常用卫星通信天线介绍

常用卫星通信天线介绍 一 寇松江 爱科迪信息通讯技术有限公司 北京 E mail kousongjiang 天线是卫星通信系统的重要组成部分 是地球站射频信号的输入和输出通道 天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能 地球站与卫星之间的距离遥远 为保证信号的有效传输 大多数地球站采用反射面型天线 反射面型天线的特 点是方向性好 增益高 便于电波的远距离传输 反射面的分类方法很多 按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天 线 按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线 按频段可分为单频段天线和多频段 天线 按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等 下文对一些常用的天线 作简单介绍 1 抛物面天线抛物面天线 抛物面天线是一种单反射面型天线 利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面 将馈源置于抛物面的焦点 F 上 馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列 如图 1 所示 发射时信号从馈源向抛物面辐射 经抛物面反射后向空中辐射 由于 馈源位于抛物面的焦点上 电波经抛物面反射后 沿抛物面法向平行辐射 接 收时 经反射面反射后 电波汇聚到馈源 馈源可接收到最大信号能量 图 1 抛物面天线 抛物面天线的优点是结构简单 较双反射面天线便于装配 缺点是天线噪声 温度较高 由于采用前馈 会对信号造成一定的遮挡 使用大功率功放时 功 放重量带来的结构不稳定性必须被考虑 2 卡塞格伦天线卡塞格伦天线 卡塞格伦天线是一种双反射面天线 它由两个发射面和一个馈源组成 如图 2 所示 主反射面是一个旋转抛物面 副反射面为旋转双曲面 馈源置于旋转 双曲面的实焦点 F1 上 抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合 即都位于 F2 点 从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面 在主反射面上再 次被反射 由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合 经主副反射面的两次 反射后 电波平行于抛物面法向方向定向辐射 对经典的卡塞格伦天线来说 副反射面的存在遮挡了一部分能量 使得天线的效率降低 能量分布不均匀 必须进行修正 修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后 天线效率可提高到 0 7 0 75 而且能量分布均匀 目前 大多数地球站采用的都是修正型卡塞格 伦天线 卡塞格伦天线的优点是天线的效率高 噪声温度低 馈源和低噪声放大器可 以安装在天线后方的射频箱里 这样可以减小馈线损耗带来的不利影响 缺点 是副反射面极其支干会造成一定的遮挡 图 2 卡塞格伦天线 3 格里高利天线格里高利天线 格里高利天线也是一种双反射面天线 也由主反射面 副反射面及馈源组成 如图 3 所示 与卡塞格伦天线不同的是 它的副反射面是一个椭球面 馈源置 于椭球面的一个焦点 F1 上 椭球面的另一个焦点 F2 与主反射面的焦点重合 格里高利天线的许多特性都与卡塞格伦天线相似 不同的是椭球面的焦点是一 个实焦点 所有波束都汇聚于这一点 图 3 格里高利天线 4 环焦天线环焦天线 对卫星通信天线的总要求是在宽频带内有较低的旁瓣 较高的口面效率及较 高的 G T 值 当天线的口面较小时 使用环焦天线能较好地同时满足这些要求 因此 环焦天线特别适用于 VSAT 地球站 环焦天线由主反射面 副反射面和馈源喇叭三部分组成 结构如图 4 所示 主反射面为部分旋转抛物面 副反射面由椭圆弧 CB 绕主反射面轴线 OC 旋转 一周构成 馈源喇叭位于旋转椭球面的一个焦点 M 上 由馈源辐射的电波经副 反射面反射后汇聚于椭球面的另一焦点 M M 是抛物面 OD 的焦点 因此 经主反射面反射后的电波平行射出 由于天线是绕机械轴的旋转体 因此焦点 M 构成一个垂直于天线轴的圆环 故称此天线为环焦天线 环焦天线的设计可 消除副反射面对对电波的阻挡 也可基本消除副反射面对馈源喇叭的回射 馈 源喇叭和副反射面可设计得很近 这样有利于在宽频带内降低天线的旁瓣和驻 波比 提高天线效率 缺点是主反射面地利用率低 如图 4 所示 AA 间的区 域没有作用 图 4 环焦天线 5 偏馈型天线偏馈型天线 无论是抛物面天线 还是卡塞格伦天线 都有一个缺点 总有一部分电波能 量被副反射面阻挡 造成天线增益下降 旁瓣增益增高 可以使用天线偏馈技 术解决这个问题 所谓偏馈天线 就是将馈源和副反射面移出天线主反射面的 辐射区 这样就不会遮挡主波束 从而提高天线效率 降低旁瓣电平 偏馈型 天线广泛应用于口径较小的地球站 这类天线的几何结构比轴对称天线的结构 