衛星天線的原理及維護

張金虎

（國家新聞出版廣電總局北京地球站，北京　102206）

衛星天線的原理及維護

張金虎

（國家新聞出版廣電總局北京地球站，北京102206）

本文對衛星天線的原理、組成進行了介紹，并闡述了衛星天線的基本要求，對天線系統的技術指標和維護周期進行了詳細介紹，對衛星地球站天線的維護有一定的參考作用。

衛星天線；原理；技術指標；維護周期

衛星天線是衛星通信地球站的重要環節，它的主要作用是對準衛星，實現自由空間傳播的電磁波能量與發射或接收的導行波能量之間進行能量轉換，按照所需的工作頻率、極化和方向發射或接收信號，同時將發射功率或接收功率等效放大。

1　天線系統的基本要求

衛星天線是地球站射頻信號的輸入和輸出通道，天線系統性能的優劣直接影響整個通信系統的性能，因此，天線系統通常要滿足以下基本要求：

（1）高增益。天線增益高，在發射機輸出功率相同的情況下，地球站的有效全向輻射功率EIRP就強。另外，在接收系統噪聲溫度相同的情況下，天線增益高，地球站的品質因數G/T也高。因此，無論從接收還是發射兩個方面來看，都希望天線具有高增益。

（2）天線波束寬度窄，旁瓣電平低。這主要是從相鄰衛星通信系統之間及其與地面微波中繼通信系統之間電磁兼容性（抗干擾）來考慮的，只有滿足這個要求，衛星通信系統內部及與地面微波中繼通信系統之間才能相互協調一致地工作。

（3）寬頻帶。每顆衛星都由幾十個轉發器組成，一幅天線對準衛星時要求滿足全部轉發器工作頻點，且收發信設備在全部轉發器500MHz（擴展頻段800MHz）的頻帶范圍內都應具有增益高和匹配好的特性。

（4）低損耗。與天線相連的饋線系統應具有損耗小、頻帶寬、匹配好，收、發通道之間的隔離度大，對發射通道還要求能耐受發射機最大的輸出功率。

（5）低噪聲。天線系統要求有較好的接收能力，這就要求有較低的接收系統的總噪聲，除了減少饋線損耗外，還要減少進入天線的等效噪聲溫度Tα。

（6）旋轉性好。由于要求天線波束方向能在很廣的范圍內變化，為此，地球站天線應具有較強旋轉性能，其方位角為±90°（限動），仰角為0°～90°。

（7）機械強度高。為達到和保持規定的天線方向性，要求一次輻射器和主副反射面的精密度要高，并且要具有機械剛性，保證在強風（8級）條件下或不同的天線姿態下，輻射系統產生的相對位移畸變要小。

2　天線的組成及分類

衛星天線系統主要由天線主體、饋源網絡、傳動裝置、天線控制系統及輔助系統組成。

天線根據幾何形狀可分為軸對稱和非軸對稱天線，實際應用中有立柱式天線、轉臺式天線和桁架式天線；按照功能用途可分為全動天線、限動天線、車載天線、船載天線和便攜天線等。

由于地球站與衛星之間的距離遙遠（36，000km），為保證信號的有效傳輸，大多數地球站都采用了方向性好、增益高、便于電波的遠距離傳輸的反射面型天線。

反射面天線的分類方法也很多，按反射面的數量可分為單反射面天線和雙反射面天線；按饋電方式分為正饋天線和偏饋天線；按頻段可分為單頻段天線和多頻段天線；按反射面的形狀分為平板天線和拋物面天線；為提高天線的效率，目前世界上用于衛星通信的天線多為修正型的拋物面天線。

3　天線的工作原理

目前，廣播電視傳輸使用的衛星發射天線主要有卡塞格倫、格里高利和環焦三種類型的雙反射面天線。天線主面均為拋物面、饋源為后饋類型，卡塞格倫天線的副面為雙曲面，格里高利天線的副面為橢球面，而環焦天線的副面為橢球弧旋轉一周構成。下面分別對三種天線的原理進行簡單介紹：

