卫星接收系统(卫星天线与高频头).ppt

第四章卫星接收系统 系统组成 天线 馈源 高频头 卫星接收机 功分器 卫星接收天线 工作原理 主要参数 馈源高频头 框图 特性参数卫星接收机 工作原理 特性参数功分器 特性参数 无源功分 有源功分 2020 3 21 数字卫星广播 1 4 1卫星接收天线 1 广泛使用的卫星接收天线为反射面天线 由反射面和馈源组成 2 分类 按反射面与馈源的相对位置分为 前馈 后馈和偏馈天线 按工作原理分为 旋转抛物面 卡塞格伦 格里高利 球形反射面天线 3 作用 收集电磁波 2020 3 21 数字卫星广播 2 4 1 1工作原理 反射面天线工作原理分析方法 几何光学法 口面场积分法 口面电流法 几何光学法两个基本出发点 光线沿直线传播 入射角等于反射角 2020 3 21 数字卫星广播 3 4 1 1工作原理 一 旋转抛物面天线旋转抛物面天线 直径1 4 5米 又称为前馈天线 1 抛物线定义 到一个定点 焦点 和一个直线 准线 等距离的点的运动轨迹 2 抛物面形成 抛物线沿对称轴旋转一周3 抛物线方程 f 抛物线焦距4 抛物线极坐标方程 旋转抛物面的四个几何参数 焦距f 口面直径d 口面半张角 抛物面厚度W 关系公式 2020 3 21 数字卫星广播 4 4 1 1工作原理 一 旋转抛物面天线旋转抛物面天线 直径1 4 5米 又称为前馈天线 1 抛物线定义 到一个定点 焦点 和一个直线 准线 等距离的点的运动轨迹 2 抛物面形成 抛物线沿对称轴旋转一周3 抛物线方程 2020 3 21 数字卫星广播 f 抛物线焦距 4 1 1工作原理 4 旋转抛物面的四个几何参数 焦距f 口面直径d 口面半张角 0 抛物面厚度W 2020 3 21 数字卫星广播 6 几何参数之间的关系式 一 旋转抛物面天线 4 1 1工作原理 5 旋转抛物面的焦距口径比是天线的一项基本参数 f 0 25d中焦天线 f小于0 25d短焦天线 f大于0 25d长焦天线f 0 38d天线性能最好 2020 3 21 数字卫星广播 7 一 旋转抛物面天线 4 1 1工作原理 6 抛物线的两个重要几何光学性质 平行于抛物线对称轴方向入射的射线经抛物线反射后一定经过焦点 平行于抛物线对称轴方向入射的射线经抛物线反射后经过焦点时 所走路程是相同的 7 旋转抛物面天线的工作原理 天线对准卫星时 卫星发射的电磁波平行于天线的轴线传播 经反射面反射后同相聚焦 同相聚焦两层含义 电波传输距离相同 相位相同 所有反射线都经过焦点处聚焦 2020 3 21 数字卫星广播 8 一 旋转抛物面天线 天线的轴线偏离卫星方向 就形成散焦 发射和接收状态相类似 一 旋转抛物面天线 二 卡塞格伦天线 1 组成卡塞格伦天线是双反射面天线 它由主反射面 副反射面和馈源三部分组成 主反射面是旋转抛物面 副反射面是旋转双曲面 2 主面的3个几何参数 焦距f 直径d 口面半张角 3 副面有两个焦点 虚焦点和实焦点 虚焦点的位置与主面焦点重合 卡塞格伦天线馈源放置在副面实焦点 2020 3 21 数字卫星广播 10 二 卡塞格伦天线 二 卡塞格伦天线 4 双曲线的两个重要几何光学性质 对准虚焦点发出的射线经过双曲线反射之后 必然经过实焦点 从反射点到两个焦点的行程差为常数 对于电磁波来说就是相位差为常数 双曲面的作用是将焦点进行搬移 2020 3 21 数字卫星广播 12 三 格里高利天线 4 双曲线的两个重要几何光学性质 对准虚焦点发出的射线经过双曲线反射之后 必然经过实焦点 从反射点到两个焦点的行程差为常数 对于电磁波来说就是相位差为常数 双曲面的作用是将焦点进行搬移 2020 3 21 数字卫星广播 13 三 格里高利天线 1 组成格里高利天线是双反射面天线 它由主反射面 副反射面和馈源三部分组成 主反射面是旋转抛物面 副反射面是凹椭球面 2 