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1、第四章 卫星接收系统 系统组成:天线、馈源、高频头、卫星接收机 、功分器。 卫星接收天线:工作原理、主要参数、馈源 高频头:框图、特性参数 卫星接收机:工作原理、特性参数 功分器:特性参数、无源功分、有源功分* 数字卫星广播14.1卫星接收天线1、广泛使用的卫星接收天线为反射面天线,由 反射面和馈源组成。 2、分类: 按反射面与馈源的相对位置分为:前馈、后馈和 偏馈天线。 按工作原理分为:旋转抛物面、卡塞格伦、格里 高利、球形反射面天线。 3、作用:收集电磁波* 数字卫星广播2411 工作原理反射面天线工作原理分析方法:几何光学法、口 面场积分法、口面电流法。 几何光学法两个基本出发点: 光线
2、沿直线传播 入射角等于反射角* 数字卫星广播3411 工作原理一、旋转抛物面天线 旋转抛物面天线(直径1-4.5米),又称为前馈天线 。 1、抛物线定义:到一个定点(焦点)和一个直线( 准线)等距离的点的运动轨迹。 2、抛物面形成:抛物线沿对称轴旋转一周 3、抛物线方程:f抛物线焦距 4、抛物线极坐标方程:旋转抛物面的四个几何参数 :焦距f、口面直径d、口面半张角、抛物面厚度W 。关系公式。* 数字卫星广播4411 工作原理一、旋转抛物面天线 旋转抛物面天线(直径1-4.5米),又称为前馈天线 。 1、抛物线定义:到一个定点(焦点)和一个直线 (准线)等距离的点的运动轨迹。 2、抛物面形成:抛
3、物线沿对称轴旋转一周 3、抛物线方程: * 数字卫星广播f抛物线焦距411 工作原理 4、旋转抛物面的四个几何参数:焦距f、口面直径d 、口面半张角0、抛物面厚度W。 * 数字卫星广播6几何参数之间的关系式 :一、旋转抛物面天线411 工作原理5、旋转抛物面的焦距口径比是天线的一项基本参数 。 f=0.25d 中焦天线 f小于0.25d 短焦天线 f大于0.25d 长焦天线 f=0.38d 天线性能最好 * 数字卫星广播7一、旋转抛物面天线411 工作原理 6、抛物线的两个重要几何光学性质: 平行于抛物线对称轴方向入射的射线经抛物线反 射后一定经过焦点。 平行于抛物线对称轴方向入射的射线经抛物
4、线反 射后经过焦点时,所走路程是相同的。 7、旋转抛物面天线的工作原理:天线对准卫星时, 卫星发射的电磁波平行于天线的轴线传播,经反 射面反射后同相聚焦。 同相聚焦两层含义: 电波传输距离相同,相位相同; 所有反射线都经过焦点处聚焦。* 数字卫星广播8一、旋转抛物面天线天线的轴线偏离卫星方 向,就形成散焦。发射和接收状态相类似 一、旋转抛物面天线二、卡塞格伦天线1、组成 卡塞格伦天线是双反射面天线。它由主反射面、副 反射面和馈源三部分组成。主反射面是旋转抛 物面,副反射面是旋转双曲面。 2、主面的3个几何参数: 焦距f、直径d、口面半张角。 3、副面有两个焦点:虚焦点和实焦点。虚焦点的位 置与
5、主面焦点重合。卡塞格伦天线馈源放置在副 面实焦点。 * 数字卫星广播10二、卡塞格伦天线二、卡塞格伦天线4、双曲线的两个重要几何光学性质: 对准虚焦点发出的射线经过双曲线反射之后,必 然经过实焦点 从反射点到两个焦点的行程差为常数,对于电磁 波来说就是相位差为常数。 双曲面的作用是将焦点进行搬移。* 数字卫星广播12三、 格里高利天线4、双曲线的两个重要几何光学性质: 对准虚焦点发出的射线经过双曲线反射之后,必 然经过实焦点 从反射点到两个焦点的行程差为常数,对于电磁 波来说就是相位差为常数。 双曲面的作用是将焦点进行搬移。* 数字卫星广播13三、 格里高利天线1、组成 格里高利天线是双反射面
