衛(wèi)星接收天饋線ppt課件

1、（1面天線的工作原理面天線的工作原理（2天線的主要技術指標天線的主要技術指標 本章重點本章重點3.1 衛(wèi)星接收天線的作用與分類衛(wèi)星接收天線的作用與分類3.2 面天線的工作原理面天線的工作原理3.3 反射面天線的饋源反射面天線的饋源3.4 極化轉換器極化轉換器3.5 天線的主要技術指標天線的主要技術指標 本章內容本章內容一、天線的作用一、天線的作用 1、衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)組成：、衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)組成： 主要由衛(wèi)星接收天線、衛(wèi)星接收高頻頭和衛(wèi)星電視主要由衛(wèi)星接收天線、衛(wèi)星接收高頻頭和衛(wèi)星電視接收機組成。接收機組成。 2、天線作用：、天線作用： 處于接收系統(tǒng)的最前端，其作用是將來自衛(wèi)星轉發(fā)處于接收系統(tǒng)

2、的最前端，其作用是將來自衛(wèi)星轉發(fā)器的微弱超高頻電磁波加以聚集，并轉換成導波中的器的微弱超高頻電磁波加以聚集，并轉換成導波中的電磁波或傳輸電纜中的高頻電流，通過波導或高頻電電磁波或傳輸電纜中的高頻電流，通過波導或高頻電纜送給衛(wèi)星接收高頻頭。衛(wèi)星接收天線的技術指標的纜送給衛(wèi)星接收高頻頭。衛(wèi)星接收天線的技術指標的高低對整個系統(tǒng)的接收效果產生決定性的影響。高低對整個系統(tǒng)的接收效果產生決定性的影響。 3、天線特性：、天線特性： 作為一種無源的天線電轉換設備，接收天線也可以作為一種無源的天線電轉換設備，接收天線也可以當作發(fā)射天線使用，這種關系稱為天線的互易性。同當作發(fā)射天線使用，這種關系稱為天線的互易性。

3、同樣一副天線，無論是用作發(fā)射或接收，其基本參量保樣一副天線，無論是用作發(fā)射或接收，其基本參量保持不變。持不變。二、天線的分類二、天線的分類 無線電通信用的天線種類繁多，分類出各不相同。無線電通信用的天線種類繁多，分類出各不相同。通常按照天線的幾何形狀把天線分為線天線與面天線通常按照天線的幾何形狀把天線分為線天線與面天線兩大類。兩大類。 1. 線天線：線天線： 1)組成：由導線組成，導線的長度比導線的截面積組成：由導線組成，導線的長度比導線的截面積大得多。為了使天線呈現(xiàn)出更好的特性，往往所截取大得多。為了使天線呈現(xiàn)出更好的特性，往往所截取的導線的長度與無線電信號的波長呈一定的關系的導線的長度與無

4、線電信號的波長呈一定的關系(如半如半波長等波長等)。 2)工作原理：利用空中電磁波能在與其電場方向相工作原理：利用空中電磁波能在與其電場方向相切的導線上感應出最大高頻電流這一機理來構成的。切的導線上感應出最大高頻電流這一機理來構成的。 3)應用：線天線一般用在長波、中波和短波等工作應用：線天線一般用在長波、中波和短波等工作頻率比較低的波段上。頻率比較低的波段上。 2、面天線：1)組成：由整塊金屬板(或網)組成的，面天線的面積比天線電信號的波長的平方大得多。2)工作原理：利用高頻無線電波的似光傳播特性來構成的。通過增大面天線的面積，來提高所截獲電磁波的能量，從而可達到獲得足夠強的接收信號的目的。

