3.1 天线技术

3.1.1 天线的功能

一套通信设备往往由电源、信号处理设备、天线、馈源以及其他设备所组成。天线是无线电通信设备必不可少的组成部分。

在无线电通信设备中，大致说来，天线有以下3个方面的作用。

①可以将交变的电路电能与空间的电磁波能进行能量形式的转变。

②可以按所需的工作频率、所需的极化和所需的方向，发射和接收信号。

③可以将发射功率和接收功率等效地进行“放大”。

可见，设计和制造一副好的无线电通信天线是何等的重要。一套无线电通信设备，如果天线搞得不好，那么，无论其他部分多么优良，都将会妨碍通信的有效进行。

人们很习惯于用天线的口径来称呼卫通站的大小或形态，如“30m站”“10m站”“5m站”等，这是因为天线在卫星通信地球站中占有重要的地位。

①卫通站天线口径的大小，就基本上反映了该站的工作能力。

②卫星通信的发展与天线技术的发展，关系密切，相互影响。

③天线馈源系统的费用占整个卫星通信地球站的费用的比例相当可观，最大可达到三分之一。

3.1.2 卫通站天线的基本组成及其作用

图3-1给出了卫通站天线馈源系统的方框图以及它与其他设备的接口关系。图中各部分的作用如下。

天线：将交变的电路电能与空间的电磁波能进行能量转换，即收、发电磁波。

天线座：它的作用是支撑天线，并配有可在方位和俯仰方向驱动天线转动的机构。

跟踪接收机：将来自跟踪模耦合器的跟踪误差信号“Δ”和来自信标分离器的信标信号“∑”（又叫参考信号，通常是主模信号）进行比较、处理，分离出方位和俯仰的误差信号馈至伺服系统。

伺服系统：根据跟踪接收机送来的方位、俯仰误差信号驱动天线指向卫星。

其他微波元件可以认为是馈源网络的组成部分。

3.1.3 卫星通信天线的常用类型

卫通站常用的天线有卡塞格伦天线、抛物面天线、偏馈天线、环焦天线等。随着天线技术的发展，新型天线也不断地出现，如多波束天线、平板天线、微带天线、有源天线等。

1. 抛物面天线

由抛物面反射器和位于其焦点处的馈源组成的面状天线叫抛物面天线。抛物面天线分为发射天线和接收天线两种。发射天线由馈源发出的球面电磁波经抛物面反射后，形成方向性很强的平面波束向空间辐射，可以将射频信号直线发射到卫星或者其他抛物面接收天线。接收天线由抛物面反射器将电波信号反射收集到馈源。

抛物面天线具有结构简单，方向性强，工作频带宽的特点。抛物面天线的F/D（称为焦径比，其中F是抛物面的焦距，D是抛物面在垂直于轴线的面上投影的口径直径）与馈源的辐射张角Q的关系如图3-2所示。F/D与馈源的张角Q是从属关系，也就是说只有馈源的张角确定以后才能确定所要制作的抛物面天线的直径及焦距。如何才能使一个天线与馈源配套，即采用合适的F/D，这个问题很重要，它直接影响天线系统的效率及信噪比等。

图3-2所示Q是馈源所固有的，馈源确定了，Q也就确定了。

制作天线首先要决定馈源，只有馈源的张角为已知，才能按不同的F/D制作不同直径的天线，而不应制作好了天线以后才制作馈源，因为这样一来很难达到理想的效果，必定产生如图3-2（b）或图3-2（c）所示的情况。图3-2（b）的情况会使地面反射的杂波进入馈源，而且天线边缘的微波和绕射波也会进入馈源，使得天线接收系统的信噪比减小。图3-2（c）的情况则会使天线的利用率降低，造成人为的浪费，而且信号的旁瓣也同时进入了馈源。

F/D与Q的关系是：

F/D=1/[4tan（Q/4）]