3.1卡塞格倫天線

卡塞格倫天線是一種雙反射面天線，它由兩個發射面和一個饋源組成。主反射面是一個旋轉拋物面，副反射面為旋轉雙曲面，饋源置于旋轉雙曲面的實焦點F1上，拋物面的焦點與旋轉雙曲面的焦點重合，即都位于F2點。從饋源輻射出來的電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。根據天線互易原理，天線接收電磁波過程是發射電磁波的逆過程。天線基本原理如圖1所示。對典型的卡塞格倫天線來說，副反射面的存在遮擋了一部分能量，使得天線的效率降低，能量分布不均勻，必須進行修正。修正型卡塞格倫天線通過天線面修正后，天線效率可提高到0.7～0.75，而且能量分布均勻。目前，大多數地球站采用的都是修正型卡塞格倫天線。

卡塞格倫天線的優點是效率高，噪聲低，饋源和低噪聲放大器可以安裝在天線后方的射頻箱里，這樣可以減小饋線損耗帶來的不利影響。缺點是副反射面及其支干會造成一定的遮擋。

圖1　卡塞格倫天線

3.2格里高利天線

格里高利天線也是一種雙反射面天線，主要由主反射面、副反射面及饋源組成。與卡塞格倫天線不同的是，它的副反射面是一個橢球面。饋源置于橢球面的一個焦點F1上，橢球面的另一個焦點F2與主反射面的焦點重合。格里高利天線的許多特性都與卡塞格倫天線相似，不同的是橢球面的焦點是一個實焦點，所有波束都匯聚于這一點。工作原理和卡塞格倫天線相似，天線基本原理如圖2所示。

圖2　格里高利天線

3.3環焦天線

環焦天線由主反射面、副反射面和饋源喇叭三部分組成。主反射面為部分旋轉拋物面，副反射面由橢球弧CB繞主反射面軸線OC旋轉一周構成，饋源喇叭位于旋轉橢球面的一個焦點M上。由饋源輻射的電波經副反射面反射后匯聚于橢球面的另一焦點M'，M'是拋物面OD的焦點，因此，經主反射面反射后的電波平行射出。由于天線是繞機械軸的旋轉體，因此，焦點M'構成一個垂直于天線軸的圓環，故稱此天線為環焦天線。天線基本原理如圖3所示。環焦天線的設計可消除副反射面對電波的阻擋，也可基本消除副反射面對饋源喇叭的回射，饋源喇叭和副反射面可設計得很近，這樣有利于在寬頻帶內降低天線的旁瓣和駐波比，提高天線效率。缺點是主反射面的利用率低，圖3中，AA'間的區域沒有作用。

圖3　環焦天線

對衛星通信天線的總要求是在寬頻帶內有較低的旁瓣、較高的口面效率及較高的G/T值，當天線的口面較小時，使用環焦天線能較好地同時滿足這些要求。因此，環焦天線特別適用于VSAT地球站。

4　天線的常用技術指標

衛星天線是地球站的重要環節，它的技術指標對整個系統的通信質量影響比較大，在天線建成后要向衛星公司申請進行入網驗證，合格后方能投入使用。天線系統的常用指標有以下幾方面：

