偏饋拋物面天線方向的計算與調(diào)整

魏明祥

[摘 要]介紹了偏饋式拋物面天線的構(gòu)造原理，以及在給定衛(wèi)星位置條件下，地面接收偏饋拋物面天線實際指向角度的計算與調(diào)整。

[關(guān)鍵詞]偏饋式拋物面天線；增益；仰角；方位角；

中圖分類號：TU413 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）37-0146-01

目前我國衛(wèi)星電視大多數(shù)采用C波段傳輸，地面接收天線普遍采用較大口徑的普通拋物面天線。隨著衛(wèi)星技術(shù)和衛(wèi)星電視傳輸技術(shù)的發(fā)展，以及高頻段衛(wèi)星電視傳輸不可抵抗的優(yōu)勢，使得Ku波段在衛(wèi)星電視傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。為了提高Ku波段衛(wèi)星電視信號的接收效果，地面接收通常采用小口徑高效率的偏饋式拋物面天線。本文將簡要介紹偏饋式拋物面天線的構(gòu)造原理以及在給定衛(wèi)星位置條件下，地面接收偏饋式拋物面天線實際指向角度的計算與調(diào)整。

一、偏饋式拋物面天線的構(gòu)造原理

偏饋式拋物面天線是從基本拋物面天線（正饋式天線）衍生出來的。從天線鍋面形成原理上看，偏饋式天線與普通正饋式拋物面天線一樣，它們都是旋轉(zhuǎn)拋物面的一部分，只是截取的位置不同而已。普通正饋拋物面天線是旋轉(zhuǎn)拋物面與旋轉(zhuǎn)拋物面同心的圓柱面截得的那部分曲面，偏饋式天線是旋轉(zhuǎn)拋物面與旋轉(zhuǎn)拋物面旋轉(zhuǎn)軸不同心的圓柱面所截得的那部分曲面。因此，可以說偏饋天線基本上是普通正饋拋物面天線的一部分，這部分的底邊大約從拋物面的中心開始。偏饋天線經(jīng)常具有長圓形的口面，高度大于寬度。圖一表示了一個典型的偏饋式天線的示意圖，這就是我們市面上現(xiàn)成買得到的衛(wèi)星直播系統(tǒng)的小型DBS天線。

對于旋轉(zhuǎn)拋物面來說，由旋轉(zhuǎn)拋物面的特性可知：平行于拋物面旋轉(zhuǎn)軸的電波經(jīng)拋物面反射后會聚于焦點上，偏饋式天線為旋轉(zhuǎn)拋物面天線的一個截面，也一定服從這一結(jié)論。因此無論是普通正饋拋物面天線，還是偏饋式天線，它們的饋源和高頻頭一定要安裝在旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點上。當(dāng)拋物面天線的旋轉(zhuǎn)軸指向衛(wèi)星時，電波經(jīng)天線面反射后就會聚于饋源上，并吸收到最大的電磁波能量。

從天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，偏饋天線系統(tǒng)與普通正饋拋物面天線一模一樣，包括饋源、高頻頭和支架，并且饋源和高頻頭都在旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點上。但從它們在天線鍋面前所處的位置來看，正饋式拋物面天線饋源處于鍋面前中心線上。而偏饋天線的饋源和高頻頭的安裝位置不在與天線口面垂直且過天線中心的直線上，幾乎處于鍋面的邊緣。相對正饋式拋物面天線而言得此偏饋天線的稱號。

偏饋天線的好處是比普通正饋拋物面天線的效率要高，達(dá)70%以上。其天饋系統(tǒng)中的高頻頭、饋源及支架，并不遮擋信號，即無所謂饋源陰影影響，對于頻率較高尺寸較小的天線特別有價值。并且在天線面積，加工精度，接收頻率相同的前提下，偏饋天線的增益大于正饋式天線。如在場強(qiáng)為52dBW的地區(qū)接受Ku波段數(shù)字信號時，只需0.6M的偏饋天線就可達(dá)到滿意的效果，而用C波段天線接收Ku節(jié)目時，需1.5M左右的天線才達(dá)到Ku波段信號的收視效果。另外，通過后面的計算可知，由于偏饋天線的實際仰角一般比視在仰角低20度左右，所以偏饋天線占地空間小，極利于普通家庭直播衛(wèi)星電視的接收。

