《卫星接收天馈线》ppt课件

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1、第3章 卫星接收天馈线,（1）面天线的工作原理 （2）天线的主要技术指标,本章重点,3.1 卫星接收天线的作用与分类 3.2 面天线的工作原理 3.3 反射面天线的馈源 3.4 极化转换器 3.5 天线的主要技术指标,本章内容,3.1卫星接收天线的作用与分类,一、天线的作用 1、卫星电视接收系统组成： 主要由卫星接收天线、卫星接收高频头和卫星电视接收机组成。 2、天线作用： 处于接收系统的最前端，其作用是将来自卫星转发器的微弱超高频电磁波加以聚集，并转换成导波中的电磁波或传输电缆中的高频电流，通过波导或高频电缆送给卫星接收高频头。卫星接收天线的技术指标的高低对整个系统的接收效果产生决定性的影响

2、。 3、天线特性： 作为一种无源的天线电转换设备，接收天线也可以当作发射天线使用，这种关系称为天线的互易性。同样一副天线，无论是用作发射或接收，其基本参量保持不变。,二、天线的分类 无线电通信用的天线种类繁多，分类出各不相同。通常按照天线的几何形状把天线分为线天线与面天线两大类。 1. 线天线： 1)组成：由导线组成，导线的长度比导线的截面积大得多。为了使天线呈现出更好的特性，往往所截取的导线的长度与无线电信号的波长呈一定的关系(如半波长等)。 2)工作原理：利用空中电磁波能在与其电场方向相切的导线上感应出最大高频电流这一机理来构成的。 3)应用：线天线一般用在长波、中波和短波等工作频率比较低

3、的波段上。,2、面天线： 1)组成：由整块金属板(或网)组成的，面天线的面积比天线电信号的波长的平方大得多。 2)工作原理：利用高频无线电波的似光传播特性来构成的。通过增大面天线的面积，来提高所截获电磁波的能量，从而可达到获得足够强的接收信号的目的。 3）应用：面天线一般用在超短波、微波和毫米波等频率较高的波段。卫星电视的特点是工作频率高(处于微波频段)、地面接收信号十分微弱、要求接收天线有很高的增益。,3、面天线分类： 面天线一般由反射面、馈源和支架等部分组成。 a、反射面可采用金属板、金属网或玻璃钢等材料经过机械成型而成，故，若按反射面材料的不同，可分为：金属板天线、金属网天线或玻璃钢天线

4、等三种； b、馈源一般采用各种形式的渐变波导段来构成。 若按照反射面与馈源所处相对位置的不同，可分为：前馈天线、后馈天线和偏馈天线等三种； c、若按照天线工作原理的不同，又可分为： 普通抛物面天线、卡塞格伦天线和平面天线等三种。,3.2 面天线的工作原理,一、普通抛物面天线 1、天线的结构： 如图1所示。馈源是一种弱方向性天线，安装在抛物面前方的焦点位置上，故普通抛物面天线出称为前馈天线。由馈源辐射出来的球面波被抛物面往一个方向(天线轴向)反射，形成尖锐的波束，这种情况与按照灯极为相似。,2、几何关系,抛物面是由抛物线绕它的曲线(z轴)旋转而成的。如图2所示，在yoz平面上，以F为焦点， O为

5、顶点的抛物线方程为： (f为焦距) 相应的立体坐标方程为： 设D为抛物面口径的直径，20为口径对焦点所张的角(简称口径张角)，由上述关系式可导出决定抛物面口径张角的抛物面焦径比：,3、几何光学特性： 由焦点发出的各光线经抛物面反射，其反射线都平行于z轴；反之，当平行光线沿z轴入射时，则被抛物面反射而聚焦于F点。其原因是，由焦点发出的各光线经抛物面反射后到达口径面的行程相等（这一结论可利用抛物线的以下性质来证明：从抛物线任一点到焦点的距离等于该点到准线的距离）。 微波的传播特性与光相似，因此，位于焦点F的馈源所辐射的电磁波经抛物面反射后，在抛物面口径上得到同相波阵面，使电磁波沿天线轴向传播。如果