主面的3个几何参数 焦距f 直径d 口面半张角 3 副面有两个实焦点 焦点F1和焦点F2 焦点F1的位置与主面焦点F重合 2020 3 21 数字卫星广播 14 三 格里高利天线 格里高利天线有两个实焦点 一个用于发射 另一个用于接收 收发共用通常可以将接收馈源安放在焦点F1处 由于这个位置同时也是主面的焦点 因此接收天线就是一个旋转抛物面天线 而发射馈源则安放在焦点F2处 2020 3 21 数字卫星广播 15 三 格里高利天线 三 格里高利天线 4 椭球的几何光学性质 从一个焦点发出的射线经过凹椭球面反射之后 必然经过另一个焦点 从反射点到两个焦点的行程之和为常数 对电磁波来说相位为常数 凹椭球面的作用是将发射馈源从焦点F2变换到主反射面焦点 于是对于发射天线来说 从焦点F2处发出的射线经过凹椭球面反射之后 同相聚焦在焦点fI处 即主面的焦点处 然后经过主面反射之后形成平面电磁波 2020 3 21 数字卫星广播 17 四 偏馈天线 1 前馈天线由于馈源阻挡 后馈天线由于反射面的阻挡 效率降低 2 偏馈天线截取前馈和后馈天线的一部分构成 双反射面的偏馈天线是格里高利型 3 偏馈天线存在偏馈角 4 按口面形状 偏馈天线分为椭圆形口面和圆形口面 椭圆形口面外表看是圆形圆形口面外表看是椭圆形 2020 3 21 数字卫星广播 18 五 球形反射面 球形反射面是球面的一部分 可用一副天线同时接收多颗卫星 2020 3 21 数字卫星广播 19 4 1 2主要参数 天线的主要参数 增益 方向图 半功率角 等效噪声温度一 增益G1 接收天线增益的定义 设从空间各个方向上传来的电磁波场强相同 天线在某一方向上接收时 向负载输出的功率与一个理想无损耗天线在该处各个方向接收时 输入到负载中的功率平均值之比 即 天线增益指定向天线较全向天线对电磁波接收能力大的程度 接收天线增益最大的方向称为天线的最大接收方向 2020 3 21 数字卫星广播 20 4 1 2主要参数 2 表达式 2020 3 21 数字卫星广播 21 dB 天线的工作波长C波段 fo 4GHZ 0 075mKu波段 fo 12GHZ 0 025mA 天线的口面面积 天线的效率 一 增益G 4 1 2主要参数 2 表达式 2020 3 21 数字卫星广播 22 dB 天线的工作波长C波段 fo 4GHZ 0 075mKu波段 fo 12GHZ 0 025m 天线的效率A 天线的口面面积天线的口面面积是垂直于电波传播方向上的天线的横截面面积 天线的口面面积越大 就反映了天线能够截获的电磁波能量越多 因此天线输出电平就越强 天线的增益也就越高 一 增益G 4 1 2主要参数 3 天线的口面效率 2020 3 21 数字卫星广播 23 天线的优劣就是出天线的口面效率来确定的 天线的口面效率主要依靠测量确定 卫星天线的口面效率受很多因素的影响 馈源的性能对天线的口面效率的影响起主导作用 50 70 50 合格 60 良好 70 优良 4 对圆形口面的卫星天线 增益表达式 dB d 圆形口面的直径 一 增益G 4 1 2主要参数 三 天线的等效噪声温度 TA 2020 3 21 数字卫星广播 24 1 天线的等效噪声温度反映了天线接收下来并传送给匹配负载的噪声功率的大小 2 表达式Pn kTAB W k 玻尔兹曼常数1 38 10 23 J K B 接收系统带宽 4 1 2主要参数 3 天线等效噪声温度的测量曲线 2020 3 21 数字卫星广播 25 人们经过大量的实际测量发现 尽管影响天线噪声温度的因素很多 但其中天线的仰角和工作波长两项因素对噪声温度影响为最大 三 天线的等效噪声温度 TA 4 1 3馈源 用于发射时 馈源系统将功率转化为电磁波 用于接收时 馈源系统将电磁波转化为电功率 2020 3 21 数字卫星广播 26 一 波导与喇叭天线1 