《卫星接收天馈线》PPT课件.ppt

第3章卫星接收天馈线,（1）面天线的工作原理（2）天线的主要技术指标,本章重点,3.1卫星接收天线的作用与分类3.2面天线的工作原理3.3反射面天线的馈源3.4极化转换器3.5天线的主要技术指标,本章内容,3.1卫星接收天线的作用与分类,一、天线的作用1、卫星电视接收系统组成：主要由卫星接收天线、卫星接收高频头和卫星电视接收机组成。2、天线作用：处于接收系统的最前端，其作用是将来自卫星转发器的微弱超高频电磁波加以聚集，并转换成导波中的电磁波或传输电缆中的高频电流，通过波导或高频电缆送给卫星接收高频头。卫星接收天线的技术指标的高低对整个系统的接收效果产生决定性的影响。3、天线特性：作为一种无源的天线电转换设备，接收天线也可以当作发射天线使用，这种关系称为天线的互易性。同样一副天线，无论是用作发射或接收，其基本参量保持不变。,二、天线的分类无线电通信用的天线种类繁多，分类出各不相同。通常按照天线的几何形状把天线分为线天线与面天线两大类。1.线天线：1)组成：由导线组成，导线的长度比导线的截面积大得多。为了使天线呈现出更好的特性，往往所截取的导线的长度与无线电信号的波长呈一定的关系(如半波长等)。2)工作原理：利用空中电磁波能在与其电场方向相切的导线上感应出最大高频电流这一机理来构成的。3)应用：线天线一般用在长波、中波和短波等工作频率比较低的波段上。,2、面天线：1)组成：由整块金属板(或网)组成的，面天线的面积比天线电信号的波长的平方大得多。2)工作原理：利用高频无线电波的似光传播特性来构成的。通过增大面天线的面积，来提高所截获电磁波的能量，从而可达到获得足够强的接收信号的目的。3）应用：面天线一般用在超短波、微波和毫米波等频率较高的波段。卫星电视的特点是工作频率高(处于微波频段)、地面接收信号十分微弱、要求接收天线有很高的增益。,3、面天线分类：面天线一般由反射面、馈源和支架等部分组成。a、反射面可采用金属板、金属网或玻璃钢等材料经过机械成型而成，故，若按反射面材料的不同，可分为：金属板天线、金属网天线或玻璃钢天线等三种；b、馈源一般采用各种形式的渐变波导段来构成。若按照反射面与馈源所处相对位置的不同，可分为：前馈天线、后馈天线和偏馈天线等三种；c、若按照天线工作原理的不同，又可分为：普通抛物面天线、卡塞格伦天线和平面天线等三种。,3.2面天线的工作原理,一、普通抛物面天线1、天线的结构：如图1所示。馈源是一种弱方向性天线，安装在抛物面前方的焦点位置上，故普通抛物面天线出称为前馈天线。由馈源辐射出来的球面波被抛物面往一个方向(天线轴向)反射，形成尖锐的波束，这种情况与按照灯极为相似。,2、几何关系,抛物面是由抛物线绕它的曲线(z轴)旋转而成的。如图2所示，在yoz平面上，以F为焦点，O为顶点的抛物线方程为：(f为焦距)相应的立体坐标方程为：设D为抛物面口径的直径，20为口径对焦点所张的角(简称口径张角)，由上述关系式可导出决定抛物面口径张角的抛物面焦径比：,3、几何光学特性：由焦点发出的各光线经抛物面反射，其反射线都平行于z轴；反之，当平行光线沿z轴入射时，则被抛物面反射而聚焦于F点。其原因是，由焦点发出的各光线经抛物面反射后到达口径面的行程相等（这一结论可利用抛物线的以下性质来证明：从抛物线任一点到焦点的距离等于该点到准线的距离）。微波的传播特性与光相似，因此，位于焦点F的馈源所辐射的电磁波经抛物面反射后，在抛物面口径上得到同相波阵面，使电磁波沿天线轴向传播。如果抛物面口径尺寸为无限大，那么抛物面就把球面波变为理想平面波，能量只沿z轴正向传播，其它方向辐射为零。但实际上抛物面的口径是有限的，因而得到的是与口径大小及口径场分布有关的窄波束。4、存在问题：前馈抛物面天线的馈源位于天线的主波束内，因而对所接收的电磁波形成了遮挡，其结果降低了天线的增益，增大了旁瓣,二、偏馈天线1、偏馈天线的组成：偏馈反射面是在旋转抛物反射面上截取一部分而构成的。图3示出了偏馈反射面天线的几何关系。实际上，它同样可将焦点发出的球面波转换成沿轴向传播的平面波。馈源的相位中心仍放在原抛物面的焦点上，但馈源的最大辐射须指向偏馈反射面的中心。