6、抛物面口径尺寸为无限大，那么抛物面就把球面波变为理想平面波，能量只沿z轴正向传播，其它方向辐射为零。但实际上抛物面的口径是有限的，因而得到的是与口径大小及口径场分布有关的窄波束。 4、存在问题： 前馈抛物面天线的馈源位于天线的主波束内，因而对所接收的电磁波形成了遮挡，其结果降低了天线的增益，增大了旁瓣,二、偏馈天线 1、偏馈天线的组成： 偏馈反射面是在旋转抛物反射面上截取一部分而构成的。图3示出了偏馈反射面天线的几何关系。实际上，它同样可将焦点发出的球面波转换成沿轴向传播的平面波。馈源的相位中心仍放在原抛物面的焦点上，但馈源的最大辐射须指向偏馈反射面的中心。尽管反射面的轮廓呈椭圆型，但它的口径

7、仍是一个圆。几何关系可参看图4。,对于偏馈天线有 式中，o是抛物面轴线与焦点到反面中心联线的夹角。反射面在这条中心两旁张成2e的角度。 2、偏馈天线的特点： 1）将馈源移出天线反射面的口径，可消除馈源及其支撑物对电磁波的遮挡。 2）对于偏馈天线而言，电磁波的最大辐射方向并不在偏馈反射面的法向，而是与法向成一定的夹角。这一特点也是偏馈天线的另一特色。在纬度较高地区接收卫星信号，偏馈天线的反射面与地面几乎垂直，不易积聚雨雪，这也是很有特色的。 3）偏馈天线的最大特点是旁瓣小。当反射面边缘的照射锥削为1520dB时，偏馈天线的旁瓣电平要比前馈天线改善810dB。由于馈源避开了来自反射面的回波，因而也

8、改善了天线的驻波比。,三、卡塞格伦天线 图5为卡塞格伦天线的结构图,图6卡塞格伦天线的几何关系图,1、结构： 是一种双反射面天线，其主反射面是旋转抛物面，副反射面是旋转双曲面。双曲面有2个焦点：其中F1与主反射面的焦点重合，F2点放置馈源。根据双曲面的性质，由F2发出的射线被副面反射，其反射线可以看成是共轭焦点F1发出的射线。又因为F1是抛物面的焦点，所以，由F2发出的波经副反射面和主反射面反射后，在口径面形成同相场，从而得到平行于轴向的辐射波。 2、特点： 双反射面的优点之一在于可以采用赋形技术。如果修正旋转双曲面的形状，使口径场分布符合要求，同时适当地修改主面以校正由于副面改变而引起的口径

9、场相位差，那么，卡塞格伦天线将有较高的电性能，效率可达80%。但卡塞格伦天线的副面直径一般要取较大，这在小口径天线中会造成较大的遮挡。且造价高。,3、优化： 存在矛盾：付面小，截获馈源来的射线效率低；付面大，对主面来的射线阻挡大 优化方法：付面在主面上的投影，等于从主面焦点看向馈源在主面上的投影。 经验取值：Ds/D=0.080.15; o =7090度 4、馈源： 采用小张角的园锥喇叭馈源，角度小于30度。如图7所示。,3.3反射面天线的馈源,一、对馈源的要求 要求：馈源是反射面天线的心脏。它的性能对整个天线的性能有很大的影响。反射面天线要求馈源有确定的相位中心、轴对称的方向图、低的交叉极化

10、、良好的驻波比、足够的带宽以及较小的遮挡等等。,二、馈源的结构 1、波导辐射器：在微波波段通常采用波导传输电磁能量。波导是空心的金属管，电磁波在其中传播时，一方面，波导管对电磁波起屏散作用，使电磁波限制在波导管中的传播；波导中不同的场结构，形成了不同的传播模式。圆波导的主模是TE11模，如图8所示。 终端开口的波导，导波能量从开口面向空间辐射，称为波导辐射器。波导辐射器的方向图相当宽，用它照射抛物面天线，最大理论效率只能达74%，而且波束宽度大，方向图带宽也差。 2、园锥喇叭馈源：小张角的园锥喇叭馈源，角度小于30度。,3、平面开槽喇叭：在圆波导口上套上一个开有环形槽的法兰盘，则构成平面开槽喇