喇叭天线就是波导的开口面逐渐扩大形成的 2 波导是矩形或圆形的金属管 传播的电磁波称为导行波 矩形波导的主模为TE10波 为横电波 圆形波导的主模为TE11波 为横电波 3 标准矩形波导内壁的宽边和窄边长度为2 1 4 矩形波导是线极化的 电场的极化方向为波导的窄边方向 对调整馈源很重要 圆形波导基本也是线极化 5 波导相当于高通滤波器 4 1 3馈源 2020 3 21 数字卫星广播 27 6 圆形波导是卫星天线馈源的核心组成部分 圆形波导 圆波导 可以发射电磁波 同时也可以接收电磁波 由于圆波导的结构是完全对称的 因此它既可以接收 发射 圆极化波 也可以接收 发射 线极化波 7 圆形波导的不足圆形波导的开口面又称为波导辐射器 它可以辐射或接收电磁波 因此是一种最简单的口面天线形式 波导的开口面是一种弱方向性的天线 它存在着两个明显的不足之处 由于波导开口面的面积有限 因此其增益比较低 由于波导内的波阻抗与自由空间的波阻抗不匹配 因此在口面上存在着比较强的反射波 这样就会影响天线的口面效率 由于上述的原因 开口波导很少直接作为馈源使用 一 波导与喇叭天线 4 1 3馈源 2020 3 21 数字卫星广播 28 8 解决的办法将波导的开口面逐渐地扩大 就形成了所谓的喇叭天线 喇叭天线的口面面积较大 因此与开口波导相比 喇叭天线的增益较高 另外在喇叭天线中 波阻抗是逐渐地由波导的波阻抗过渡到自由空间的波阻抗 阻抗匹配状况有了很大的改进 因此口面上的反射系数比较小 卫星接收或发射天线广泛使用喇叭天线作为馈源 喇叭天线的核心部分是一个直径为0 6 至1 1 的圆波导 一 波导与喇叭天线 4 1 3馈源 2020 3 21 数字卫星广播 29 9 圆喇叭的结构圆喇叭的结构如图4 16所示 因喇叭内传播的电波模式为TE11被 与圆波导中的主模是一样的 一 波导与喇叭天线 二 前馈馈源1 前馈馈源多采用90度波纹喇叭 由圆波导 波纹 圆矩变换段和法兰盘组成 2 圆波导 是馈源的核心部分 馈源的相位中心在波导口面的内侧 距离口面很近 安装馈源时应该将相位中心调整到反射而的焦点f处 这样才能保证馈源的纵向安装误差为零 4 90度波纹喇叭 为了提高馈源的效率 减小口面的反射 改善馈源的方向图 在圆波导的外部安装一个或多个波纹 构成90度波纹喇叭 4 1 3馈源 二 前馈馈源5 90度波纹的作用 在波纹内激励的TE10波和TE11波叠加 使得波纹口面的场分布均匀 改善了馈源和自由空间波阻抗匹配状况 在正负50度范围内保证馈源的方向函数基本不变 前馈式卫星接收天线大多采用它作90度波纹喇叭 6 法兰盘 圆矩变换作为卫星接收天线 馈源是通过法兰盘与高频头连接在一起的 由于高频头的输入端为矩形波导 因此在馈源内部必须要设有一个圆矩变换段 将圆形波导逐步地过渡到矩形波导 4 1 3馈源 4 1 3馈源 从波导的正前方观察 圆波导中心有一条短的竖线 它是高频头输入端内的探针 它的方向就是天线的极化方向 阻抗变换器 圆波导和矩形波导的几何形状不同 它们的波阻抗也不同 为了减少反射 保证波阻抗匹配 在圆矩变换段内设有阻抗变换器 它是由两段长度为 4的过渡段组成 根据传输线理论 长度为 4的波导或馈线本身就构成了阻抗变换器 采用圆矩变换之后 改变了波导的形状 保证了阻抗匹配 同时还有利与极化方向的稳定 二 前馈馈源 三 后馈馈源1 后馈馈源是安装在主反射面上的 因此其长度不大受到限制 2 后馈馈源的形式有圆喇叭 阶梯喇叭 变张角喇叭 介质加载喇叭和波纹喇叭等几种 3 目前 效率最高的后馈馈源形式为波纹喇叭 4 1 3馈源 第四章卫星接收系统 卫星接收天线的类型有反射面天线和微带天线两种 反射面天线是由反射面和馈源两部分组成的 馈源本身就是一种天线 在工程上通常根据馈源与反射面的相对位置 将反射面天线分为前馈天线 后馈天线和偏馈天线三种形式 