尽管反射面的轮廓呈椭圆型，但它的口径仍是一个圆。几何关系可参看图4。,对于偏馈天线有式中，o是抛物面轴线与焦点到反面中心联线的夹角。反射面在这条中心两旁张成2e的角度。2、偏馈天线的特点：1）将馈源移出天线反射面的口径，可消除馈源及其支撑物对电磁波的遮挡。2）对于偏馈天线而言，电磁波的最大辐射方向并不在偏馈反射面的法向，而是与法向成一定的夹角。这一特点也是偏馈天线的另一特色。在纬度较高地区接收卫星信号，偏馈天线的反射面与地面几乎垂直，不易积聚雨雪，这也是很有特色的。3）偏馈天线的最大特点是旁瓣小。当反射面边缘的照射锥削为1520dB时，偏馈天线的旁瓣电平要比前馈天线改善810dB。由于馈源避开了来自反射面的回波，因而也改善了天线的驻波比。,三、卡塞格伦天线图5为卡塞格伦天线的结构图,图6卡塞格伦天线的几何关系图,1、结构：是一种双反射面天线，其主反射面是旋转抛物面，副反射面是旋转双曲面。双曲面有2个焦点：其中F1与主反射面的焦点重合，F2点放置馈源。根据双曲面的性质，由F2发出的射线被副面反射，其反射线可以看成是共轭焦点F1发出的射线。又因为F1是抛物面的焦点，所以，由F2发出的波经副反射面和主反射面反射后，在口径面形成同相场，从而得到平行于轴向的辐射波。2、特点：双反射面的优点之一在于可以采用赋形技术。如果修正旋转双曲面的形状，使口径场分布符合要求，同时适当地修改主面以校正由于副面改变而引起的口径场相位差，那么，卡塞格伦天线将有较高的电性能，效率可达80%。但卡塞格伦天线的副面直径一般要取较大，这在小口径天线中会造成较大的遮挡。且造价高。,3、优化：存在矛盾：付面小，截获馈源来的射线效率低；付面大，对主面来的射线阻挡大优化方法：付面在主面上的投影，等于从主面焦点看向馈源在主面上的投影。经验取值：Ds/D=0.080.15;o=7090度4、馈源：采用小张角的园锥喇叭馈源，角度小于30度。如图7所示。,3.3反射面天线的馈源,一、对馈源的要求要求：馈源是反射面天线的心脏。它的性能对整个天线的性能有很大的影响。反射面天线要求馈源有确定的相位中心、轴对称的方向图、低的交叉极化、良好的驻波比、足够的带宽以及较小的遮挡等等。,二、馈源的结构1、波导辐射器：在微波波段通常采用波导传输电磁能量。波导是空心的金属管，电磁波在其中传播时，一方面，波导管对电磁波起屏散作用，使电磁波限制在波导管中的传播；波导中不同的场结构，形成了不同的传播模式。圆波导的主模是TE11模，如图8所示。终端开口的波导，导波能量从开口面向空间辐射，称为波导辐射器。波导辐射器的方向图相当宽，用它照射抛物面天线，最大理论效率只能达74%，而且波束宽度大，方向图带宽也差。2、园锥喇叭馈源：小张角的园锥喇叭馈源，角度小于30度。,3、平面开槽喇叭：在圆波导口上套上一个开有环形槽的法兰盘，则构成平面开槽喇叭，它改善了波导辐射器的照射性能。90波纹喇叭的结构如图9所示。它的环形槽数通常为26个，齿厚远小于工作波长，槽宽W/4，槽深h约为/4。中心波导一般工作于TE11主模，若工作频段内最大、最小波长分别为max、min，则要求波导半径为R满足：0.293maxR0.61min。平面开槽喇叭具有旋转对称的波瓣，相位中心固定，旁瓣电平低，交叉极化小，结构简单，成本低等优点。,3.4极化转换器,反射面天线的馈电喇叭通常接有极化转换器和矩圆过渡波导。极化器将圆极化波转换为线极化波，矩圆过渡波导则将圆波导中的波型变换为矩形波导中的波型，以便与LNB匹配。一、电波的极化特性1、线极化：在三维空间，沿Z轴方向传播的电磁波，其瞬时电场可写为：其中,若与的相位差为n(n=1,2,3,)，则，合成矢量的模为:是一个随时间变化而变化的量；合成矢量的相位为常数。可见合成矢量的端点的轨迹为一条直线。与传播方向构成的平面称为极化面，当极化面与地面平行时，为水平极化；当极化面与地面垂直时，为垂直极化波。,2、园极化：若与的幅度相等，相位差为(2n+1)/2时，则:故合成矢量端点的轨迹为一个园。根据电场旋转方向不同，圆极化可分为右旋和左旋两种。