天线基础知识及应用--天馈系统和极化问题

天馈系统除了保证足够高的增益和尽可能低的天线噪声，将接收到的微弱电波有效地馈给高频头的低噪声放大器外，还应提供正确的天线指向和极化方式。另外，天线系统要具有足够高的承受风荷的能力。


一 天线的类型

天线分旋转极化天线和非旋转极化天线。旋转极化天线有螺旋线天线和抛物面天线两种。后者又有两种基本形式，一种称为主焦点抛物面天线，它只有一个反射面，是前馈型的；另一种称为卡塞格伦天线，是后馈型的，它除了主反射面(抛物面)以外，还有副反射面(双曲面)，电波经两次反射后才集中到一点。主焦点天线简单，但性能较差；卡塞格伦天线的低噪声前置放大器可以放在抛物面的背后，可以防止阳光照射，特别适合在热带的卫星电视接收站使用，但成本较高。

此外，还有平板天线和环焦天线等，前者使用轻便，适合家庭接收用；后者减小了天线旁瓣，提高了接收效率。为了灵活地接收不同卫星上的电视节目，还生产出一种电动极轴天线。该天线除了原有的天线、馈源外，还设有电动机减速传动天线机构和微机控制的天线控制器。

有些有线电视系统采用多焦点抛物面天线，用一个固定天线同时接收多颗卫星的电视信号。这种天线装有多个馈源，可以形成多个波束，每个馈源分别接收来自不同卫星的信号。其反射器使用变形的球面或抛物面，例如用球面上截取的矩形，或用两种曲线构成反射器，水平方向是园弧，垂直方向是抛物线的一部分。

大型卫星通信站的抛物面天线直径为15~30m，中型为4~10m，家用直播卫星电视Ku频段接收天线可小至0.5m。目前我国C频段卫星电视接收站多用1.5~3m天线，Ku波段用0.75~1.5m天线。随着天线、馈源的效率和性能的提高，以及低噪声放大器噪声温度的降低，天线直径可减小。


二 天线的馈源系统

馈源是天线的心脏，它用作高增益聚集天线的初级辐射器，为抛物面天线提供有效的照射。

(1)有合适的方向图。馈源初级方向图不能太窄，否则抛物面不能被全部照射；但也不能太宽，以免功率泄漏过多。另外，初级方向图应接近于旋转对称，最好没有旁瓣和尾瓣。

(2)有理想的波前。圆抛物面天线要求馈源的波前为球面，以确保该相位中心与焦点重合时抛物面口径场的相位均匀分布。否则，会引起天线方向图畸变、增益下降、旁瓣升高。

(3)无交叉极化。即无干扰主极化的交叉分量，要求馈源辐射场的交叉化分量尽可能小。

(4)阻抗变化平稳。要求在工作频段内，馈源的输入阻抗不应变化过大，以保证和馈线匹配。

(5)尺寸尽量小。完整的馈源系统主要由馈源喇叭、90°移相器和圆矩变换器几部分组成。馈源按使用的方式可分为前馈馈源和后馈馈源。按卫星频段可分为C频段馈源和Ku频段馈源；目前已开发出C和Ku频段的共用馈源。前馈馈源一般应用于普通的抛物面天线，后馈馈源一般应用于卡塞格伦天线。

抛物面天线常用馈源形式有角锥喇叭、圆锥喇叭、开口波导和波纹喇叭等。前馈馈源中使用最多的是波纹槽馈源；再有一种叫带扼流槽的同轴波导馈源。后馈馈源喇叭常用的是介质加载型喇叭，它是在普通圆锥喇叭里面加上一段聚四氟乙烯衬套构成的。偏馈天线要选用偏馈馈源，偏馈馈源盘的波纹呈漏斗状，而正馈馈源的波纹盘为水平状。



三 极化器对极化波的接收

1. 极化波

电波在空间传播时，其电场矢量的瞬时取向称为极化。如果电波传播时电场矢量的空间描出轨迹为一直线，它始终在一个平面内传播，则称为线极化波。线极化波又有水平极化波和垂直极化波之分。若电场矢量在空间描出的轨迹为一个圆，即电场矢量是围绕传播方向的轴线不断地旋转，则称为圆极化波。