而从工作原理上来说 卫星广播系统中使用的反射面天线可以分为旋转抛物面天线 卡赛格伦天线 格里高利天线 球形反射面天线等几种类型 2020 3 21 数字卫星广播 37 卫星接收天线的主要参数 一 增益 G 工作在发射状态下的天线称为发射天线 而工作在接收状态下的天线称为接收天线 一般不特别进行声明的话 天线的增益是特指最大辐射方向 最大接收方向 上的增益 也就是该天线增益的最大值 根据互易定理 可以证明接收天线的增益与该天线工作在发射状态下的增益在数值上是完全相同的 最大辐射方向与最大接收方向也是一致的 故通常人们只说天线的增益 2020 3 21 数字卫星广播 38 二 方向图与方向函数 卫星天线的方向图反映了天线增益随方向的变化 为了方便起见通常采用相对增益Gr的概念来画天线的方向图 天线的方向图中的几个概念 1 主瓣 后瓣 旁瓣2 半功率角 前后比 旁瓣电平3 天线的方向函数 2020 3 21 数字卫星广播 39 三 天线的等效噪声温度 卫星接收天线的等效噪声温度反映了天线接收下来的并传送给匹配负载的噪声功率的大小 在忽略馈线系统的损耗以后 天线接收下来并传送给高频头的噪声功率与天线等效噪声温度的关系 2020 3 21 数字卫星广播 40 旋转抛物面天线 有旋转对称抛物面和馈源构成 馈源位置为抛物面焦点 也称前馈天线或单反射面天线 馈源发出的电磁波经反射面反射后沿着平行于抛物面轴线方向传播 对接收天线 当天线对准卫星时 来自卫星方向的电磁波平行与天线轴线 经反射后聚焦在馈源处 2020 3 21 数字卫星广播 41 卡赛格伦天线 由主反射面 副反射面和馈源组成 主反射面为旋转对称抛物面 副反射面为双曲面 副反射面的虚焦点与主反射面的焦点重合 馈源设置在副反射面的实焦点处 对发射天线 馈源发出的电磁波经主 副反射面两次反射后沿着平行于抛物面轴线方向传播 对接收天线 当天线对准卫星时 来自卫星方向的电磁波平行与天线轴线 经两次反射后聚焦在馈源处 2020 3 21 数字卫星广播 42 格里高利天线 由主反射面 副反射面和馈源组成 主面是旋转抛物面 副面为凹椭球面 副反射面有两个实焦点 一个与主面焦点重合 馈源设置在另一个实焦点处 电波反射特点同卡赛格伦天线 2020 3 21 数字卫星广播 43 偏馈天线 偏馈天线是相对前馈天线和后馈天线而言的 实际上 偏馈天线就是截取前馈天线或后馈天线的一部分而构成的 这样馈源或副面对反射面就不产生遮挡了 从而提高了天线的口面效率 2020 3 21 数字卫星广播 44 球形反射面天线 球形反射面就是球面的一部分 在卫星接收系统中使用球形反射面天线的目的就是使用一副天线来同时接收多颗卫星 球形反射面具有完全对称的几何结构 因此它是一种比较理想的接收不同方向信号的接收天线形式 2020 3 21 数字卫星广播 45 高频头 高频头是卫星接收系统中的一个重要部件 它的性能好坏直接影响着卫星接收的质量 高频头的功能是 1 低噪声放大 2 下变频 3 中频放大 2020 3 21 数字卫星广播 46 高频头组成框图 2020 3 21 数字卫星广播 47 极轴式卫星接收天线 目前常用的卫星接收天线的支撑方式可以分为仰角方位角式和极轴式两种 大部分的卫星接收天线采用仰角方位角式 由于极轴式卫星接收天线调整起来比较简单 一般仅仅转动一个角度即可对相当多的卫星位置进行跟踪 作为电动式卫星接收天线比较方便 近年来在市场上出现了许多极轴式卫星接收天线 2020 3 21 数字卫星广播 48 卫星接收天线的极化角 目前在区域性的卫星广播业务中 通常采用水平极化和垂直极化这两种正交极化方式 与圆极化方式不同 采用线极化时 要考虑由于卫星接收天线的馈源安装方向不正确而引起的极化失配问题 极化失配会产生交叉极化干扰 从而影响广播卫星的频率复用 2020 3 21 数字卫星广播 49