6、天线。它由主反射面、副 反射面和馈源三部分组成。主反射面是旋转抛 物面,副反射面是凹椭球面 。 2、主面的3个几何参数: 焦距f、直径d、口面半张角。 3、副面有两个实焦点:焦点F1和焦点F2。焦点F1 的位置与主面焦点F重合。* 数字卫星广播14三、 格里高利天线格里高利天线有两个实焦点,一个用于发射,另一 个用于接收。收发共用 通常可以将接收馈源安放在焦点F1处,由于这个位 置同时也是主面的焦点,因此接收天线就是一个旋 转抛物面天线;而发射馈源则安放在焦点F2处。* 数字卫星广播15三、 格里高利天线三、 格里高利天线4、椭球的几何光学性质: 从一个焦点发出的射线经过凹椭球面反射之后, 必
7、然经过另一个焦点。 从反射点到两个焦点的行程之和为常数,对电磁 波来说相位为常数。 凹椭球面的作用是将发射馈源从焦点F2变换到主反 射面焦点。 于是对于发射天线来说,从焦点F2处发出的射线经 过凹椭球面反射之后,同相聚焦在焦点fI处(即主面 的焦点处),然后经过主面反射之后形成平面电磁波 * 数字卫星广播17四、 偏馈天线1、前馈天线由于馈源阻挡,后馈天线由于反射面的 阻挡,效率降低。 2、偏馈天线截取前馈和后馈天线的一部分构成。双 反射面的偏馈天线是格里高利型。 3、偏馈天线存在偏馈角。 4、按口面形状,偏馈天线分为椭圆形口面和圆形口 面。 椭圆形口面外表看是圆形 圆形口面外表看是椭圆形 *
8、 数字卫星广播18五、 球形反射面球形反射面是球面的一部分,可用一副天线同时接 收多颗卫星。* 数字卫星广播19412 主要参数 天线的主要参数:增益、方向图、半功率角、等效 噪声温度 一、增益G 1、接收天线增益的定义: 设从空间各个方向上传来的电磁波场强相同,天 线在某一方向上接收时,向负载输出的功率与一 个理想无损耗天线在该处各个方向接收时,输入 到负载中的功率平均值之比。 即:天线增益指定向天线较全向天线对电磁波接收 能力大的程度。 接收天线增益最大的方向称为天线的最大接收方向 。* 数字卫星广播20412 主要参数 2、表达式* 数字卫星广播21dB:天线的工作波长 C波段:fo=4
9、GHZ、=0.075m Ku波段:fo=12GHZ、=0.025m A:天线的口面面积 :天线的效率 一、增益G412 主要参数 2、表达式* 数字卫星广播22dB:天线的工作波长 C波段:fo=4GHZ、=0.075m Ku波段:fo=12GHZ、=0.025m :天线的效率 A:天线的口面面积 天线的口面面积是垂直于电波传播方向上的天线 的横截面面积。天线的口面面积越大,就反映了 天线能够截获的电磁波能量越多,因此天线输出 电平就越强,天线的增益也就越高。一、增益G412 主要参数 3、天线的口面效率* 数字卫星广播23天线的优劣就是出天线的口面效率来确定的。天 线的口面效率主要依靠测量确
10、定。卫星天线的口 面效率受很多因素的影响,馈源的性能对天线的 口面效率的影响起主导作用。 =5070 50:合格、60:良好、70:优良4、对圆形口面的卫星天线,增益表达式 :(dB)d:圆形口面的直径一、增益G412 主要参数 三、天线的等效噪声温度(TA)* 数字卫星广播241、天线的等效噪声温度反映了天线接收下来并传送给 匹配负载的噪声功率的大小。 2、表达式 Pn=kTAB(W) k:玻尔兹曼常数 1.3810-23(J/K) B:接收系统带宽412 主要参数 3、天线等效噪声温度的测量曲线* 数字卫星广播25人们经过大量的实际测量发现,尽管影响天线噪声温度 的因素很多,但其中天线的仰
11、角和工作波长两项因素对 噪声温度影响为最大。三、天线的等效噪声温度(TA )413 馈源 用于发射时,馈源系统将功率转化为电磁波。 用于接收时,馈源系统将电磁波转化为电功率。 * 数字卫星广播26一、波导与喇叭天线 1、喇叭天线就是波导的开口面逐渐扩大形成的。 2、波导是矩形或圆形的金属管,传播的电磁波称为导行波 。 矩形波导的主模为TE10波,为横电波。 圆形波导的主模为TE11波,为横电波。 3、标准矩形波导内壁的宽边和窄边长度为2:1。 4、矩形波导是线极化的,电场的极化方向为波导的窄边方 向。对调整馈源很重要。 圆形波导基本也是线极化。 5、波导相当于高通滤波器。413 馈源 * 数字