5、3應用：面天線一般用在超短波、微波和毫米波等頻率較高的波段。衛(wèi)星電視的特點是工作頻率高(處于微波頻段)、地面接收信號十分微弱、要求接收天線有很高的增益。3、面天線分類：面天線一般由反射面、饋源和支架等部分組成。a、反射面可采用金屬板、金屬網或玻璃鋼等材料經過機械成型而成，故，若按反射面材料的不同，可分為：金屬板天線、金屬網天線或玻璃鋼天線等三種；b、饋源一般采用各種形式的漸變波導段來構成。若按照反射面與饋源所處相對位置的不同，可分為：前饋天線、后饋天線和偏饋天線等三種；c、若按照天線工作原理的不同，又可分為：普通拋物面天線、卡塞格倫天線和平面天線等三種。一、普通拋物面天線1、天線的結構：如圖1

6、所示。饋源是一種弱方向性天線，安裝在拋物面前方的焦點位置上，故普通拋物面天線出稱為前饋天線。由饋源輻射出來的球面波被拋物面往一個方向(天線軸向)反射，形成尖銳的波束，這種情況與按照燈極為相似。2、幾何關系拋物面是由拋物線繞它的曲線(z軸)旋轉而成的。如圖2所示，在yoz平面上，以F為焦點，O為頂點的拋物線方程為：(f為焦距)相應的立體坐標方程為：設D為拋物面口徑的直徑，20為口徑對焦點所張的角(簡稱口徑張角)，由上述關系式可導出決定拋物面口徑張角的拋物面焦徑比：3、幾何光學特性：由焦點發(fā)出的各光線經拋物面反射，其反射線都平行于z軸；反之，當平行光線沿z軸入射時，則被拋物面反射而聚焦于F點。其原

7、因是，由焦點發(fā)出的各光線經拋物面反射后到達口徑面的行程相等這一結論可利用拋物線的以下性質來證明：從拋物線任一點到焦點的距離等于該點到準線的距離）。微波的傳播特性與光相似，因而，位于焦點F的饋源所輻射的電磁波經拋物面反射后，在拋物面口徑上得到同相波陣面，使電磁波沿天線軸向傳播。如果拋物面口徑尺寸為無限大，那么拋物面就把球面波變?yōu)槔硐肫矫娌?，能量只沿z軸正向傳播，其它方向輻射為零。但實際上拋物面的口徑是有限的，因而得到的是與口徑大小及口徑場分布有關的窄波束。4、存在問題：前饋拋物面天線的饋源位于天線的主波束內，因而對所接收的電磁波形成了遮擋，其結果降低了天線的增益，增大了旁瓣二、偏饋天線二、偏饋天

8、線 1、偏饋天線的組成：、偏饋天線的組成： 偏饋反射面是在旋轉拋物反射面上截取一部分而構成的。圖偏饋反射面是在旋轉拋物反射面上截取一部分而構成的。圖3示出了偏饋反射面天線的幾何關系。實際上，它同樣可將焦示出了偏饋反射面天線的幾何關系。實際上，它同樣可將焦點發(fā)出的球面波轉換成沿軸向傳播的平面波。饋源的相位中心點發(fā)出的球面波轉換成沿軸向傳播的平面波。饋源的相位中心仍放在原拋物面的焦點上，但饋源的最大輻射須指向偏饋反射仍放在原拋物面的焦點上，但饋源的最大輻射須指向偏饋反射面的中心。盡管反射面的輪廓呈橢圓型，但它的口徑仍是一個面的中心。盡管反射面的輪廓呈橢圓型，但它的口徑仍是一個圓。幾何關系可參看圖圓

9、。幾何關系可參看圖4。對于偏饋天線有式中，o是拋物面軸線與焦點到反面中心聯(lián)線的夾角。反射面在這條中心兩旁張成2e的角度。2、偏饋天線的特點：1將饋源移出天線反射面的口徑，可消除饋源及其支撐物對電磁波的遮擋。2對于偏饋天線而言，電磁波的最大輻射方向并不在偏饋反射面的法向，而是與法向成一定的夾角。這一特點也是偏饋天線的另一特色。在緯度較高地區(qū)接收衛(wèi)星信號，偏饋天線的反射面與地面幾乎垂直，不易積聚雨雪，這也是很有特色的。3偏饋天線的最大特點是旁瓣小。當反射面邊緣的照射錐削為1520dB時，偏饋天線的旁瓣電平要比前饋天線改善810dB。由于饋源避開了來自反射面的回波，因而也改善了天線的駐波比。三、卡塞

