢球面反射之后，必然經(jīng)過另一個焦點。②從反射點到兩個焦點的行程之和為常數(shù)，對電磁波來說相位為常數(shù)。凹橢球面的作用是將發(fā)射饋源從焦點F2變換到主反射面焦點。于是對于發(fā)射天線來說，從焦點F2處發(fā)出的射線經(jīng)過凹橢球面反射之后，同相聚焦在焦點fI處(即主面的焦點處)，然后經(jīng)過主面反射之后形成平面電磁波2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播1717四、偏饋天線1、前饋天線由于饋源阻擋，后饋天線由于反射面的阻擋，效率降低。2、偏饋天線截取前饋和后饋天線的一部分構成。雙反射面的偏饋天線是格里高利型。

3、偏饋天線存在偏饋角。4、按口面形狀，偏饋天線分為橢圓形口面和圓形口面。橢圓形口面外表看是圓形圓形口面外表看是橢圓形

2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播1818五、球形反射面球形反射面是球面的一部分，可用一副天線同時接收多顆衛(wèi)星。2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播19194．1．2主要參數(shù)

天線的主要參數(shù)：增益、方向圖、半功率角、等效噪聲溫度一、增益G1、接收天線增益的定義：設從空間各個方向上傳來的電磁波場強相同，天線在某一方向上接收時，向負載輸出的功率與一個理想無損耗天線在該處各個方向接收時，輸入到負載中的功率平均值之比。即：天線增益指定向天線較全向天線對電磁波接收能力大的程度。接收天線增益最大的方向稱為天線的最大接收方向。2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播20204．1．2主要參數(shù)

2、表達式2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播21dBλ：天線的工作波長C波段：fo=4GHZ、λ=0.075mKu波段：fo=12GHZ、λ=0.025mA：天線的口面面積γ：天線的效率一、增益G214．1．2主要參數(shù)

2、表達式2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播22dBλ：天線的工作波長C波段：fo=4GHZ、λ=0.075mKu波段：fo=12GHZ、λ=0.025mγ：天線的效率A：天線的口面面積天線的口面面積是垂直于電波傳播方向上的天線的橫截面面積。天線的口面面積越大，就反映了天線能夠截獲的電磁波能量越多，因此天線輸出電平就越強，天線的增益也就越高。一、增益G224．1．2主要參數(shù)

3、天線的口面效率2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播23天線的優(yōu)劣就是出天線的口面效率來確定的。天線的口面效率主要依靠測量確定。衛(wèi)星天線的口面效率受很多因素的影響，饋源的性能對天線的口面效率的影響起主導作用。γ=50～70％50％：合格、60％：良好、70％：優(yōu)良4、對圓形口面的衛(wèi)星天線，增益表達式：

（dB）d：圓形口面的直徑一、增益G234．1．2主要參數(shù)

三、天線的等效噪聲溫度（TA）2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播241、天線的等效噪聲溫度反映了天線接收下來并傳送給匹配負載的噪聲功率的大小。2、表達式Pn=kTAB（W）k：玻爾茲曼常數(shù)1.38×10-23（J/K）B：接收系統(tǒng)帶寬244．1．2主要參數(shù)

3、天線等效噪聲溫度的測量曲線2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播25人們經(jīng)過大量的實際測量發(fā)現(xiàn)，盡管影響天線噪聲溫度的因素很多，但其中天線的仰角和工作波長兩項因素對噪聲溫度影響為最大。三、天線的等效噪聲溫度（TA）254．1．3饋源

用于發(fā)射時，饋源系統(tǒng)將功率轉化為電磁波。用于接收時，饋源系統(tǒng)將電磁波轉化為電功率。

2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播26一、波導與喇叭天線1、喇叭天線就是波導的開口面逐漸擴大形成的。2、波導是矩形或圓形的金屬管，傳播的電磁波稱為導行波。矩形波導的主模為TE10波，為橫電波。圓形波導的主模為TE11波，為橫電波。3、標準矩形波導內(nèi)壁的寬邊和窄邊長度為2：1。4、矩形波導是線極化的，電場的極化方向為波導的窄邊方向。對調整饋源很重要。圓形波導基本也是線極化。5、波導相當于高通濾波器。264．1．3饋源

2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播276、圓形波導是衛(wèi)星天線饋源的核心組成部分。圓形波導(圓波導)可以發(fā)射電磁波，同時也可以接收電磁波。由于圓波導的結構是完全對稱的，因此它既可以接收(發(fā)射)圓極化波，也可以接收(發(fā)射)線極化波。7、圓形波導的不足

圓形波導的開口面又稱為波導輻射器，它可以輻射或接收電磁被，因此是一種最簡單的口面天線形式。波導的開口面是一種弱方向性的天線，它存在著兩個明顯的不足之處：①由于波導開口面的面積有限，因此其增益比較低。②由于波導內(nèi)的波阻抗與自由空間的波阻抗不匹配，因此在口面上存在著比較強的反射波，這樣就會影響天線的口面效率。由于上述的原因，開口波導很少直接作為饋源使用。一、波導與喇叭天線274．1．3饋源

2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播288、解決的辦法將波導的開口面逐漸地擴大，就形成了所謂的喇叭天線。喇叭天線的口面面積較大，因此與開口波導相比，喇叭天線的增益較高；另外在喇叭天線中，波阻抗是逐漸地由波導的波阻抗過渡到自由空間的波阻抗，阻抗匹配狀況有了很大的改進，因此口面上的反射系數(shù)比較小。衛(wèi)星接收或發(fā)射天線廣泛使用喇叭天線作為饋源，喇叭天線的核心部分是一個直徑為0.6λ至1.1λ的圓波導。一、波導與喇叭天線284．1．3饋源

