看天線，識衛(wèi)星
——漫談衛(wèi)星天線（一）：概述

+ 袁東

衛(wèi)星超神秘，平日所見的衛(wèi)星圖片，除了金光閃閃的隔熱層和寬大的太陽能帆板，其他部位，比如桿子、“鍋”、彈簧線圈等等都是“薛定諤的貓”！本系列文章將從科普的角度，介紹衛(wèi)星上的看家寶貝——天線，包括導(dǎo)航、通信、對地觀測、深空探測等衛(wèi)星的天線。一起來看衛(wèi)星天線的知識，聽背后那些物理學(xué)家、工程師的故事，辨識各種神秘的衛(wèi)星！

雖然無線電波無色無味無形，講起來很虛幻，但是它就像空氣、水、Wi-Fi，縈繞在人們周圍，是生活中的一部分，無法或缺，事實上，它早就融入每個人的生活！

一、序言

交變流動的電流，交流電，像天真活潑少女心中的小鹿，步伐輕盈，扭頭就走，只要電極配合變得OPEN些，如圖1展開，少女心跳加快，頻率高一些，再高一些，小鹿的腳步再快一些，電流會“嗖”的一下，越出電極，奔向自由自在，無拘無束的天空！這就是無線電，Radio！

當(dāng)導(dǎo)線的長度增大到可以與波長想比擬時，導(dǎo)線上的電流就大大增加，能形成較強(qiáng)的輻射。如果兩個振子的大概為1/2波長，輸入阻抗是一個不大的純電阻，饋電的電流最大，輻射最為強(qiáng)烈，俗稱半波振子天線，使用較為廣泛。如果嫌天線太長、礙手礙腳，也可以在良好的接地情況下，天線一端接地，使用1/4波長發(fā)射。

圖1 電極展開，形成發(fā)射電波的對稱振子

圖2 電生磁、磁生電，交替前行，電磁波以光速傳播！

無線電波的電場變化的方向，稱為極化，像圖3中無線電波的電場變化的方向垂直于地面，我們稱它為垂直極化波，其傳播的方向圖形狀像一個甜甜圈（圖4），四面八方、排山倒海；反之，如果電場變化的方向平行于地面，則為水平極化波。由于大地是電的良導(dǎo)體，地面通信普遍采用了垂直極化波，因此大家可以回想為什么戰(zhàn)爭片里電臺的天線都是直挺挺的。對于垂直或水平極化的線極化發(fā)射天線，接收天線需要和發(fā)射天線保持相同的方向產(chǎn)生“共鳴”以獲得最佳信號。

德國科學(xué)家赫茲在1888年首次用實驗驗證了麥克斯韋電磁理論；意大利科學(xué)家馬可尼1896年第一次成功用電磁波長途傳遞訊息；1901年，馬可尼又成功地將訊號從英格蘭傳送到大西洋彼岸的加拿大。21世紀(jì)無線電通訊技術(shù)及應(yīng)用更有了異常驚人的發(fā)展，通過衛(wèi)星實現(xiàn)的天地通信走進(jìn)尋常百姓家！

二、第一顆人造地球衛(wèi)星——使用鞭狀天線

世界上第一顆人造地球衛(wèi)星，1957年10月4日發(fā)射的Sputnik 1（圖5），該衛(wèi)星內(nèi)部有一個3.5瓦的無線電發(fā)射單元，由莫斯科電子研究所（NII-885）研發(fā)，如果衛(wèi)星被流星擊穿出現(xiàn)失壓或者內(nèi)部溫度失控，則改變無線電信號脈沖的持續(xù)時間。無線電發(fā)射器工作在兩個頻率，20.005和40.002MHz，分別由2.903米、2.401米兩組全向天線發(fā)射，讓地面測控站甚至無線電愛好者都能接收到信號。

蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星是一種宣告，廣播式，象征著人類正式進(jìn)入了衛(wèi)星時代！美國在1958年1月31日發(fā)射了其第一顆衛(wèi)星——探險者1號，宇宙射線探測器的科學(xué)數(shù)據(jù)通過兩個無線電發(fā)射器送到地面。其中一臺10mW、工作在108MHz的發(fā)射器采用了4根可折疊的鞭狀天線發(fā)射短波信號（圖6），這四根22英寸（55.9厘米）長的天線依靠衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)甩出展開。不過，和蘇聯(lián)的天線工作原理不一樣。

這種相互呈90度的四根天線稱為旋轉(zhuǎn)場天線（turnstile antenna），采用兩對半波振子，其中一路為另一路正交分量在保持幅度相等情況下，進(jìn)行90度移相后形成圓極化波，按照不同的旋轉(zhuǎn)方向，可以分為左旋和右旋圓極化。

圖3 兩個振子的為1/2波長，天線的輻射最為強(qiáng)烈

圖4 半波振子天線輻射的立體方向圖，像一個甜甜圈

圖5 人類第一顆人造地球衛(wèi)星，蘇聯(lián)的Sputnik 1，使用鞭狀天線

圖6 美國第一顆衛(wèi)星探險者1號，旋轉(zhuǎn)甩出4根鞭狀天線，發(fā)射圓極化波

圖7 圓極化天線無論如何旋轉(zhuǎn)，發(fā)射的電波一樣，接收天線可以不用考慮相對方向

圖8 中國第一顆人造地球衛(wèi)星——東方紅一號

這種電波，在衛(wèi)星通信中有極其重要的地位。由于衛(wèi)星和導(dǎo)彈的天線相對于地面天線可能是任何方向的，而圓極化電波對接收天線的相對方向不敏感（圖7），不像上文介紹的垂直或者水平極化，這些線極化電波的發(fā)射和接收天線必須直對直，橫對橫，同時也能避免穿越電離層導(dǎo)致的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對信號傳輸?shù)挠绊懀虼藞A極化天線技術(shù)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域中有重要作用，特別在航天器中，能滿足復(fù)雜條件下的通訊和測控。探險者1號上另外一臺發(fā)射器為60mW、工作在108.03MHz，采用了兩個玻璃纖維縫隙天線。

而我國第一顆人造地球衛(wèi)星——東方紅1號（圖8），重173kg，軌道為439km×2384km, 傾角68.5，周期114分鐘，也采用了簡單的4根2米多長鞭狀天線，在太空展開，在20MHz頻率播放《東方紅》歌曲。

圖9 衛(wèi)星天線在各類空間任務(wù)的工作特點

三、恍若隔世，衛(wèi)星天線技術(shù)日新月異

距離第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射一晃50年過去了，衛(wèi)星天線技術(shù)發(fā)生了日新月異的巨大進(jìn)步，并在空間任務(wù)中發(fā)揮重要作用。其技術(shù)進(jìn)展主要可從圖9中的5個空間應(yīng)用方向進(jìn)行闡述。

由于發(fā)射成本高昂，天線在設(shè)計制造時需要做多維度的考慮，比如天線增益、天線尺寸、射頻功放功率、耗電量、重量等多個因素。此外，衛(wèi)星天線的發(fā)射和空間工作環(huán)境非常苛刻：在發(fā)射時，天線需要承受幾個G的加速度和劇烈震動，大型天線通常還需要折疊才能放入火箭整流罩內(nèi)，并在空間展開，該過程存在很大的變數(shù)即風(fēng)險；此外，衛(wèi)星天線直接暴露在真空中，沒有熱對流，而朝陽面和背陽面的溫差極大，達(dá)-180～120℃，天線面對極高的溫度梯度變化，需應(yīng)對部件的高應(yīng)力和變形；另外在空間，還需要考慮太陽風(fēng)等高能粒子轟擊、磁場、空間碎片撞擊等一系列意想不到的惡劣工況……這都需要在設(shè)計研制時，對電子設(shè)備做必要的各種保護(hù)。

天線技術(shù)在衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展歷程中是重中之重，一代又一代科學(xué)家和工程師，從實驗室到廠房，攻堅克難，上演了一幕幕挑戰(zhàn)人類工程極限的大戲。后繼文章中，我們將分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。