10、格倫天線三、卡塞格倫天線 圖圖5為卡塞格倫天線的結構圖為卡塞格倫天線的結構圖 圖6卡塞格倫天線的幾何關系圖1、構造：是一種雙反射面天線，其主反射面是旋轉拋物面，副反射面是旋轉雙曲面。雙曲面有2個焦點：其中F1與主反射面的焦點重合，F(xiàn)2點放置饋源。根據(jù)雙曲面的性質，由F2發(fā)出的射線被副面反射，其反射線可以看成是共軛焦點F1發(fā)出的射線。又因為F1是拋物面的焦點，所以，由F2發(fā)出的波經副反射面和主反射面反射后，在口徑面形成同相場，從而得到平行于軸向的輻射波。2、特點：雙反射面的優(yōu)點之一在于可以采用賦形技術。如果修正旋轉雙曲面的形狀，使口徑場分布符合要求，同時適當?shù)匦薷闹髅嬉孕Ｕ捎诟泵娓淖兌鸬目?/p>

11、徑場相位差，那么，卡塞格倫天線將有較高的電性能，效率可達80%。但卡塞格倫天線的副面直徑一般要取較大，這在小口徑天線中會造成較大的遮擋。且造價高。3、優(yōu)化：存在矛盾：付面小，截獲饋源來的射線效率低；付面大，對主面來的射線阻擋大優(yōu)化方法：付面在主面上的投影，等于從主面焦點看向饋源在主面上的投影。經驗取值：Ds/D=0.080.15;o=7090度4、饋源：采用小張角的園錐喇叭饋源，角度小于30度。如圖7所示。一、對饋源的要求一、對饋源的要求 要求：饋源是反射面天線的心臟。它的性能對整個天線的要求：饋源是反射面天線的心臟。它的性能對整個天線的性能有很大的影響。反射面天線要求饋源有確定的相位中心、性

12、能有很大的影響。反射面天線要求饋源有確定的相位中心、軸對稱的方向圖、低的交叉極化、良好的駐波比、足夠的帶軸對稱的方向圖、低的交叉極化、良好的駐波比、足夠的帶寬以及較小的遮擋等等。寬以及較小的遮擋等等。 二、饋源的結構二、饋源的結構 1、波導輻射器：在微波波段通常采用波導傳輸電磁能量。、波導輻射器：在微波波段通常采用波導傳輸電磁能量。波導是空心的金屬管，電磁波在其中傳播時，一方面，波波導是空心的金屬管，電磁波在其中傳播時，一方面，波導管對電磁波起屏散作用，使電磁波限制在波導管中的傳導管對電磁波起屏散作用，使電磁波限制在波導管中的傳播；波導中不同的場結構，形成了不同的傳播模式。圓波播；波導中不同的

13、場結構，形成了不同的傳播模式。圓波導的主模是導的主模是TE11模，如圖模，如圖8所示。所示。 終端開口的波導，導波能量從開口面向空間輻射，稱為終端開口的波導，導波能量從開口面向空間輻射，稱為波導輻射器。波導輻射器的方向圖相當寬，用它照射拋物波導輻射器。波導輻射器的方向圖相當寬，用它照射拋物面天線，最大理論效率只能達面天線，最大理論效率只能達74%，而且波束寬度大，方，而且波束寬度大，方向圖帶寬也差。向圖帶寬也差。 2、園錐喇叭饋源：小張角的園錐喇叭饋源，角度小于、園錐喇叭饋源：小張角的園錐喇叭饋源，角度小于30度。度。3、平面開槽喇叭：在圓波導口上套上一個開有環(huán)形槽的法蘭盤，則構成平面開槽喇叭