2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播299、圓喇叭的結構

圓喇叭的結構如圖4-16所示。因喇叭內(nèi)傳播的電波模式為TE11被，與圓波導中的主模是一樣的。一、波導與喇叭天線29二、前饋饋源1、前饋饋源多采用90度波紋喇叭，由圓波導、波紋、圓矩變換段和法蘭盤組成。2、圓波導：是饋源的核心部分,饋源的相位中心在波導口面的內(nèi)側，距離口面很近，安裝饋源時應該將相位中心調整到反射而的焦點f處，這樣才能保證饋源的縱向安裝誤差為零。4、90度波紋喇叭：為了提高饋源的效率、減小口面的反射、改善饋源的方向圖，在圓波導的外部安裝一個或多個波紋，構成90度波紋喇叭。4．1．3饋源

3031二、前饋饋源5、90度波紋的作用：在波紋內(nèi)激勵的TE10波和TE11波疊加，使得波紋口面的場分布均勻；改善了饋源和自由空間波阻抗匹配狀況；在正負50度范圍內(nèi)保證饋源的方向函數(shù)基本不變。前饋式衛(wèi)星接收天線大多采用它作90度波紋喇叭。6、法蘭盤、圓矩變換作為衛(wèi)星接收天線，饋源是通過法蘭盤與高頻頭連接在一起的，由于高頻頭的輸入端為矩形波導，因此在饋源內(nèi)部必須要設有一個圓矩變換段，將圓形波導逐步地過渡到矩形波導。4．1．3饋源

324．1．3饋源從波導的正前方觀察，圓波導中心有一條短的豎線，它是高頻頭輸入端內(nèi)的探針。它的方向就是天線的極化方向。阻抗變換器：圓波導和矩形波導的幾何形狀不同，它們的波阻抗也不同，為了減少反射，保證波阻抗匹配，在圓矩變換段內(nèi)設有阻抗變換器，它是由兩段長度為λ／4的過渡段組成。根據(jù)傳輸線理論，長度為λ

／4的波導或饋線本身就構成了阻抗變換器。采用圓矩變換之后，改變了波導的形狀，保證了阻抗匹配，同時還有利與極化方向的穩(wěn)定。二、前饋饋源3334三、后饋饋源1、后饋饋源是安裝在主反射面上的，因此其長度不大受到限制。2、后饋饋源的形式有圓喇叭、階梯喇叭、變張角喇叭、介質加載喇叭和波紋喇叭等幾種。3、目前，效率最高的后饋饋源形式為波紋喇叭。4．1．3饋源3536第四章衛(wèi)星接收系統(tǒng)衛(wèi)星接收天線的類型有反射面天線和微帶天線兩種。反射面天線是由反射面和饋源兩部分組成的，饋源本身就是一種天線。在工程上通常根據(jù)饋源與反射面的相對位置，將反射面天線分為前饋天線、后饋天線和偏饋天線三種形式，而從工作原理上來說，衛(wèi)星廣播系統(tǒng)中使用的反射面天線可以分為旋轉拋物面天線、卡賽格倫天線、格里高利天線、球形反射面天線等幾種類型。2024/3/3數(shù)字衛(wèi)星廣播3737衛(wèi)星接收天線的主要參數(shù)一、增益（G）工作在發(fā)射狀態(tài)下的天線稱為發(fā)射天線，而工作在接收狀態(tài)下的天線稱為接收天線。一般不特別進行聲明的話，天線的增益是特指最大輻射方向（最大接收方向）上的增益，也就是該天線增益的最大值。根據(jù)互易定理，可以證明接收天線的增益與該天線工作在發(fā)射狀態(tài)下的增益在數(shù)值上是完全相同的，最大輻射方向與最大接收方向也是一致的，故通常人們只說天線的增益。2024/3/338二、方向圖與方向函數(shù)

衛(wèi)星天線的方向圖反映了天線增益隨方向的變化，為了方便起見通常采用相對增益Gr的概念來畫天線的方向圖。天線的方向圖中的幾個概念：

1、主瓣、后瓣、旁瓣

2、半功率角、前后比、旁瓣電平

3、天線的方向函數(shù)

2024/3/339三、天線的等效噪聲溫度衛(wèi)星接收天線的等效噪聲溫度反映了天線接收下來的并傳送給匹配負載的噪聲功率的大小。在忽略饋線系統(tǒng)的損耗以后，天線接收下來并傳送給高頻頭的噪聲功率與天線等效噪聲溫度的關系。2024/3/340旋轉拋物面天線

有旋轉對稱拋物面和饋源構成，饋源位置為拋物面焦點，也稱前饋天線或單反射面天線。饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)反射面反射后沿著平行于拋物面軸線方向傳播；對接收天線，當天線對準衛(wèi)星時，來自衛(wèi)星方向的電磁波平行與天線軸線，經(jīng)反射后聚焦在饋源處。2024/3/341卡賽格倫天線由主反射面、副反射面和饋源組成，主反射面為旋轉對稱拋物面，副反射面為雙曲面，副反射面的虛焦點與主反射面的焦點重合，饋源設置在副反射面的實焦點處。對發(fā)射天線，饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)主、副反射面兩次反射后沿著平行于拋物面軸線方向傳播；對接收天線，當天線對準衛(wèi)星時，來自衛(wèi)星方向的電磁波平行與天線軸線，經(jīng)兩次反射后聚焦在饋源處。2024/3/342格里高利天