观察者沿波的传播方向看去，电场矢量在截面内顺时针方向旋转（满足右手定测）称右旋极化，逆时针方向旋转（满足左手定测）称左旋转化。因此，若超前/2，则为右旋极化波，若落后/2，则为左旋极化波。,3、椭园极化：若与的幅度和相位差均不满足上述条件时，合成矢量端点的轨迹为一个椭园。椭圆极化波的椭圆长短轴之比，称为轴比，当椭圆的轴比等于1，椭圆极化波即是圆极化波。当轴化为时，电波的极化为线极化。波的极化状态如图10所示。,4、电波的极化与天线的关系：电波的极化特性是由发射天线决定的，反过来不同极化的电波则要求天线与之极化匹配，即线极化天线只能辐射或接收线极化波，并且，水平极化天线只能接收由水平极化天线辐射的水平极化波，不能接收由垂直极化天线辐射的垂直极化波，反之亦然。圆极化天线只能发射或接收圆极化波，并且，右旋圆极化天线只能接收右旋圆极化天线发射的右旋圆极化波，而不能接收左旋圆极化波，反之亦然。卫星电视广播有的用线极化波，有的用圆极化波。一般卫星电视接收天线都设计成能工作于接收线极化和圆极化波两种状态。值得注意的是，若卫星电视广播的电磁波是右旋圆极化波的，但右旋圆极化波经反射面一次反射则变为左旋圆极化，所以，进入前馈天线馈源的圆极化是左旋的。对于后馈天线，入射波经主、副反射面二次反射后，仍然为右旋圆极化波。,由于天线馈源输出端通常要与带有矩形接口的室外接收单元联接，所以，反射面天线的馈源通常需要一段极化转换器和矩圆过渡波导，如图11-1所示。对于接收采用园极化波的卫星广播信号，装在接收天线馈源后的极化器先将圆极化波转换为线极化波，再通过矩圆过渡波导将圆波导中的波型变换为矩形波导中的波型，以便与其后的卫星接收高频头（LNB）接口配接。,二、极化转换器原理与结构1、原理由于圆极化波可以看成是由2个正交、等幅、相位差90的线极化波分量合成的，所以，极化器的工作原理就是用一个分量移相器使其中一个线极化波改变相位，经一段传输路程后，二个分量的相位变成相同，其合成场变成了线极化波。反射面天线中常用45介质片分量移相器和销针分量移相器。它们移相原理是相同的。,2、介质移相器结构：45介质片分量移相器如图11所示。在圆波导内与矩形波导宽边45角方向上安装一个介质片，设进入馈源的来波是左旋圆极化波。将圆极化波分解为与介质片平行的分量E11及介质片垂直的分量E。由于是左旋，所以E11超前E90。但E11在介质片上传输的速度比垂直于介质片的E慢，E11的相位逐渐被延迟。选择合适的介质片长度l，使E11的相位恰好延迟90，E11变成了与E同相位，于是合成场变为与介质片成45角的线极化波。由于极化方向与宽边垂直，所以该极化波能进入矩形波导进行传输。用作分量移相器的介质片，一般由微波损耗小的聚四氟乙烯板或聚四氟乙烯纤维板制作而成。片长一般通过实验才能最后确定，二头切成凹状是为了减少波的反射。,3、螺钉移相器结构：图12表示在圆波导内放置两排销钉，构成销钉分量移相器。对于行于销钉所在平面的电场E11来说，销钉呈容性，使其相速减小，而对垂直于销钉面的E来说销钉呈感性，使其相速增加。控制销钉插入深度和销钉的个数，可以做到E11与E同相，将圆极化波转换为线极化波。为了使销钉移相器与波导匹配，销钉的插入深度是渐变的，中间最深，两边最浅。用渐变宽度的月牙形金属片代替两排销钉，也能构成移相器，其基本原理与销钉移相器相同。由于销钉所在平面与介质所在平面一样，都是使与之平行的E11相位滞后。所以在完成同样的极化方式转换时，销钉平面在圆波导内的取向与介质片的取向是一致的。圆形波导由于结构对称，对波的极化形式没有选择，而矩形波导只允许与其宽边垂直的电场通过，所以波导的宽边必须与电波极化的方向相垂直。,4、可调线极化器一种可调线极化馈源，如图13所示。在接收线极化波时，只要调整线极化振子，使之平行于线极化波的极化方向即可。若将振子改为小螺旋，则该馈源接收圆极化波无需加极化器。此外，背射螺旋馈源也是不加极化器而接收圆极化波的。前馈和后馈天线接收各种极化波时，极化器与波导宽边的安置方向如图14所示，这是从高频头的矩形波导口向馈源方向看去的。,三、矩圆过渡波导1、必要性：波导型的馈源为了获得旋转对称的方向图，通常以圆波导激励。