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1、常用卫星通信天线简介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，
2、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。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，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带 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
3、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 0.70.75，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。卡塞格伦天线的优点是天线的效率高，噪声温度低， 馈源和低噪声放大器可以安装在天线后方的射频箱里，这
4、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。图 2 卡塞格伦天线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
5、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。环焦天线的设计可消除副反射面对对电波的阻挡，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
6、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。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。可以使用天线偏馈技术解决这个问题。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。图 5 偏馈天线6 双频段天线如果使
7、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。 图 6 FSS 的结构及电磁特性图 7
8、 双频段天线用卫星通信天线介绍（二）平板天线寇松江（爱科迪信息通讯技术有限公司，北京，100070）E-mail: 1.平板天线介绍平板天线采用阵列天线技术，将几十上百甚至上千个天线单元集成在一块平板上，以 获得较高的增益。平板天线主要应用在雷达方面，近年来平板技术 开始出现在卫星通信领域。平板天线的天线单元种类很多，常用的有微 带贴片、波 导缝 隙、喇叭天线等。平板天线可分为平板、平板相控阵、平板抛物面等类型。2.平板天线与抛物面的比较 平板天线剖面低，易于小型化 设计；平板天线的波束可赋形，可 设计为多波束；易进行共形设计；平板相控阵天线更加适合高速载体上的动中通信。平板天线的增益一般比同
9、口径抛物面天线低，因为它的辐射效率、口径效率 较抛物面低。笔者认为，平板天线更适合于低剖面 动中通方向的应用。3.常见 Ku 波段平板天线介绍平板天线的应用频带很宽，本文仅涉及 Ku 频段的天线。（1）StealthRay 低抛面相控阵天线StealthRay 系列天线是 Ku 频段低剖面、双向动中通相控阵天线，是美国 Raysat Antenna Systems（RAS）公司的产品。该公司是 Raysat 集团公司中的一员。 Rasat 在 1997 年获得了相控阵技术专利，并将其应用于卫星通信天 线的开发之中。相控阵天线最大的优势是波束方向的改变是电扫，而不是 传统的机械扫描。波束方向改
10、变迅速，无惯性。非常适合高速运动载体的通信。StealthRay 系列的最新产品是 StealthRay 5000，其外形如图 1 所示。尺寸为 115 L x 90 W x 21 H cm，外观优雅漂亮。跟星性能极 为优良。图 1 StealthRay 5000 其内部结构如图 2 所示，天 线面为微带阵列结构，共四片，两片接收，两片发射，采用分片式布局，以压低天线高度。射频方面采用极化自适应和空间波束合成技 术。发射增益 29dBi，接收增益 28dBi。详细信息 请参阅 2009 年 10 月 29 日博客 超低抛面相控阵动中通卫星通信天线 StealthRay 3000。图 2 Ste
11、althRay 5000 内部结构 （2） Mijet 平板动中通天线Mijet 系列天 线是以色列公司 Starling-com 的产品，它是 Ku 频段平板动中通天线。Starling-com 公司最初生 产空载动中通 卫星通信天线，剖面低，增益高，性能好。Mijet 天线装在飞机上的情况如图 3 所示。天线直径 76cm，高度 15cm，重量 50Kg。图 3 Mijet 平板动中通天线Mijet 内部结构如图 4 所示。采用分片结构，一片 发射，两片接收。天线面采用微带阵列结构。EIRP42dBW，G/T 值11dB/K。图 4 Mijet 内部结构近年来 Starling-com 推
12、出一款汽车上使用的 Ku 频段平板 动中通天线 StarCar，其外形及内部结构如图 5 所示。但 StarCar 的销售情况并不好。与 StealthRay 相比，StarCar 在跟星性能方面还有待改进， 毕竟空载平台与 车辆平台的运动规律有很大不同。图 5 StarCar 车载平板天线(3)Microsat System 平板相控阵静中通天线Microsat 天线是美国 Gigasat 公司的产品。天线采用微带阵列结构，等效口径 0.55m，可工作于 X、Ku、Ka 频段。外尺寸 455625cm，工作于 Ku 波段时 EIRP49dBw，全重只有 17Kg（含充电电池）。被称为真正的手
13、提箱式便携天 线。图 6 Microsat System 平板相控阵静中通天线（4）EL/K 1891 机载相控阵动中通天 线这款天线是以色列航空工业集团公司的产品，被使用在阿帕奇直升机上，提供 X/Ku 频段动中通卫星通信。如图 7 所示。图 7 EL/K 1891 机载相控阵动中通天线该天线采用波导缝隙结构，收发单元各 7080 个。提供低速率数据传输。内部结构如图所示。图 8 EL/K 1891 天线内部结构4.国内卫星通信平板天线的发展在卫通领域，国内平板天 线的发展很滞后，尚未有成熟的产品。石家庄 54 所尝试采用波导缝隙技术开发 Ku 频段平板动中通相控阵天线，并于 2007 年申请了天线面的专利。但直到今天尚未有成熟的产品面市。上海 51 所，仿照 StealthRay 2000，研发了一款低抛面相控阵天线，但仅限于接收。今年的卫星大会及消防器材展会上都有 Ku 频段平板静中通天线参展，如图 9、图 10所示。图 9 2009 年卫星应用大会展出的平板天线图 10 2009 年消防器材大会展出的平板天线准确地说，这些天线都是半成品，尚未实现极化自适应调 整，只能通过旋转天线面来调整极化。由此可见，中国自己要生产 低剖面平板或相控阵动中通天线还有很长的路要走