14、，它改善了波導輻射器的照射性能。90波紋喇叭的結構如圖9所示。它的環(huán)形槽數(shù)通常為26個，齒厚遠小于工作波長，槽寬W/4，槽深h約為/4。中心波導一般工作于TE11主模，若工作頻段內最大、最小波長分別為max、min，則要求波導半徑為R滿足：0.293maxR0.61min。平面開槽喇叭具有旋轉對稱的波瓣，相位中心固定，旁瓣電平低，交叉極化小，結構簡單，成本低等優(yōu)點。反射面天線的饋電喇叭通常接有極化轉換器和矩圓過渡波導。極化器將圓極化波轉換為線極化波，矩圓過渡波導則將圓波導中的波型變換為矩形波導中的波型，以便與LNB匹配。一、電波的極化特性1、線極化：在三維空間，沿Z軸方向傳播的電磁波，其瞬時電

15、場可寫為：其中假設與的相位差為n(n=1,2,3,)，那么，合成矢量的模為:是一個隨時間變化而變化的量；合成矢量的相位為常數(shù)?？梢姾铣墒噶康亩它c的軌跡為一條直線。與傳播方向構成的平面稱為極化面，當極化面與地面平行時，為水平極化；當極化面與地面垂直時，為垂直極化波。2、園極化：假設與的幅度相等，相位差為(2n+1)/2時，那么:故合成矢量端點的軌跡為一個園。根據(jù)電場旋轉方向不同，圓極化可分為右旋和左旋兩種。觀察者沿波的傳播方向看去，電場矢量在截面內順時針方向旋轉滿足右手定測稱右旋極化，逆時針方向旋轉滿足左手定測稱左旋轉化。因而，假設超前/2，則為右旋極化波，假設落后/2，則為左旋極化波。3、橢園

16、極化：假設與的幅度和相位差均不滿足上述條件時，合成矢量端點的軌跡為一個橢園。橢圓極化波的橢圓長短軸之比，稱為軸比，當橢圓的軸比等于1，橢圓極化波即是圓極化波。當軸化為時，電波的極化為線極化。波的極化狀態(tài)如圖10所示。4、電波的極化與天線的關系：電波的極化特性是由發(fā)射天線決定的，反過來不同極化的電波則要求天線與之極化匹配，即線極化天線只能輻射或接收線極化波，并且，水平極化天線只能接收由水平極化天線輻射的水平極化波，不能接收由垂直極化天線輻射的垂直極化波，反之亦然。圓極化天線只能發(fā)射或接收圓極化波，并且，右旋圓極化天線只能接收右旋圓極化天線發(fā)射的右旋圓極化波，而不能接收左旋圓極化波，反之亦然。衛(wèi)星

17、電視廣播有的用線極化波，有的用圓極化波。一般衛(wèi)星電視接收天線都設計成能工作于接收線極化和圓極化波兩種狀態(tài)。值得注意的是，若衛(wèi)星電視廣播的電磁波是右旋圓極化波的，但右旋圓極化波經反射面一次反射則變?yōu)樽笮龍A極化，所以，進入前饋天線饋源的圓極化是左旋的。對于后饋天線，入射波經主、副反射面二次反射后，仍然為右旋圓極化波。由于天線饋源輸出端通常要與帶有矩形接口的室外接收單元聯(lián)接，所以，反射面天線的饋源通常需要一段極化轉換器和矩圓過渡波導，如圖11-1所示。對于接收采用園極化波的衛(wèi)星廣播信號，裝在接收天線饋源后的極化器先將圓極化波轉換為線極化波，再通過矩圓過渡波導將圓波導中的波型變換為矩形波導中的波型，以

18、便與其后的衛(wèi)星接收高頻頭LNB接口配接。二、極化轉換器原理與結構二、極化轉換器原理與結構 1、原理、原理 由于圓極化波可以看成是由由于圓極化波可以看成是由2個正交、等幅、相位個正交、等幅、相位差差90的線極化波分量合成的，所以，極化器的工作的線極化波分量合成的，所以，極化器的工作原理就是用一個分量移相器使其中一個線極化波改變原理就是用一個分量移相器使其中一個線極化波改變相位，經一段傳輸路程后，二個分量的相位變成相同，相位，經一段傳輸路程后，二個分量的相位變成相同，其合成場變成了線極化波。反射面天線中常用其合成場變成了線極化波。反射面天線中常用45介介質片分量移相器和銷針分量移相器。它們移相原理