所以先有馈源张角再根据你所要制作多少直径的天线而后确定焦距F，然后根据抛物线方程：X=Y2/4F绘制出天线模。

2. 偏馈天线

偏馈天线是相对于正馈天线而言，偏馈天线的馈源和高频头的安装位置不在与天线中心切面垂直且过天线中心的直线上，因此，就没有馈源阴影的影响。在天线面积、加工精度和接收频率相同的前提下，偏馈天线的增益大于正馈天线。但无论正馈天线还是偏馈天线，它们都是旋转抛物面的截面，只是截取的位置不同而已。

正馈天线是旋转抛物面被与旋转抛物面旋转轴同心的圆柱面截得的那部分曲面，偏馈天线则是旋转抛物面被与旋转抛物面旋转轴不同心的圆柱面截得的那部分曲面。

此外，正馈天线和偏馈天线的馈源和高频头的安装位置必定在旋转抛物面的焦点上。这是由旋转抛物面的特性所决定的，即当旋转抛物面的旋转轴指向卫星时，电波经抛物面反射后汇聚于焦点，且行程相等。偏馈天线的示意如图3-3所示。

从卫星发射的电波经抛物面任一点反射后再到焦点的行程是一个定值。F/D是设计天线的一个重要参数，在馈源已经确定的前提下，若F/D的值过大，会造成天线后面的环境噪声进入馈源；若F/D的值过小，则导致天线边缘反射的电波进入不了馈源，降低了天线的有效面积。

偏馈天线作为旋转抛物面的一个截面，也一定服从上述结论。因此，当旋转抛物面的旋转轴指向卫星时，电波经偏馈天线反射后，一定会聚于焦点，且电波行程相等，由于电波行程相等，因而到达馈源的电波都是同相的，这使得进入波导的电波振幅加大，从而起到了能量汇聚的作用。

3. 卡塞格伦天线

卡塞格伦天线是另一种在卫星通信中常用的天线，它是从抛物面天线演变而来的。

卡塞格伦天线由三部分组成，即主反射器、副反射器和辐射源。其中主反射器为旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面。在结构上，双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重合，双曲面焦轴与抛物面的焦轴重合，而辐射源位于双曲面的另一焦点上，如图3-4所示。它是由副反射器对辐射源发出的电磁波进行的一次反射，将电磁波反射到主反射器上，然后再经主反射器反射后获得相应方向的平面波波束，以实现定向发射。卡塞格伦天线的工作原理如图3-4所示。

当辐射器位于旋转双曲面的实焦点F1处时，由F1发出的射线经过双曲面反射后的射线，就相当于由双曲面的虚焦点直接发射出的射线。因此只要是双曲面的虚焦点与抛物面的焦点相重合，就可使副反射面反射到主反射面上的射线被抛物面反射成平面波辐射出去。

卡塞格伦天线相对于抛物面天线来讲，它将馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式，这使得天线的结构较为紧凑，制作起来也比较方便。另外卡塞格伦天线可等效为具有长焦距的抛物面天线，而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各点的距离接近于常数，因而空间衰耗对馈电器辐射的影响要小，使得卡塞格伦天线的效率比标准抛物面天线要高。

4. 环焦天线

当代的卫星通信要求天线在宽频带内具有低旁瓣、低驻波比、高纯极化和较高口面效率、高“G/T值”。如果天线的口面不大（口面对波长之比不大），用别的天线如卡赛格伦天线就不容易同时满足上述要求，而用环焦天线或赋形环焦天线就能相当好地满足这些要求。环焦天线，也称“偏焦轴天线”，这种天线在20世纪60年代初就提出来了，在我国的工程实现是在20世纪80年代末。环焦天线及其赋形天线特别适用于VSAT卫通站。

环焦天线主要由主反射面、副反射面和馈源喇叭3部分组成。主反射面由部分抛物面组成，副反射面是由一段椭圆弧围绕与椭圆相交的直线旋转而得到的旋转曲面，并且椭圆凹面对主反射面。

