卫星通信天线简介

1、常用卫星通信天线简介天线是卫星通信系统的重要组成局部，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

2、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，电波会聚到馈源，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

3、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局部能量，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前方的射频箱里，这样可

4、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4. 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

5、反射面和馈源喇叭三局部组成，结构如图4所示。主反射面为局部旋转抛物面，副反射面由椭圆弧CB绕主反射面轴线0C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 射面反射后会聚于椭球面的另一焦点 M ', M '是抛物面0D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，也可根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

6、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。无论是抛物面天线，还是卡塞格伦天线，都有一个缺点，总有一局部电波能 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. 双频段天线如果使用频率选择外表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，

7、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fi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fi，馈源2工作在f2, 那么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Illi»1A-" :1 IH/ 1 / 1 X"1-门切類率MS的老離科fl用卫星通信天线介绍二平板天线寇松江爱科迪信息

8、通讯技术，北京,100070 )E-mail: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拟 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

9、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 Anten na Systems 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

10、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2021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

11、司 Starling-com 的产品，它是Ku频段平板动中通天线。Star lin g-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推岀一款汽车上使用的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

12、StealthRay 相比，StarCar在跟星性图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 X56 X25cm，工作于 Ku波段时EIRP = 49dBw，全重只有17Kg (含充电电池)。被称为真正的手提箱式便携天线。相控阵静中通天线(4 ) EL/K 1891机载相控阵动中通天线X/Ku频段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 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7080个。提供低速率数据传输。内部结构如图4. 国内卫星通信平板天线的开展在卫通领域，国内平板天线的开展很滞后，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，