电波的极化特性取决于发射天馈系统的极化特性。接收天线必须与发射天线具有相同的极化和旋向特性，以实现极化匹配，从而接收全部能量。若部分匹配，则只能接收部分能量。一个线极化波可以分解为两个旋转方向相反的圆极化波；一个圆极化波也可分解为相互正交的线极化波。所以，接收线极化波的天线也可接收圆极化波，接收圆极化波的天线也可接收线极化波，但是会有3dB的能量损失。无论是线极化天线、还是圆极化天线，都不能接收它们自己的正交分量。



2. 极化器

极化器是控制天馈系统极化方向的装置，用于选择与卫星电视信号一致的极化型式，并抑制其它型式的极化波，以获得极化匹配，实现最佳接收。现代卫星电视传输中，还利用垂直极化与水平极化、左旋圆极化和右旋圆极化的相互隔离之特性传送不同的电视节目，以提高卫星的传输容量。圆极化波和线极化波各有优缺点，圆极化波在穿过雨雾层和电离层时，引入的损耗小，也不存在线极化波极化面旋转的问题，而线极化波的最大优点是实现简单。



3. 天线馈源对线极化波的接收

值得注意的是，卫星转发器发射的线极化波是以卫星的轴系为基准来定义的。例如，广播卫星的水平极化波是和同步轨道在卫星定点处的切线平行的，而垂直波是和切线垂直的。以水平波为例，图中与卫星定点经度相同的地面站A，接收到的水平波没有变化；而不同经度的站B，接收到的水平波产生了倾斜，离卫星定点经度越远，倾斜越严重。为了实现匹配，必须对站B的馈源作相应的极化补偿，即转一个角度P。而在赤道上的站C，是极端情况，在那里接收水平信号时，馈源要转90°。



四 天线系统的选择

在工程常用一些主要参量来表征天线的特性，如方向图、主瓣宽度、副瓣电平、增益、极化、频带宽度、驻波比、噪声温度和天线的风荷等。对C频段天线电性能的要求，请参阅国家标准《GB11442- 95》；对Ku频段天线电性能的要求，请参阅国家标准《GB/T 16954-1997》。

选择天线时应注意几个问题：

(1)应严格按《(标称)铝板天线卫星电视接收技术条件》中关于天线的要求进行选择。

(2)天线结构是否合理。如天线支撑是否牢固、仰角和方位角调整杆螺距粗细，以及调节是否方便等。

(3)板状天线与网状天线的选择，与用户的站址有关。在大、中城市或工业区，因空气污染严重，以选择板式为好。若站址在山区风力大的地方，可选合铝网结构的天线，虽然其增益比板式低，受雨雪影响也大，但其抗风能力强。

(4)前馈天线与后馈天线的选择。由于HEMT器件和低噪声场放的出现，使它们可以直接连在馈源后面，克服了前馈馈线比后馈馈线损耗大的缺点，使前馈天线的噪声温度大大降低。目前的前馈天线仅比后馈天线增益低0.2dB左右，这对卫星电视接收站电视信号的接收质量影响很小。但后馈天线可以同时作为卫星通信地球站的天线，而前馈天线不能。

(5)天线跟踪、驱动方式的选择。在使用大口径天线时，多用双轴跟踪；在使用小口径天线时，单轴、双轴跟踪方式都可采用。

天线驱动方式有手动、电力和自动三种。前两种均是人工定位，功能简单、造价低；第三种方式在使用双轴跟踪天线时，一般采用单板微机控制，具有自动选择(精度可超过0.3°)、跟踪某一个或预置几个卫星(精度可超过0.1°)等功能，从而使天线能够迅速地找到任何一颗需要的卫星，并以信号跟踪方式保证天线处于最佳接收状态。在使用单轴自动跟踪天线时，一般采用电桥平衡方式自动记忆卫星位置，也可以预置同步轨道上多个卫星，并迅速找到任何一颗卫星；但不能以信号跟踪卫星。

(6)采用小天线单收站(TVRO)的可能性。减小天线口径最有效的办法是：加大星上EIRP；降低高频头的噪声温度；提高天线的效率；降低接收机门限电平。

(7)偏馈天线的应用与选择。Ku频段接收小天线有正馈与偏馈两种，正馈Ku天线是圆抛物中心聚焦馈电式；偏馈Ku天线则大多是椭圆型或菱形偏焦馈电式。正馈Ku天线焦距相对短一些，在相同尺寸情况下，偏馈天线比正馈天线的增益略高，因此现阶段Ku频段小天线几乎都是采用偏馈式的。