衛(wèi)星通信天線簡介

1、常用衛(wèi)星通信天線簡介天線是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成局部，是地球站射頻信號的輸入和輸出通道，天線系統(tǒng)性能的優(yōu)劣影響整個通信系統(tǒng)的性能。地球站與衛(wèi)星之間的距離遙遠，為保證信號的有效傳輸， 大多數(shù)地球站采用反射面型天線。 反射面型天線的特點是方向性好，增益高，便于電波的遠距離傳輸。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。 下文對一些常用的天線作簡 單介紹。1 拋物面天線 拋物面天線是一種單反射面型天線， 利用軸對稱的旋轉(zhuǎn)拋物面作為主反射面， 將饋源置于拋物面

2、的焦點 F 上，饋源通常采用喇叭天線或喇叭天線陣列， 如圖 1 所示。發(fā)射時信號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 位于拋物面的焦點上，電波經(jīng)拋物面反射后，沿拋物面法向平行輻射。接收時，經(jīng)反射面反射后，電波會聚到饋源，饋源可接收到最大信號能量。圖1拋物面天線拋物面天線的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，較雙反射面天線便于裝配。缺點是天線噪聲溫度較高；由于采用前饋，會對信號造成一定的遮擋；使用大功率功放時，功放重量帶來的結(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，它由兩個發(fā)射面和一個饋源組成，如圖2所示。主反射面是一個旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，饋源置于

3、旋轉(zhuǎn)雙 曲面的實焦點F1上，拋物面的焦點與旋轉(zhuǎn)雙曲面的焦點重合，即都位于F2點從從饋源輻射出來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與副反射面的焦點重合，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。 對經(jīng)典的卡塞格倫天線來說，副反射面的存在遮擋了一局部能量，使得天線的效率降低，能量分布不均勻，必須進行修正。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0.7 0.75，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?？ㄈ駛愄炀€的優(yōu)點是天線的效率高，噪聲溫度低，饋源和低噪聲放大器可以安裝在天線前方的射頻箱里，這樣可

4、以減小饋線損耗帶來的不利影響。 缺點是副反射面極其支干會造成一定的遮擋圖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橢球面。饋源置于 橢球面的一個焦點F1上，橢球面的另一個焦點F2與主反射面的焦點重合。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是一個實4. 環(huán)焦天線對衛(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，當天線的口面較小時，使用環(huán)焦天線能較好地同時滿足這些要求因此，環(huán)焦天線特別適用于VSAT地球站環(huán)焦天線由主反射面、副

5、反射面和饋源喇叭三局部組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。主反射面為局部旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面由橢圓弧CB繞主反射面軸線0C旋轉(zhuǎn)一 周構(gòu)成，饋源喇叭位于旋轉(zhuǎn)橢球面的一個焦點 M上。由饋源輻射的電波經(jīng)副反 射面反射后會聚于橢球面的另一焦點 M ', M '是拋物面0D的焦點，因此， 經(jīng)主反射面反射后的電波平行射出。由于天線是繞機械軸的旋轉(zhuǎn)體，因此焦點M ' 構(gòu)成一個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)計可消除 副反射面對對電波的阻擋，也可根本消除副反射面對饋源喇叭的回射， 饋源喇叭 和副反射面可設(shè)計得很近，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

6、點是主反射面地利用率低，如圖 4所示，AA '間的區(qū)域沒有作 用。無論是拋物面天線，還是卡塞格倫天線，都有一個缺點，總有一局部電波能 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)比軸對稱天線的結(jié)構(gòu)要復雜得多，特別是雙反射面偏饋型天線，其饋源、焦距的調(diào)整要復雜得多圖5偏饋天線6. 雙頻段天線如果使用頻率選擇外表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，

7、通過在空間放置周期性的金屬貼片或金屬縫隙構(gòu)成，它在某些 頻率可讓電磁波無衰減的通過，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fi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fi，饋源2工作在f2, 那么兩個饋源可無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)點是可有效利用反射面，降低天線重量Illi»1A-" :1 IH/ 1 / 1 X"1-門切類率MS的老離科fl用衛(wèi)星通信天線介紹二平板天線寇松江愛科迪信息

8、通訊技術(shù)，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)， 將幾十上百甚至上千個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)用在雷達方面，近年來平板技術(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擬 平板天線剖面低，易于小型化設(shè)計；平板天線的波束可賦形，可設(shè)計為多波束；易進行共 形設(shè)計；平板相控陣天線更加適合高速載體上的動中通信。平板天線的增益一般比同口徑拋物面天線低，因為它的輻射效率、口徑效率較拋物面低。 筆者認為，平

9、板天線更適合于低剖面動中通方向的應(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、雙向動中通相控陣天線，是美國 Raysat Anten na Systems RAS 公司的產(chǎn)品。該公司是 Raysat 集團公司中的一員。 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)勢是波束方向的改變是電掃，而不是傳統(tǒng)的機械掃描。波束方向改變迅速， 無慣性。非常適合高速運動載體的通信。StealthRay 系

10、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。跟星性能極為優(yōu)良。圖 1 StealthRay 5000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。詳細信息請參閱2021年10月29日博客超低拋面相控陣動中通衛(wèi)星通信天線 StealthRay 3000?。圖2 StealthRay 5000 內(nèi)部結(jié)構(gòu)(2) Mijet平板動中通天線Mijet系列天線是以色列公

11、司 Starling-com 的產(chǎn)品，它是Ku頻段平板動中通天線。Star lin g-com 公司最初生產(chǎn)空載動中通衛(wèi)星通信天線，剖面低，增益高，性能好。Mijet天線裝在飛機上的情況如圖 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)。EIRP = 42dBW , G/T 值=11dB/K圖4 Mijet內(nèi)部結(jié)構(gòu)近年來Starling-com推岀一款汽車上使用的Ku頻段平板動中通天線 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

12、StealthRay 相比，StarCar在跟星性圖5 StarCar車載平板天線(3)Microsat System平板相控陣靜中通天線Microsat天線是美國 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45 X56 X25cm，工作于 Ku波段時EIRP = 49dBw，全重只有17Kg (含充電電池)。被稱為真正的手提箱式便攜天線。相控陣靜中通天線(4 ) EL/K 1891機載相控陣動中通天線X/Ku頻段這款天線是以色列航空工業(yè)集團公司的產(chǎn)品，被使用在阿帕奇直升機上，提供 動中通衛(wèi)星通信。如圖 7所示。圖7 EL/K 1891機載相控陣動中通天線該天線采用波導縫隙結(jié)構(gòu)，收發(fā)單元各7080個。提供低速率數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4. 國內(nèi)衛(wèi)星通信平板天線的開展在衛(wèi)通領(lǐng)域，國內(nèi)平板天線的開展很滯后，尚未有成熟的產(chǎn)品。石家莊54所嘗試采用波導縫隙技術(shù)開發(fā) Ku頻段平板動中通相控陣天線，并于2007年申請了天線面的專利。但直到今天尚未有成熟的產(chǎn)品面市。上海51所，