19、是質片分量移相器和銷針分量移相器。它們移相原理是相同的。相同的。2、介質移相器結構：45介質片分量移相器如圖11所示。在圓波導內與矩形波導寬邊45角方向上安裝一個介質片，設進入饋源的來波是左旋圓極化波。將圓極化波分解為與介質片平行的分量E11及介質片垂直的分量E。由于是左旋，所以E11超前E90。但E11在介質片上傳輸?shù)乃俣缺却怪庇诮橘|片的E慢，E11的相位逐漸被延遲。選擇合適的介質片長度l，使E11的相位恰好延遲90，E11變成了與E同相位，于是合成場變?yōu)榕c介質片成45角的線極化波。由于極化方向與寬邊垂直，所以該極化波能進入矩形波導進行傳輸。用作分量移相器的介質片，一般由微波損耗小的聚四氟乙

20、烯板或聚四氟乙烯纖維板制作而成。片長一般通過實驗才能最后確定，二頭切成凹狀是為了減少波的反射。3、螺釘移相器結構：圖12表示在圓波導內放置兩排銷釘，構成銷釘分量移相器。對于行于銷釘所在平面的電場E11來說，銷釘呈容性，使其相速減小，而對垂直于銷釘面的E來說銷釘呈感性，使其相速增加?？刂其N釘插入深度和銷釘?shù)膫€數(shù)，可以做到E11與E同相，將圓極化波轉換為線極化波。為了使銷釘移相器與波導匹配，銷釘?shù)牟迦肷疃仁菨u變的，中間最深，兩邊最淺。用漸變寬度的月牙形金屬片代替兩排銷釘，也能構成移相器，其基本原理與銷釘移相器相同。由于銷釘所在平面與介質所在平面一樣，都是使與之平行的E11相位滯后。所以在完成同樣的

21、極化方式轉換時，銷釘平面在圓波導內的取向與介質片的取向是一致的。圓形波導由于結構對稱，對波的極化形式沒有選擇，而矩形波導只允許與其寬邊垂直的電場通過，所以波導的寬邊必須與電波極化的方向相垂直。4、可調線極化器一種可調線極化饋源，如圖13所示。在接收線極化波時，只要調整線極化振子，使之平行于線極化波的極化方向即可。若將振子改為小螺旋，則該饋源接收圓極化波無需加極化器。此外，背射螺旋饋源也是不加極化器而接收圓極化波的。前饋和后饋天線接收各種極化波時，極化器與波導寬邊的安置方向如圖14所示，這是從高頻頭的矩形波導口向饋源方向看去的。三、矩圓過渡波導三、矩圓過渡波導 1、必要性：、必要性： 波導型的饋

22、源為了獲得旋轉對稱的方向圖，通常以圓波導型的饋源為了獲得旋轉對稱的方向圖，通常以圓波導激勵。緊接在饋源后面的極化器也是由圓波導構成波導激勵。緊接在饋源后面的極化器也是由圓波導構成的。而高頻頭的輸入端是矩形波導，所以，在饋源的輸?shù)?。而高頻頭的輸入端是矩形波導，所以，在饋源的輸出端口有一個圓矩過渡波導段，以完成圓波導中的出端口有一個圓矩過渡波導段，以完成圓波導中的TE11模到矩形波導中模到矩形波導中TE10模的轉換。在矩圓過渡波導段中引模的轉換。在矩圓過渡波導段中引入一些小的不連續(xù)性，以改善饋源的駐波比，達到阻抗入一些小的不連續(xù)性，以改善饋源的駐波比，達到阻抗匹配的目的。匹配的目的。2、漸變矩圓過