图3-5给出的是环焦天线沿机械轴的剖面图，图中弧线AA′是抛物面的一部分，弧线BB′是椭圆的一部分，2个点F、F′是副反射面（部分椭圆旋转曲面）的2个焦点，2个点的连线FF′与天线机械轴线有一个轴偏角，故环焦天线又称为偏焦轴天线。其中天线椭圆副反射面的一个焦点F′正好与抛物主反射面的焦点重合，另一个焦点F也正好是馈源喇叭的相位中心。由于天线是绕机械轴的旋转体，因此焦点F′构成一个垂直于天线轴平面的圆环，所以称这种天线为环焦天线。天线副反射面有一个尖顶B′，B′与F′及主反射面边缘A处于一条直线上。电磁波的反射路径为F→B′→F′→A→L、F→C→F′→D→M、F→B→F′→A′→N…，因而可以消除副反射面对电磁波的阻挡，也可以基本消除副反射面对馈源喇叭的回射。由于在主反射面和副反射面之间有一个阴影区，因此可以避免馈源对副反射面的遮挡，在天线设计时不用考虑馈源对副反射面的影响，可以使馈源喇叭和副反射面靠得很近，这样有利于在宽频带内降低天线的旁瓣和驻波比，提高天线的效率。有时为了进一步提高天线的性能，也采用赋形环焦天线（修正型环焦天线），根据性能要求对天线主反射面赋形。赋形天线的主反射面偏离了标准天线的抛物面，副反射面也偏离了标准天线的椭圆面，这时焦点F′变成一小段曲线形式的“短焦线”，因而是垂直于天线轴平面上的一个“圆环”，即真正的“环焦天线”。

环焦天线的副面是椭圆面，凹向主面。而卡塞格伦天线的副面是双曲面，凸向主面，这是它们外观上的特征。环焦天线的副面，即部分椭圆面的两个焦点的连线与天线轴有一个轴偏角θz，所以环焦天线又称为偏焦轴天线。

5. 平板天线

平板天线的接收面外观呈平面状，高频头设置在天线内部，一般用于接收Ku频段直播卫星。常见的平板天线依据其内部结构，可分为振子式和裂缝式两种类型。

（1）振子式平板天线

振子式平板天线是利用过去电视机接收用的半波振子单元天线的原理，只不过平板天线是把这些许许多多半波振子单元天线，按照一定的规律，并采用微带电路技术，制造在一块特殊介质的印刷电路板上而成。市面上振子式平板天线大多数是针对韩囯或日本的海外市场而设计的，内置10.75GHz或10.678GHz本振的高频头，圆极化接收方式。

振子式平板天线增益的高低取决于半波振子单元的数量，增益越高，其采用的半波振子单元也就越多，同时平板天线的面积也就越大。

（2）裂缝式平板天线

裂缝式平板天线的实物如图3-6所示，又称开槽天线或缝隙天线，它是在一块大的金属板上，按照一定的规则人为开凿裂缝，并要求裂缝的长度是接收信号平均波长的1/2，再在金属板的后面制成空腔，这样垂直于波导平面的电波会最大程度地从缝隙处被波导所吸收。

就目前的技术而言，平板天线只能够接收Ku频段信号，而且只能接收单个极化。如果想接收另外一个极化，需要将天线平面旋转90°。由于平板天线的制造工艺严谨，材料成本高昂，因此目前的平板天线售价较高。

3.1.4 天线主要技术参数

1. 天线增益

天线增益反映天线辐射（接收）信号的能力，其定义为：同等输入功率条件下天线接收（发射）信号强度与理想各向同性天线接收（发射）信号强度的比值，单位用dBi表示。我们所说的天线增益一般指天线最大辐射（方向）的增益。

