議數(shù)字衛(wèi)星電視室外接收單元之天線

張 燕

(山西傳媒學(xué)院，山西 晉中 030619)

0 引言

從設(shè)備的組成來看，衛(wèi)星接收天線、衛(wèi)星接收高頻頭和衛(wèi)星電視接收機(jī)組成數(shù)字衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)。用于衛(wèi)星接收天線的種類頗多，當(dāng)前廣泛使用的是反射面天線，它是由反射面和饋源兩部分組成。

1 天線的作用和分類

1.1 天線的作用

在接收系統(tǒng)的最前端是衛(wèi)星接收天線，其作用是聚集來自衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的微弱超高頻電磁波，并將其轉(zhuǎn)換為波導(dǎo)中的電磁波，經(jīng)過處理從而傳輸高頻電流，之后再通過波導(dǎo)或高頻電纜送給衛(wèi)星接收高頻頭。衛(wèi)星天線的用途不僅僅可以作為接收天線，還可以用來發(fā)射。而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的接收效果產(chǎn)生決定性影響的是衛(wèi)星接收天線技術(shù)指標(biāo)的高低[1-4]。

1.2 天線的分類

根據(jù)不同用途，天線需要設(shè)計(jì)成不同的式樣。如在長(zhǎng)、中、短波頻段，一般用導(dǎo)線構(gòu)成天線，有T形、倒L形、環(huán)形、菱形等；在微波頻段，用金屬板或網(wǎng)制成拋物面天線、平板天線等。具體可以分為：

1) 按功能分為：接收天線、發(fā)射天線；

2) 按頻段分為：C頻段天線、Ku頻段天線、Ka頻段天線；

3) 按用途分為：工程天線、家用天線、車載天線、船載天線；

4) 按天線曲率分為：拋物面天線、平板天線；

5) 按天線造型分為：正饋天線、偏饋天線、后饋天線；

6) 按安裝方式分為：臥式天線、立式天線、壁掛式天線；

7) 按天線口徑大小分為：C頻段正饋天線有0.9 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m、2.4 m等；Ku頻段偏饋天線有0.35 m、0.45 m、0.6 m、0.75 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m等[1]。

2 常見的反射面天線

2.1 正饋天線

2.1.1 工作原理

該天線由一個(gè)反射面和饋源組成，因饋源位于反射面的正前方，反射面是一個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面，放置饋源處為焦點(diǎn)F處，根據(jù)幾何光學(xué)結(jié)論，該天線在對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星接收電磁波時(shí)，電磁波以平行于天線軸向的方向，到達(dá)反射面，經(jīng)反射面反射，電磁波聚焦于焦點(diǎn)處(F)，并通過饋源進(jìn)行收集，如圖1所示。

2.1.2 特點(diǎn)[1,2]

1) 口面直徑約在1～4.5m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，安裝調(diào)試容易，工作穩(wěn)定可靠；

2) 位于天線主波束內(nèi)的饋源，由于對(duì)接收的電磁波形成了遮擋，故而降低了天線的增益；

3) 反射面對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，饋源與高頻頭位于焦點(diǎn)處，會(huì)對(duì)高頻頭的可靠性和壽命產(chǎn)生一定的影響，因?yàn)樵谌樟钑r(shí)間的時(shí)候，太陽光會(huì)聚焦到高頻頭上，則使高頻頭有所升溫，從而降低了信號(hào)的接收質(zhì)量；

圖1 正饋天線原理圖

4) 特別是大口徑正饋天線，饋源的位置在反射面以上，安裝調(diào)試高頻頭不方便，同時(shí)需要較長(zhǎng)的饋線，也會(huì)使噪聲溫度提高；

5) 反射面的下部容易積雪。

2.1.3 適用范圍

該天線是衛(wèi)星接收天線中最常用的天線類型，適用于普通地面接收站、衛(wèi)星廣播電視的集體收轉(zhuǎn)和個(gè)體接收，比如：大型企業(yè)、學(xué)校、酒店及家庭等領(lǐng)域。

2.2 偏饋天線

2.2.1 工作原理

偏饋天線(與正饋和后饋相對(duì)而言)，其工作原理與正饋天線工作原理相同，如圖2。偏饋反射面是在拋物旋轉(zhuǎn)面上截取一部分而構(gòu)成的，放置饋源處為旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點(diǎn)處，但饋源不在波束中心，從而降低了對(duì)電磁波的遮擋，提高了天線口徑的效率[3,4]。

圖2 偏饋反射面天線的幾何關(guān)系圖

2.2.2 特點(diǎn)

1) 口面直徑約在0.35～1.2m，口徑小、重量輕，便于安裝、調(diào)試；

2) 饋源偏離反射面正前方，天線效率較其它兩種天線高；

3) 因?yàn)橛善伣谴嬖?，角度調(diào)整較其它兩種天線難；

4) 偏饋天線比較垂直，不會(huì)積雪、積水；

5) 在小口徑衛(wèi)星直播電視系統(tǒng)中被廣泛采用，但隨著天線口徑的增大，饋源與反射面的距離也會(huì)變得很大，同時(shí)也給加工帶來困難，故在大口徑天線中很少采用。

2.2.3 適用范圍

適用于Ku頻段信號(hào)接收、個(gè)體接收，比如：“戶戶通”直播星用戶。

2.3 卡塞格倫天線

在1672年，卡塞格倫(法國天文學(xué)家、物理學(xué)家)設(shè)計(jì)出卡塞格倫反射望遠(yuǎn)鏡。之后由漢南在1961年把卡塞格倫反射器的結(jié)構(gòu)移植到了微波天線上。