4.1天線電氣性能

（1）工作頻率

C波段：

發射頻段：5825MHz～6425MHz（擴展頻段5850 MHz～6650MHz）

接收頻段：3700MHz～4200MHz

Ku波段：

發射頻段：14000MHz～14500MHz

接收頻段：12250MHz～12750MHz

（2）饋源形式

四端口頻率復用網絡，波紋喇叭饋電。

（3）天線增益

發射 Gt=60.11+20lg（f/6）dBi

接收 Gr=56.97+20lg（f/4）dBi

其中，f為工作頻率，單位為GHz。

（4）方向圖

第一副瓣≤-14dB

寬角旁瓣90%以上峰值電平滿足以下包絡線：

（5）極化方式

四端口雙圓極化/雙線極化，線/圓極化可以轉換，調整范圍±45°。

（6）圓極化軸比

優于0.5dB（1.06）

（7）線極化交叉極化隔離度軸向≥35dB 1dB點內≥30dB

（8）天線噪聲溫度晴空、微風天氣下，LNA輸入端

（9）電壓駐波比圓極化≤1.25；線極化≤1.30。

（10）端口隔離度

表1　端口隔離度

4.2機械性能

（1）轉動范圍：俯仰 0°～90°；方位 ±90°（限動）。

（2）設計壽命≥15年。

4.3環境條件

（1）工作溫度：室外 -40℃～50℃；室內 +5℃～40℃。

（2）相對濕度：10%～100%（室外）；10%～90%不結露（室內）。

（3）抗風性能：工作風速，穩定風，14m/s，陣風20m/s；降級工作，穩態風，20m/s，陣風28m/s；保全風速56m/s。

（4）太陽輻射：100千卡/米2·小時。

（5）降雨量：最大可達100mm/h。

（6）抗地震：水平 0.3g；垂直0.15g。

5　天線的維護

天線建成后，定期做好維護檢修、保養測試工作是保證天線系統正常運行，保證衛星地球站業務傳輸安全的重要手段，天線系統的維護主要做好以下工作：

5.1日檢

⊙ 檢查天線的跟蹤性能。

⊙ 檢查波導充氣機的干燥劑情況。

⊙ 檢查天線饋源膜是否完好。

⊙ 檢查天線方位、俯仰電機聲音是否異常。

⊙ 檢查天線控制系統的散熱風扇運轉是否正常。

⊙ 檢查天線控制系統參數是否正確。

5.2周檢

⊙ 檢查天線饋源膜的完好、清潔情況，保證饋源膜的清潔干燥。

⊙ 檢查天線電纜有無龜裂、破損現象。

⊙ 檢查天線電機及傳動裝置有無異響及發熱現象。

⊙ 檢查天線及控制系統線纜連接是否緊固。

⊙ 檢查天線電機及傳動裝置有無漏油現象。

5.3月檢

⊙ 檢查天線方位、俯仰、極化的限位開關是否起作用。

⊙ 檢查天線電機及傳動裝置潤滑油有無下降或泄露，必要時進行補充。

⊙ 檢查、驗證天線控制器的各項功能。

⊙ 檢查波導充氣機工作時間以及干燥劑情況，必要時對干燥劑進行更換。

⊙ 檢查室外連接波導有無破裂。

⊙ 清潔高頻機箱及天線控制系統的室外單元。

5.4年檢

⊙ 大范圍轉動天線方位和俯仰，防止天線方位俯仰軸銹死，同時對天線方位俯仰絲桿進行清洗，重新上潤滑脂。

⊙ 檢查天線電機及傳動裝置的潤滑油情況，必要時進行補充或更換。

⊙ 檢查天線主面、副面有無掉漆現象，漆面脫落較大時及時進行補修。

⊙ 更換天線饋源膜。

⊙ 對天線控制系統進行檢查和清潔，對參數進行檢查核實和備份。

⊙ 對天線機械部分進行檢查，必要時進行緊固。

⊙ 對天線的連接波導進行檢查，發現破損及時進行更換。

⊙ 檢查天線防雷接地情況，每年春季對防雷接地電阻進行測試。

⊙ 入冬前對天線的饋源除冰裝置進行檢查，保證運行正常。

⊙ 檢查天線限位開關及連鎖裝置進行檢查，保證工作完好。

⊙ 對天線的技術指標進行測試。

⊙ 每3年對天線進行一次噴漆。

⊙ 每3年對天線系統進行大檢一次。

以上是結合維護經驗對天線系統總結出維護周期，各單位可以根據自身的實際情況，適當的加入季檢和半年檢，以保證天線系統的運行穩定。

6　結束語

衛星天線建成投入運行后，主要的工作是做好運行維護工作，定期做好維護、測試、檢修工作不但可以保證通信業務的可靠性，還可以提高天線的使用壽命。

Principle and Maintenance of Satellite Antenna

Zhang Jinhu
（The Beijing earth station of SARFT， Beijing， 102206）

In this paper， the principle of satellite antenna are introduced， the basic requirements of the satellite antenna are discussed in detail the technical indexes of antenna system and the maintenance cycle， maintenance of satellite earth station antenna has certain guiding function.

Satellite antenna； Principle； Technical index； Maintenance cycle

10.3969/j.issn.1672-7274.2015.02.006

TN821文獻標示碼：A

1672-7274（2015）02-0025-04