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    卫星通信天线介绍

    作者:admin 来源:程星通信 日期:2015-03-09 12:10 浏览:

           天线是卫星通信系统的重要组成部分,是地球站射频信号的输入和输出通道,天线系统性能的优劣影响整个卫星通信系统的性能。地球站与卫星之间的距离遥远,为保证信号的有效传输,大多数地球站采用反射面型天线。反射面型天线的特点是方向性好,增益高,便于电波的远距离传输。
           反射面的分类方法很多,按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线;按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线;按频段可分为单频段天线和多频段天线;按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。下文对一些常用的卫星通信天线作简单介绍。
           1、抛物面天线
           抛物面天线是一种单反射面型天线,利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面,将馈源置于抛物面的焦点F上,馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列,如图1所示。发射时信号从馈源向抛物面辐射,经抛物面反射后向空中辐射。由于馈源位于抛物面的焦点上,电波经抛物面反射后,沿抛物面法向平行辐射。接收时,经反射面反射后,电波汇聚到馈源,馈源可接收到最大信号能量。

    抛物面天线

    图1 抛物面天线

           抛物面天线的优点是结构简单,较双反射面天线便于装配。缺点是天线噪声温度较高;由于采用前馈,会对卫星通信信号造成一定的遮挡;使用高频功率放大器时,功率放大器重量带来的结构不稳定性必须被考虑。
            2、卡塞格伦天线
           卡塞格伦天线是一种双反射面天线,它由两个发射面和一个馈源组成,如图2所示。主反射面是一个旋转抛物面,副反射面为旋转双曲面,馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上,抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合,即都位于F2点。从从馈源辐射出来的电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。由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合,经主副反射面的两次反射后,电波平行于抛物面法向方向定向辐射。对经典的卡塞格伦天线来说,副反射面的存在遮挡了一部分能量,使得天线的效率降低,能量分布不均匀,必须进行修正。修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后,天线效率可提高到0.7—0.75,而且能量分布均匀。目前,大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。

    卡塞格伦天线
    图2 卡塞格伦天线

           卡塞格伦天线的优点是天线的效率高,噪声温度低,馈源和低噪声功率放大器可以安装在天线后方的射频箱里,这样可以减小馈线损耗带来的不利影响。缺点是副反射面极其支干会造成一定的遮挡。
            3
    、格里高利天线
           格里高利天线也是一种双反射面天线,也由主反射面、副反射面及馈源组成,如图3所示。与卡塞格伦天线不同的是,它的副反射面是一个椭球面。馈源置于椭球面的一个焦点F1上,椭球面的另一个焦点F2与主反射面的焦点重合。格里高利天线的许多特性都与卡塞格伦天线相似,不同的是椭球面的焦点是一个实焦点,所有波束都汇聚于这一点。


    图3 格里高利天线

           4、 环焦天线
           对卫星通信天线的总要求是在宽频带内有较低的旁瓣、较高的口面效率及较高的G/T值,当天线的口面较小时,使用环焦天线能较好地同时满足这些要求。因此,环焦天线特别适用于VSAT地球站。
           环焦天线由主反射面、副反射面和馈源喇叭三部分组成,结构如图4所示。主反射面为部分旋转抛物面,副反射面由椭圆弧CB绕主反射面轴线OC旋转一周构成,馈源喇叭位于旋转椭球面的一个焦点M上。由馈源辐射的电波经副反射面反射后汇聚于椭球面的另一焦点M’, M’是抛物面OD的焦点,因此,经主反射面反射后的电波平行射出。由于天线是绕机械轴的旋转体,因此焦点M’构成一个垂直于天线轴的圆环,故称此天线为环焦天线?;方固煜叩纳杓瓶上狈瓷涿娑远缘绮ǖ淖璧?,也可基本消除副反射面对馈源喇叭的回射,馈源喇叭和副反射面可设计得很近,这样有利于在宽频带内降低天线的旁瓣和驻波比,提高天线效率。缺点是主反射面地利用率低,如图4所示,AA’间的区域没有作用。

    环焦天线
    图4 环焦天线
     

           5、偏馈型天线
           无论是抛物面天线,还是卡塞格伦天线,都有一个缺点,总有一部分电波能量被副反射面阻挡,造成天线增益下降,旁瓣增益增高??梢允褂锰煜咂〖际踅饩稣飧鑫侍?。所谓偏馈天线,就是将馈源和副反射面移出天线主反射面的辐射区,这样就不会遮挡主波束,从而提高天线效率,降低旁瓣电平。偏馈型天线广泛应用于口径较小的地球站。这类天线的几何结构比轴对称天线的结构要复杂得多,特别是双反射面偏馈型天线,其馈源、焦距的调整要复杂得多。

    偏馈天线
    图5 偏馈天线

           6、双频段天线
           如果使用频率选择表面(FSS)作副反射面,就可以构成双频段天线。FSS是一种空间滤波器,通过在空间放置周期性的金属贴片或金属缝隙构成,它在某些频率可让电磁波无衰减的通过,而在另外一些频率将电磁波完全反射。其结构及电磁特性如图6所示,在频率f1电磁波被完全反射,在频率f2电磁波完全通过。如果我们使用这样的FSS作副反射面,并使馈源1工作在f1,馈源2工作在f2,则两个馈源可无干扰地工作在同一副天线上,如图7所示。利用相同地原理,可制成多频段天线,这种技术已在卫星上得到应用。这种天线地优点是可有效利用反射面,降低天线重量
    。

    FSS的结构及电磁特性
    图6 FSS的结构及电磁特性
    双频段天线

    图7 双频段天线
     

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