2.3.1 工作原理

如圖3所示，顯然卡塞格倫天線是一個(gè)雙反射面天線，有主反射面和副反射面，即旋轉(zhuǎn)拋物面和旋轉(zhuǎn)雙曲面，F(xiàn)1和F2為雙曲面上的兩個(gè)焦點(diǎn)，其中饋源放置在F1點(diǎn)，F(xiàn)2與主反射面焦點(diǎn)重合。正因?yàn)轲佋窗惭b在副反射面上，故也叫后饋式天線。它的工作原理：依據(jù)雙曲面的性質(zhì)，F(xiàn)1發(fā)出的電磁波被副反射面反射，其反射的電磁波方向又可以看作是F2(共軛焦點(diǎn))發(fā)出的射線方向，且F2是拋物面的焦點(diǎn)，從而所有由F1發(fā)出的電磁波經(jīng)副反射面和主反射面反射后，以平行于軸向的電磁波，送給衛(wèi)星[4]。

圖3 卡塞格倫天線的幾何關(guān)系圖

2.3.2 特點(diǎn)

1) 天線口面直徑超過4.5 m以上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大、重量大，制造、安裝、調(diào)試技術(shù)要求高，天線性能好；

2) 與正饋天線相比，饋源位于副反射面之后，縱向尺寸小，減少傳輸噪聲，同時(shí)可以防止陽光直射，特別適合熱帶地區(qū)；

3) 與偏饋天線相比，副反射面對(duì)主反射面存在一定的遮擋，天線效率有所降低；

4) 需要專門除雪或融雪設(shè)施。

2.3.3 適用范圍

卡塞格倫天線適用于專業(yè)級(jí)廣播電視地球上行站和接收站，可發(fā)射信號(hào)，也可接收信號(hào)。比如：電視臺(tái)、有線電視網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)播站等各級(jí)廣播電視信號(hào)傳輸和覆蓋機(jī)構(gòu)。根據(jù)廣播電視衛(wèi)星地球站工程設(shè)計(jì)規(guī)范，卡塞格倫天線作為地球上行站的基準(zhǔn)天線，需具備上行發(fā)射功能，且滿足表1中規(guī)定的天線口徑尺寸要求，其中主用基準(zhǔn)天線的口徑不應(yīng)小于9 m，備用基準(zhǔn)天線的口徑不應(yīng)小于7.3 m，見表1。

表1 基準(zhǔn)天線口徑

3 天線的主要技術(shù)參數(shù)

衛(wèi)星天線的主要技術(shù)參數(shù)：方向圖、增益、效率等。

3.1 方向圖

反映天線方向性的好壞，主要通過方向圖、主瓣寬度(Φ)和副瓣電平這三個(gè)方面。天線方向圖，又稱輻射方向圖，描述了天線在各個(gè)方向的輻射特性，不同方向天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)度不同，盡管方向圖是三維的，但通常情況選取兩個(gè)切面，即其水平方向圖(E面)和垂直方向圖(H面)[1,4]。

圖4 花瓣?duì)罘较驁D

由圖4可知，天線的方向圖是由若干瓣組成的，主要有主瓣和旁瓣。其中衡量主瓣的參數(shù)是主瓣寬度，該數(shù)值與天線的直徑成反比，天線直徑越大，主瓣寬度越小，其方向性越強(qiáng)，保密性也越好，干擾鄰臺(tái)的可能性也越小。一般情況下，拋物面天線的口徑為D，則可用下式估算其主瓣寬度：

Φ=70°λ/D.(其中，λ為工作波長(zhǎng))

(1)

衡量旁瓣的參數(shù)是旁瓣電平，一般以分貝表示。天線的旁瓣反映了天線的抗干擾能力，我們希望旁瓣電平越小越好，特別是第一旁瓣。

3.2 增益

天線的增益是用來衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，是反映天線方向性和效率的一個(gè)重要參數(shù)，也是用來選擇天線的最重要參數(shù)之一，一般采用分貝為單位。同一天線，接收信號(hào)頻率越高，其增益越大。其計(jì)算公式為：

式中，η為天線的效率，D為天線的直徑，λ為工作波長(zhǎng)。

3.3 天線的效率

天線效率是判斷天線優(yōu)劣的主要依據(jù)之一，效率越高，天線的損耗越小。天線的效率受很多因素影響，如：天線的口徑大小、天線反射面的幾何形狀、饋源方向性、饋源安裝位置、饋源支架對(duì)反射面的遮擋、反射面的加工精度等等，在這些因素中，饋源的性能對(duì)天線效率的影響是起著主導(dǎo)作用的。比如：偏饋天線由于饋源偏離反射面的正前方，降低了遮擋，因此偏饋天線的效率一般會(huì)比正饋天線高[3]。

從理論上分析，天線效率最大值約為83%，實(shí)際通常在50%～70%之間。一般認(rèn)為效率達(dá)到50%為合格，效率達(dá)到60%的為良好，效率達(dá)到70%的為優(yōu)秀。

4 小結(jié)

不同類型廣播電視地球上行站、地球接收站根據(jù)使用頻段、傳輸內(nèi)容和服務(wù)對(duì)象的不同，在反射面天線(含饋源)和高頻頭的選擇與使用上存在很大的差異，從而對(duì)衛(wèi)星天線的特性和使用條件的研究是很有必要的。作為從事數(shù)字衛(wèi)星廣播電視傳輸系統(tǒng)技術(shù)維護(hù)的專業(yè)技術(shù)人員，需熟悉與掌握常用室外接收設(shè)備的應(yīng)用特點(diǎn)，以備在實(shí)際操作中根據(jù)具體情況選擇合適的天線。