探究地球站天線技術的新進展及其發展趨勢

李建華

內蒙古自治區廣播電視傳輸發射中心501臺 內蒙古 呼和浩特市 010020

天線系統是衛星地球站的重要組成部分，與衛星通信質量的優劣有著非常密切的關系。隨著衛星通信技術的快速發展，地球站天線技術也有了很大的發展和進步，對天線技術指標的提升起到了重要促進作用。

1 地球站天線的分類和系統要求

1.1 分類

衛星通信系統對地球站天線波束的覆蓋范圍存在著一定的要求：俯仰0～90°，水平方位0～360°。對于達到上述要求的天線來說，一般會被分為兩大類，即全向天線和定向天線。全向天線的增益較低，體積小，質量也較輕微，不需要使用波束跟蹤的方法來操作。定向天線的收益較高，是衛星通信地球站的主流天線，一般高速數據傳輸業務中均使用定向天線。［1］

1.2 系統要求

1.2.1 電氣性能

衛星通信系統中的頻段數量具有一定的多樣性，其中L頻段會比較廣泛的應用在地球站的通信鏈路當中，相關的研究內容也較多。對于L頻段的衛星通信系統來說，其主要覆蓋范圍與接收信號的寬帶為8%，天線的實際運行方式主要為圓極化，這就需要相關技術人員對有效對極化跟蹤方式進行充分的了解。

1.2.2 波束跟蹤

在定向天線的實際運行過程中，衛星通信地球站會存在自由度不斷變化的現象，因此需要對天線波束的指向進行密切關注，將其進行特定的改變與設定就可以讓其始終保持跟蹤衛星的狀態。衛星跟蹤的方式主要有開環追蹤與閉環追蹤兩種類型。開環追蹤的工作原理是把傳感器運用到地球站等相關位置上與實際信息測量當中，做好相關的計算之后再控制其波束的指向；閉環控制則是將衛星接收方式作為主要的工作內容來控制好電路，通過對波束指向進行調整實現對衛星的跟蹤。

2 衛星通信地球站天線的發展階段

2.1 初級階段

在地球站天線的發展初期，天線效率低是常見的問題。天線形式主要是由前饋拋物面天線和常規的未加賦形的卡塞格倫天線組成。在該初級階段中，天線的主要目的是解決好啟用方面的問題。衛星接收系統中放大器是通過利用調整常溫參數來開展相關工作，其本身噪聲溫度比較高，嚴重影響到地球天線的實際恒溫噪音。

2.2 進展階段

隨著地球站通信系統的發展，對制冷功效提出更高的要求。但其本身沒有較高的噪聲溫度，因此需要強化對天線噪聲溫度的控制，并由此提出了將地球站品質作為參數的衛星通信系統性能通信指標，繼而出現了后饋式的卡塞格倫天線和格里高利天線。

2.3 頻譜復用和低旁瓣階段

衛星通信技術的不斷發展，與地球同步軌道的衛星數量不斷增多，且它們之間的間距也在逐漸增大。地球站天線的旁瓣特性是用來確定最小衛星間距的主要因素，同時也是影響有效利用射頻頻譜的重要因素。另外，天線輻射方向也會對主波束以外的EIRP和由旁瓣接收的功率產生影響。總體來說，想要充分利用空間資源，避免出現相鄰的衛星受到較大干擾的問題，需要提高對地球站天線地旁瓣包絡特性的重視。在此階段中，低噪聲放大器得到了比較廣泛的應用，并且強化了對頻譜復用技術的研究。

2.4 現有頻段的展寬和開拓新頻段階段

對現有的衛星通信頻段實施拓寬處理，可以實現對衛星通信容量的擴大，同時也屬于比較經濟且有效的方法。開辟新的頻段對于城市來說非常必要，在城市建站的時候需要考慮站址環境。目前，C波段微波信號處在比較密集的狀態下，因此衛星站一般都建立在城郊區域，并開拓新的頻段，以此來緩解信號擁擠的問題。

3 衛生通信地球站天線技術的新進展及發展趨勢

3.1 高頻段通信地球站天線技術

隨著在軌衛星數目不斷增長，應開辟出更多的頻段來發揮作用。Ka頻段是現階段正在大力開拓的段位，因其配置比較完備且優點較多，能夠更好的建立實時衛星網絡系統，該頻段可以憑借較短的波長讓小口徑天線得到較多的增益，使衛星通信地球站朝著小型化方向更好地發展。對于Ka頻段的地球站來說，需要采用波束寬度只有1～2°且增益大于20dB的天線，這種天線類型對于跟蹤精度和速度都有著非常高的要求，這是需要重點關注的內容。［2］

3.2 多頻段通信地球站天線技術

將多頻段共用的方式應用在衛星通信領域當中，可以讓通信容量得到一定的擴充，并讓地球站發揮出一站多用的功能。多頻段的通信地球站天線技術應用可以讓建站成本得到降低，同時也能避免受到較多的干擾。多頻共用的手段就是同一個時間段內利用多個頻段來開展通信活動。現階段的多頻共用技術是比較廣泛的，其關鍵是多頻共用饋源設計技術。

3.3 多波束通信地球站天線技術

衛星通信技術的快速發展讓衛星軌道也變得越來越緊張，同步軌道之間的衛星間隔出現擁擠現象。利用一副地球站天線來接收多顆衛星信號是一項非常重要的技術。多波束通信地球站天線指的是利用兩個以上的具有獨立性的天線來對波束進行控制，每個波束不僅可以實現獨立接收和發射信號的功能，還能夠實現同時接收同時發射的功能。這種天線技術實現了一站多用的重要作用，不僅可以優化地球站布局，也能在一定程度上降低建站的成本，同時可以提升其通信管理的活動性與創新性，對經濟效益與社會效益進行全面提高。［3］

3.4 移動地球站智能天線技術

對于衛星通信地球站的智能通信天線來說，通常認為天線陣會對自身所處電磁環境進行一定的感知和判斷，按照相應的規則自動形成單個或多個波束實現對衛星的跟蹤，抑制各種干擾，讓其處在一個比較理想的范圍當中。智能天線主要是通過利用自身的自適應干擾理論，經過一定的學習和處理之后依靠陣列序號來強化數字波束信號。將其應用于衛星通信地球站，具有更快的跟蹤速度，擁有優質的電氣性能且便于安裝。

結束語

在衛星通信技術的不斷發展和進步中，其應用范圍更加廣泛，地球站天線技術也有了新的發展。為了更好的保證衛星通信質量，需要對地球站天線性能的發展進行更深入探究，向智能化發展。