紧接在馈源后面的极化器也是由圆波导构成的。而高频头的输入端是矩形波导，所以，在馈源的输出端口有一个圆矩过渡波导段，以完成圆波导中的TE11模到矩形波导中TE10模的转换。在矩圆过渡波导段中引入一些小的不连续性，以改善馈源的驻波比，达到阻抗匹配的目的。,2、渐变矩圆过渡波导：矩圆波导的过渡有多种形式。图15为渐变矩圆过渡波导，圆波导TE11模经过一段渐变线逐渐过渡为矩形波导TE10模。为了使电磁能量从圆波导全部传入矩形波导，要求矩形波导与圆波导的二模相位相等，据此得圆波导半径R=2/3.41=0.6，其中是矩形波导宽边尺寸。与此类似的渐变过渡变换方式还有楔形圆矩过渡，如图16所示。,3、阶梯过渡波导：阶梯式矩圆过渡波导如图17所示。采用几节长度为g/4阶梯，使圆波导过渡到矩形波导，g为其节变形波导段的波导波长。一般采用2节g/4过渡段，每一台阶的高度由g/4过渡段的特性阻抗决定。,3.5天线的主要技术指标,一、天线的方向图1、方向图天线辐射的电场强度在空间各点的分布是不一样的，为了描述天线这种辐射强度的分布情况，我们可以用矢量来表示。把天线放置于坐标原点，并使其轴向与z轴方向重合，所有的矢量从原点出发，其长度代表电场强度。用连线连接各矢量端点，所围成的包络，就是天线的方向图。显然，方向图是三维的，但通常取其水平和垂直两个切面，故有水平方向图和垂直方向图，或E面(平行于电场)和H面（垂直于电场方向）方向图。如图18所示。,2、主瓣宽度方向图反映了天线集中辐射能的情况。通常方向图有许多叶瓣，最大辐射方向的叶瓣叫主瓣，其它叶瓣叫旁瓣(或付瓣)。主瓣宽度定义为当信号功率下降到最大辐射方向功率值的一半（即-3dB)(即场强下降为最大值的0.707倍)处，两点之间的夹角宽度。一般情况下，口径为D的向抛物面天线，其主瓣宽度可用下式估算：,为工作波长例如：C波段天线：6米3dB=0.9；3米3dB=1.8；1.5米3dB=3.6。3、付瓣电平副瓣电平定义如下：付瓣电平=10lg（付瓣最大功率/主瓣最大功率）。付瓣电平高，会对其他通信产生干扰，也容易受干扰，故其值越小越好。,二、天线增益1、天线增益的定义在相同输入功率条件下，天线在最强方向上某一点所产生的电场强度的平方E2(或功率P)与无耗理想点源天线在该点产生的电场强度的平方E20(或功率P0)之比，即若采用分贝数表示，则有：,2、理想面天线的增益计算：设面天线的等效开口面积为S0，在S上电场为同相均匀分布，则与理想点源天线的等效开口面积之比即为面天线的增益，即,3、非理想面天线的增益对非理想面天线，其实际开口面积与等效开口面积之比，定义为该天线的效率，即So=S，则非理想面天线的增益为：若用分贝数表示，则有由于天线的效率与天线的形式、结构和加工工艺等有关，故不同的天线其效率也各不相同。在通常情况下，各种类型天线的效率可作如下估计：网状普通抛物面天线：=50%板状抛物面天线：=60%卡塞格伦天线：=70%,三、天线的噪声温度：1、天线的品质因素：除了天线增益外，天线的噪声温度对整个接收系统的性能也有重要的影响，因为它将使系统的信噪比下降。因此，为了全面地衡量天线的综合性能，通常采用天线的品质因素来表示天线的性能。品质因素定义为：Q=Ga/Te其中，Ga为天线的增益，Te为天线的噪声温度。2、天线的噪声温度：天线的噪声来源可分为外部和内部。由反射面和馈源本身的损耗引起的噪声为内部噪声；由天线所处的环境中存在的噪声的影响，其中包括空间大气吸收、宇宙噪声和地面热辐射等，为外部噪声。地面热辐射噪声往往通过碰地的天线主瓣和旁瓣进入天线的，故天线主瓣和旁瓣小的天线其噪声温度也越小。对于C波段天线，一般取2035K左右。,四、天线的阻抗与驻波比：1、天线阻抗：天线阻抗是指从天线输入端口(作为接收天线时，为输出端口)看向天线的输入阻抗，它是天线输入电压与电流之比。在微波频段，很少用天线阻抗概念，而用反射系数或驻波比来表示天线与馈线的匹配状况，2、电压驻波比：电压驻波比与电压反射系数之间的关系为一般要求应在1.4以内。测量驻波比通常用测回波损耗Lr的方法，Lr的单位取分贝时，与的关系为回波损耗Lr越大，驻波比就越小。,