11、叭，它改善了波导辐射器的照射性能。90波纹喇叭的结构如图9所示。它的环形槽数通常为26个，齿厚远小于工作波长，槽宽W/4，槽深h约为/4。中心波导一般工作于TE11主模，若工作频段内最大、最小波长分别为max、min，则要求波导半径为R满足： 0.293maxR0.61min。 平面开槽喇叭具有旋转对称的波瓣，相位中心固定，旁瓣电平低，交叉极化小，结构简单，成本低等优点。,3.4 极化转换器,反射面天线的馈电喇叭通常接有极化转换器和矩圆过渡波导。极化器将圆极化波转换为线极化波，矩圆过渡波导则将圆波导中的波型变换为矩形波导中的波型，以便与LNB匹配。 一、 电波的极化特性 1、 线极化： 在三维

12、空间，沿Z轴方向传播的电磁波，其瞬时电场可写为： 其中,若 与 的相位差为 n(n=1,2,3,)，则，合成矢量的模为: 是一个随时间变化而变化的量； 合成矢量的相位为常数。可见合成矢量 的端点的轨迹为一条直线。 与传播方向构成的平面称为极化面，当极化面与地面平行时，为水平极化；当极化面与地面垂直时，为垂直极化波。,2、园极化： 若 与 的幅度相等，相位差为(2n+1)/2时，则: 故合成矢量端点的轨迹为一个园。 根据电场旋转方向不同，圆极化可分为右旋和左旋两种。观察者沿波的传播方向看去，电场矢量在截面内顺时针方向旋转（满足右手定测）称右旋极化，逆时针方向旋转（满足左手定测）称左旋转化。 因此

13、，若 超前 /2，则为右旋极化波，若 落后 /2，则为左旋极化波。,3、椭园极化： 若 与 的幅度和相位差均不满足上述条件时，合成矢量端点的轨迹为一个椭园。椭圆极化波的椭圆长短轴之比，称为轴比，当椭圆的轴比等于1，椭圆极化波即是圆极化波。当轴化为时，电波的极化为线极化。波的极化状态如图10所示。,4、电波的极化与天线的关系： 电波的极化特性是由发射天线决定的，反过来不同极化的电波则要求天线与之极化匹配，即线极化天线只能辐射或接收线极化波，并且，水平极化天线只能接收由水平极化天线辐射的水平极化波，不能接收由垂直极化天线辐射的垂直极化波，反之亦然。圆极化天线只能发射或接收圆极化波，并且，右旋圆极化

14、天线只能接收右旋圆极化天线发射的右旋圆极化波，而不能接收左旋圆极化波，反之亦然。 卫星电视广播有的用线极化波，有的用圆极化波。一般卫星电视接收天线都设计成能工作于接收线极化和圆极化波两种状态。 值得注意的是，若卫星电视广播的电磁波是右旋圆极化波的，但右旋圆极化波经反射面一次反射则变为左旋圆极化，所以，进入前馈天线馈源的圆极化是左旋的。对于后馈天线，入射波经主、副反射面二次反射后，仍然为右旋圆极化波。,由于天线馈源输出端通常要与带有矩形接口的室外接收单元联接，所以，反射面天线的馈源通常需要一段极化转换器和矩圆过渡波导，如图11-1所示。对于接收采用园极化波的卫星广播信号，装在接收天线馈源后的极化器先将圆极化波转换为线极化波，再通过矩圆过渡波导将圆波导中的波型变换为矩形波导中的波型，以便与其后的卫星接收高频头（LNB）接口配接。,二、极化转换器原理与结构 1、原理 由于圆极化波可以看成是由2个正交、等幅、相位差90的线极化波分量合成的，所以，极化器的工作原理就是用一个分量移相器使其中一个线极化波改变相位，经一段传输路程后，二个分量的相位变成相同，其合成场变成了线极化波。反射面天线中常用45介质片分量移相器和销针分量移相器。它们移相原理是相同的。,2、介质移相器结构： 45介质片分量移相器如图11所示。在圆波导内与矩形波导宽边45角方向上安装一个