对于面天线：

对于圆口径天线：

式中：S为面天线的面积；D为主反射面口面直径；λ为工作波长；η为天线的效率。

2. 天线效率

这里只说面天线效率，实际天线增益与理想天线增益的比值为天线效率。主要效率因子如下。

式中，η1——口面利用效率；

η2——副反射面截获效率；

η3——副反射面及支杆遮挡效率；

η4——反射损耗效率；

η5——表面公差效率；

η6——馈源插损效率；

η7——交叉极化效率；

η8——相位误差效率。

一般面天线的效率为0.5～0.7。工程上为了提高天线的效率，采取使用高效率馈源，同时对主面、副面形状加以修正等方法来提高天线总效率，使天线总效率η可达到0.75～0.8。

3. 天线方向图

天线方向图定义为天线辐射电磁场能量的分布特性与空间坐标之间的函数关系，即天线辐射场在空间某方向上能量集中程度的图形。天线方向图的形式，平面的有直角坐标系和极坐标系，立体的有球坐标系。平面直角坐标系的天线方向图如图3-7所示。

（1）第一旁瓣电平

第一旁瓣电平即方向图中和主瓣最近的一个旁瓣的增益与主瓣增益之差。第一旁瓣如图3-8所示。

（2）波束宽度

波束宽度一般指天线主瓣3dB波束宽度，也叫半功率波束宽度，是指天线主瓣增益下降3dB（一半）时两点所夹的角度。波束宽度如图3-8所示。

（3）旁瓣包络

为防止互相干扰，卫星通信组织对天线方向图的旁瓣电平有规定，具体如下。

宽角旁瓣（90％旁瓣峰值满足如下包络线，超标量应小于3dB）：

4. 天线品质因数

卫通站天线品质因数（G/T值）是衡量卫通站接收系统性能的重要指标之一，是卫星通信线路设计的重要依据，也是Intelsat组织对卫通站进行分类的主要依据之一。

G/T值定义为天线的接收增益与系统噪声温度之比，用分贝可表示为：

G/T=G-10lgT

式中，G为天线接收增益（dBi）；T为系统噪声温度（K）。

Intelsat组织对不同类型卫通站的G/T要求见表3-1。

3.1.5 测量船船载卫通天线简介

某测量船船载卫通天线主要包括7.3m环焦天线和3.8m环焦天线，外观实物如图3-9、3-10所示。其中3.8m天线采用了天线罩，以提高天线的抵抗风雨能力。由于3.8m天线及天线座的组成及原理与7.3m天线基本相同，本节只对7.3m天线的组成和3.8m天线的天线罩进行介绍。

1. 天线整体组成

天线整体结构设备由天线和天线座两大部分组成，其外形如图3-11所示。

2. 天线结构

环焦7.3m天线由主反射面、副反射面、反射体骨架、馈源和极化旋转机构组成，如图3-12所示。

注：1—主反射面，2—副反射面，3—反射体骨架，4—馈源，5—极化旋转机构

主反射面是天线系统的核心部件之一，整个天线主反射面由16块相同的扇形反射面组装而成。副反射面用螺杆吊装于支架上。调整螺杆可对副反射面位置进行调整和定位。副面四根支腿圆周均匀分布，支于反射体骨架上。反射体骨架支撑连接着天线的各个部件，是整个天线系统的主要受力体。馈源采用小型化技术，从而使其定位和支撑件——馈源套筒的结构更简单、更可靠。极化旋转机构由极化旋转装置和极化减速器组成，如图3-13所示。

极化旋转装置是由固定筒、转动筒和两个轴承组成的可以相对转动的定位机构，转动筒用于定位安装频谱复用网络，固定筒用于和天线定位连接。安装在转动筒上的齿轮与极化减速器啮合，达到极化面可调目的。极化减速器是一个两级齿轮机构，其外壳集合了用于采集极化旋转角度的旋转变压器、限位开关、限位挡板等。