要复杂得多 特别是双反射面偏馈型天线 其馈源 焦距的调整要复杂得多 图 5 偏馈天线 6 双频段天线双频段天线 如果使用频率选择表面 FSS 作副反射面 就可以构成双频段天线 FSS 是 一种空间滤波器 通过在空间放置周期性的金属贴片或金属缝隙构成 它在某 些频率可让电磁波无衰减的通过 而在另外一些频率将电磁波完全反射 其结 构及电磁特性如图 6 所示 在频率 f1电磁波被完全反射 在频率 f2电磁波完全 通过 如果我们使用这样的 FSS 作副反射面 并使馈源 1 工作在 f1 馈源 2 工 作在 f2 则两个馈源可无干扰地工作在同一副天线上 如图 7 所示 利用相同 地原理 可制成多频段天线 这种技术已在卫星上得到应用 这种天线地优点 是可有效利用反射面 降低天线重量 图 6 FSS 的结构及电磁特性 图 7 双频段天线 常用卫星通信天线介绍 二 平板天线 寇松江 爱科迪信息通讯技术有限公司 北京 E mail kousongjiang 1 平板天线介绍 平板天线采用阵列天线技术 将几十上百甚至上千个天线单元集成在一块平板上 以获得 较高的增益 平板天线主要应用在雷达方面 近年来平板技术开始出现在卫星通信领域 平板天线的天线单元种类很多 常用的有微带贴片 波导缝隙 喇叭天线等 平板天线可 分为平板 平板相控阵 平板抛物面等类型 2 平板天线与抛物面的比较 平板天线剖面低 易于小型化设计 平板天线的波束可赋形 可设计为多波束 易进行共 形设计 平板相控阵天线更加适合高速载体上的动中通信 平板天线的增益一般比同口径抛物面天线低 因为它的辐射效率 口径效率较抛物面低 笔者认为 平板天线更适合于低剖面动中通方向的应用 3 常见 Ku 波段平板天线介绍 平板天线的应用频带很宽 本文仅涉及 Ku 频段的天线 1 StealthRay 低抛面相控阵天线 StealthRay 系列天线是 Ku 频段低剖面 双向动中通相控阵天线 是美国 Raysat Antenna Sy stems RAS 公司的产品 该公司是 Raysat 集团公司中的一员 Rasat 在 1997 年获得了相控阵 技术专利 并将其应用于卫星通信天线的开发之中 相控阵天线最大的优势是波束方向的改变是电扫 而不是传统的机械扫描 波束方向改变迅速 无惯性 非常适合高速运动载体的通信 StealthRay 系列的最新产品是 StealthRay 5000 其外形如图 1 所示 尺寸为 115 L x 90 W x 21 H cm 外观优雅漂亮 跟星性能极为优良 图 1 StealthRay 5000 其内部结构如图 2 所示 天线面为微带阵列结构 共四片 两片接收 两片发射 采用分 片式布局 以压低天线高度 射频方面采用极化自适应和空间波束合成技术 发射增益 29dBi 接收增益 28dBi 详细信息请参阅 2009 年 10 月 29 日博客 超低抛面相控阵动中通卫星通信 天线 StealthRay 3000 图 2 StealthRay 5000 内部结构 2 Mijet 平板动中通天线 Mijet 系列天线是以色列公司 Starling com 的产品 它是 Ku 频段平板动中通天线 Starling com 公司最初生产空载动中通卫星通信天线 剖面低 增益高 性能好 Mijet 天线装在飞机上 的情况如图 3 所示 天线直径 76cm 高度 15cm 重量 50Kg 图 3 Mijet 平板动中通天线 Mijet 内部结构如图 4 所示 采用分片结构 一片发射 两片接收 天线面采用微带阵列结 构 EIRP 42dBW G T 值 11dB K 图 4 Mijet 内部结构 近年来 Starling com 推出一款汽车上使用的 Ku 频段平板动中通天线 StarCar 其外形及内 部结构如图 5 所示 但 StarCar 的销售情况并不好 与 StealthRay 相比 StarCar 在跟星性能方 面还有待改进 毕竟空载平台与车辆平台的运动规律有很大不同 图 5 StarCar 车载平板天线 3 Microsat System 平板相控阵静中通天线 Microsat 天线是美国 Gigasat 公司的产品 天线采用微带阵列结构 等效口径 0 55m 可工 作于 X Ku Ka 频段 外尺寸 45 56 25cm 工作于 Ku 波段时 EIRP 49dBw 全重只有 17K g 含充电电池 被称为真正的手提箱式便携天线 图 6 Microsat System 平板相 控阵静中通天线 4 EL K 1891 机载相控阵动中通天线 这款天线是以色列航空工业集团公司的产品 被使用在阿帕奇直升机上 提供 X Ku 频段 动中通卫星通信 如图 7 所示 图 7 EL K 1891 机载相控阵动中通天线 该天线采用波导缝隙结构 收发单元各 70 80 个 提供低速率数据传输 内部结构如图所 示 图 8 EL K 1891 天线内部结构 4 国内卫星通信平板天线的发展 在卫通领域 国内平板天线的发展很滞后 尚未有成熟的产品 石家庄 54 所尝试采用波 导缝隙技术开发 Ku 频段平板动中通相控阵天线 并于 2007 年申请了天线面的专利 但直到今 天尚未有成熟的产品面市 上海 51 所