二、偏饋天線實際指向角度的計算與調(diào)整

偏饋式拋物面天線的方位角和仰角的計算與普通的正饋拋物面天線是一樣的，只需知道接收點的經(jīng)緯度和衛(wèi)星的經(jīng)度就可方便地求出天線的方位角和仰角。理論計算公式如下：

方位角：

A=180°+tg-1×tg（X-Z）/sinY （1）

仰角：

E=tg-1×（cosβ-0.1513）/sinβ （2）

其中cosβ=cosY×cos（X-Z）

Z為天線所指衛(wèi)星的經(jīng)度，X為接收點經(jīng)度，Y為接收點緯度。方位角A以正北為準(zhǔn)。例如武漢地區(qū)的地理位置是：東經(jīng)114.31度北緯30.52度，如在武漢地區(qū)接收鑫諾1號衛(wèi)星（東經(jīng)110.5度）KU波段信號時，由公式（1）、（2）可以求出天線的實際方位角為187.47度，仰角為54.2度。

一旦確定了天線應(yīng)指方向后，就該如何瞄準(zhǔn)指定的衛(wèi)星。偏饋式拋物面天線的方位角的調(diào)整與普通的拋物面天線一樣，很容易做到，但仰角的瞄準(zhǔn)就大不相同。對于普通的拋物面天線來說，由于其實際指向軸和視在指向軸在同一條軸線上，對所指衛(wèi)星就象一個大聚光燈，很易對準(zhǔn)，只需一個量角器就可解決。但對于偏饋式拋物面天線，由于其實際指向軸和視在指向軸不在同一條軸線上，而目前市面上現(xiàn)成的大多數(shù)偏饋式天線基本上也沒有資料說明如何確定其實際指向軸的位置，因此偏饋式天線方向的瞄準(zhǔn)是相當(dāng)不易的。實際操作中，即使當(dāng)偏饋式拋物面天線的仰角為零度（或水平），要確定天線的瞄準(zhǔn)也是不易的。下面簡要介紹一下小型DBS偏饋式天線實際方向的瞄準(zhǔn)方法。

從圖1可以看出，天線的口面與地平面之間有一個傾角，這時偏饋式天線的實際指向軸平行于地平面。我們可以近似地計算出天線口面的傾角，公式如下：

φr=arcsin（As/Al）（3）

其中φr為偏饋式天線口面相對于地平面的傾角，As為天線口面的寬度（單位mm），Al為天線口面的高度（單位mm）。以RCA45.7cmDirecTVDBS偏饋式天線為例，天線的口面寬度為457mm，高度為496mm，故近似的傾角為：

φr=arcSIN（457/496）

=arcSIN0.9214

=67.13°

由計算結(jié)果可知，對于RCA45.7cmDirecTVDBS偏饋式天線的實際指向軸平行于地平面，即仰角為0°時，這時天線口面前傾角度約為67.2°，或者說偏離鉛垂線22.8°，也就是說天線的實際指向軸比視在指向軸高出22.8°。如果天線口面傾斜角度為90°，即垂直于地平面，實際中很容易誤認(rèn)為天線的實際指向軸平行于地平面，這是錯誤的。這時天線的實際指向軸與地平面之間夾角為22.8°，即實際仰角為22.8°。如果要瞄準(zhǔn)鑫諾1號衛(wèi)星，天線的仰角應(yīng)為54.2°，我們把天線口面由鉛垂線向后傾斜31.4°（即天線口面與鉛垂線夾角為31.4°，與地平面夾角為58.6°），這時天線的實際指向軸與地平面的夾角為54.2°，即天線的實際仰角為54.2°。

上述是關(guān)于常見的DirecTV小型偏饋式（DBS）天線的實際指向角的計算和調(diào)整方法。有些設(shè)計型號的偏饋式天線不是“高”橢圓形（即DBS型），而是天線口面的寬度比高度值要大。估算這種天線的口面傾角需做如下步驟：將天線朝天平放（拋物面向上），向拋物面注水直至水面達(dá)到拋物面的上下邊界。拋物面中的水形成一個橢圓形口面，測量這個橢圓形面的寬度和高度，帶入傾斜角度的計算公式（3），計算出天線口面的近似傾角φr。按照DBS天線的瞄準(zhǔn)調(diào)整方法就可較方便進(jìn)行天線的瞄準(zhǔn)。endprint