23、渡波導：矩圓波導的過渡有多種形式。圖15為漸變矩圓過渡波導，圓波導TE11模經過一段漸變線逐漸過渡為矩形波導TE10模。為了使電磁能量從圓波導全部傳入矩形波導，要求矩形波導與圓波導的二模相位相等，據(jù)此得圓波導半徑R=2/3.41=0.6，其中是矩形波導寬邊尺寸。與此類似的漸變過渡變換方式還有楔形圓矩過渡，如圖16所示。3、階梯過渡波導：階梯式矩圓過渡波導如圖17所示。采用幾節(jié)長度為g/4階梯，使圓波導過渡到矩形波導，g為其節(jié)變形波導段的波導波長。一般采用2節(jié)g/4過渡段，每一臺階的高度由g/4過渡段的特性阻抗決定。一、天線的方向圖一、天線的方向圖 1、方向圖、方向圖 天線輻射的電場強度在空間各

24、點的分布是不一樣的，為了描述天線輻射的電場強度在空間各點的分布是不一樣的，為了描述天線這種輻射強度的分布情況，我們可以用矢量來表示。把天線天線這種輻射強度的分布情況，我們可以用矢量來表示。把天線放置于坐標原點，并使其軸向與放置于坐標原點，并使其軸向與z軸方向重合，所有的矢量從原點軸方向重合，所有的矢量從原點出發(fā)，其長度代表電場強度。用連線連接各矢量端點，所圍成的出發(fā)，其長度代表電場強度。用連線連接各矢量端點，所圍成的包絡，就是天線的方向圖。顯然，方向圖是三維的，但通常取其包絡，就是天線的方向圖。顯然，方向圖是三維的，但通常取其水平和垂直兩個切面，故有水平方向圖和垂直方向圖，或水平和垂直兩個切面

25、，故有水平方向圖和垂直方向圖，或E面面(平平行于電場行于電場)和和H面垂直于電場方向方向圖。如圖面垂直于電場方向方向圖。如圖18所示。所示。2、主瓣寬度方向圖反映了天線集中輻射能的情況。通常方向圖有許多葉瓣，最大輻射方向的葉瓣叫主瓣，其它葉瓣叫旁瓣(或付瓣)。主瓣寬度定義為當信號功率下降到最大輻射方向功率值的一半即-3dB)(即場強下降為最大值的0.707倍)處，兩點之間的夾角寬度。一般情況下，口徑為D的向拋物面天線，其主瓣寬度可用下式估算：,為工作波長例如：C波段天線：6米3dB=0.9；3米3dB=1.8；1.5米3dB=3.6。3、付瓣電平副瓣電平定義如下：付瓣電平=10lg付瓣最大功率

26、/主瓣最大功率）。付瓣電平高，會對其他通信產生干擾，也容易受干擾，故其值越小越好。二、天線增益二、天線增益 1、天線增益的定義、天線增益的定義 在相同輸入功率條件下，天線在最強方向上某一點所在相同輸入功率條件下，天線在最強方向上某一點所產生的電場強度的平方產生的電場強度的平方E2(或功率或功率P)與無耗理想點源天線與無耗理想點源天線在該點產生的電場強度的平方在該點產生的電場強度的平方E20(或功率或功率P0)之比，即之比，即 若采用分貝數(shù)表示，則若采用分貝數(shù)表示，則有：有： 2、理想面天線的增益計算：設面天線的等效開口面積為S0，在S上電場為同相均勻分布，則與理想點源天線的等效開口面積之比即為面天線的增益，即3、非理想面天線的增益對非理想面天線，其實際開口面積與等效開口面積之比，定義為該天線的效率，即So=S，則非理想面天線的增益為：若用分貝數(shù)表示，則有由于天線的效率與天線的形式、結構和加工工藝等有關，故不同的天線其效率也各不相同。在通常情況下，各種類型天線的效率可作如下估計：網狀普通拋物面天線：=50%板狀拋物面天線：=60%卡塞格倫天線：=70%三、天線的噪聲溫度：三、天線的噪聲溫度： 1、天線的品質因素：、天線的品質因素： 除了天線增益外，天線的噪聲溫度對整個接收系統(tǒng)的性除了天線增益外，天線的噪聲溫度對整個接收系統(tǒng)的性能也有重要的