12、卫星广播276、圆形波导是卫星天线馈源的核心组成部分。 圆形波导(圆波导) 可以发射电磁波,同时也可以接收电磁 波。由于圆波导的结构是完全对称的,因此它既可以接收( 发射)圆极化波,也可以接收(发射)线极化波。 7、圆形波导的不足圆形波导的开口面又称为波导辐射器,它可以辐射或接收 电磁被,因此是一种最简单的口面天线形式。波导的开口 面是一种弱方向性的天线,它存在着两个明显的不足之处 :由于波导开口面的面积有限,因此其增益比较低。 由于波导内的波阻抗与自由空间的波阻抗不匹配,因此在 口面上存在着比较强的反射波,这样就会影响天线的口面 效率。由于上述的原因,开口波导很少直接作为馈源使用 。一、波导
13、与喇叭天线413 馈源 * 数字卫星广播288、解决的办法 将波导的开口面逐渐地扩大,就形成了所谓的喇叭天线。 喇叭天线的口面面积较大,因此与开口波导相比,喇叭天 线的增益较高;另外在喇叭天线中,波阻抗是逐渐地由波 导的波阻抗过渡到自由空间的波阻抗,阻抗匹配状况有了 很大的改进,因此口面上的反射系数比较小。卫星接收或发射天线广泛使用喇叭天线作为馈源,喇叭天 线的核心部分是一个直径为0.6至1.1的圆波导。一、波导与喇叭天线413 馈源 * 数字卫星广播299、圆喇叭的结构圆喇叭的结构如图4-16所示。因喇叭内传播的电波模式为 TE11被,与圆波导中的主模是一样的。一、波导与喇叭天线二、前馈馈源
14、 1、前馈馈源多采用90度波纹喇叭,由圆波导、波纹、 圆矩变换段和法兰盘组成。 2、圆波导:是馈源的核心部分,馈源的相位中心在波 导口面的内侧,距离口面很近,安装馈源时应该将相 位中心调整到反射而的焦点f处,这样才能保证馈源的 纵向安装误差为零。 4、 90度波纹喇叭:为了提高馈源的效率、减小口面 的反射、改善馈源的方向图,在圆波导的外部安装 一个或多个波纹,构成90度波纹喇叭。413 馈源 二、前馈馈源 5、90度波纹的作用:在波纹内激励的TE10波和TE11波叠 加,使得波纹口面的场分布均匀;改善了馈源和自由空间 波阻抗匹配状况;在正负50度范围内保证馈源的方向函数 基本不变。 前馈式卫星
15、接收天线大多采用它作90度波纹喇叭。 6、法兰盘、圆矩变换 作为卫星接收天线,馈源是通过法兰盘与高频头连接在一 起的,由于高频头的输入端为矩形波导,因此在馈源内 部必须要设有一个圆矩变换段,将圆形波导逐步地过渡到 矩形波导。413 馈源 413 馈源从波导的正前方观察,圆波导中心有一条短的竖线, 它是高频头输入端内的探针。它的方向就是天线的极 化方向。 阻抗变换器: 圆波导和矩形波导的几何形状不同,它们的波阻抗也 不同,为了减少反射,保证波阻抗匹配,在圆矩变换 段内设有阻抗变换器,它是由两段长度为4的过渡 段组成。根据传输线理论,长度为 4的波导或馈线 本身就构成了阻抗变换器。采用圆矩变换之后
16、,改变 了波导的形状,保证了阻抗匹配,同时还有利与极化 方向的稳定。二、前馈馈源三、后馈馈源 1、后馈馈源是安装在主反射面上的,因此其 长度不大受到限制。 2、后馈馈源的形式有圆喇叭、阶梯喇叭、变 张角喇叭、介质加载喇叭和波纹喇叭等几种。 3、目前,效率最高的后馈馈源形式为波纹喇叭 。413 馈源第四章 卫星接收系统 卫星接收天线的类型有反射面天线和微带天线两 种。反射面天线是由反射面和馈源两部分组成的 ,馈源 本身就是一种天线。在工程上通常根据馈 源与反射面的相对位置,将反射面天线分为前馈 天线、后馈天线和 偏馈天线三种形式,而从工作 原理上来说,卫星广播系统中使用的反射面天线 可以分为旋转抛物面天线、卡 赛格伦天