3. 天线座架

该船卫通站两种口径天线的座架均为A-E-C三轴结构形式，方位（A）轴，随航向运动；俯仰（E）轴和交叉俯仰（C）轴通过稳定平台隔离船摇并通过跟踪系统实施对目标的自动跟踪。在传动链上，三轴均采用行星齿轮传动系统，可维护性、可靠性均比较高。小口径天线设有保护罩，增强了在恶劣海况条件下的通信能力。该船卫通站天线座架结构如图3-14所示。

方位部分采用转盘式结构。转盘式结构承载能力大，刚度好，精度高，轴向尺寸小，便于结构布局，使得结构更加紧凑，同时又可省掉粗大的方位轴，有利于安装其他的部件和走线。

方位部分由底座、方位大轴承、方位大齿轮、方位转盘、方位驱动、电缆缠绕装置、限位、缓冲、锁定及工作平台等部分组成。

方位底座采用铸铁材料，腔式结构，它可吸收船体的震动，减轻船体震动对天线的影响。采用腔式结构使得底座既有足够的刚度，又可减轻重量。方位大齿轮采用外齿式直齿圆柱齿轮，方位大齿轮和方位大轴承的外环做成一体，轴承固定在底座上。方位大轴承采用稀油循环润滑，由润滑油泵通过管路对大轴承供油，靠重力回油，实现大轴承的稀油循环润滑，解决轴承在海洋气候条件下的防护问题，提高设备的可靠性。其结构示意如图3-15所示。在大轴承之上是转盘，转盘采用钢板焊接，腔式结构，可以获得较高的刚度和较轻的重量。方位驱动装置固定在转盘上，随着转盘一起转动。

俯仰部分包括有左、右支臂，左、右轴承座，俯仰驱动系统，俯仰扇形齿轮，限位，缓冲等部分。

俯仰支臂既是俯仰轴承座的支撑又是俯仰减速箱的支撑，这样在增加俯仰轴承座的支撑刚性的同时也增加了俯仰减速箱的支撑刚性。俯仰扇形齿轮固定在C轴框架的左右两侧，扇形齿轮的轮齿和减速箱的输出小齿轮全部采用耐磨胶带密封起来，并在小齿轮罩底部开有漏水孔，以减少海洋环境对它们的侵蚀。俯仰轴承座起到对俯仰轴的支撑作用，俯仰轴的一端固定有俯仰旋变，另一端固定有波导旋转关节及电气限位开关，电缆和波导分别从俯仰轴的两端穿入。

交叉部分主要由框架、交叉轴、高频箱、配重、交叉轴驱动等部分组成。框架采用由钢板焊接成四方框的箱形结构，在框架的四边有轴与其连接，左右为俯仰轴，前后为交叉轴，电缆和波导从俯仰轴穿入后由框架内通过，进入高频箱，在框架的适当地方开有安装孔，供装配时使用。

高频箱是由钢板焊接而成的箱形件，它的上部与天线中心体连接，下部与配重连接，中部安装有交叉轴及轴承。波导和电缆分别从两个交叉轴进入高频箱。在高频箱内部安装有馈源网络、极化旋转机构、低噪声放大器及陀螺等部件。配重设置在高频箱的底部，由于受空间尺寸的限制，大部分配重采用整体灌注，另外配备一些小铅板供调整时使用，为了尽量减少俯仰配重，俯仰轴和交叉轴空间正交。

4. 天线罩

为增强海上抗风能力和“三防”（防水、防潮、防盐雾）能力，3.8m天线设置有天线罩。天线罩为玻璃钢蜂窝夹层分块拼装结构，在分块的连接处进行电调谐，目的是降低天线罩对天线旁瓣的影响。该结构具有刚度高、透波性好等优点，其插入损耗小于0.3dB，其结构如图3-16所示。天线罩外表面采用氟碳涂料，其特点是不沾油，不沾灰尘，易于清洗。