衛星接收天線波導轉換器的研制與實現

+ 王繼來　國家新聞出版廣電總局五七二臺節傳機房主任，高級工程師

衛星接收天線波導轉換器的研制與實現

+ 王繼來國家新聞出版廣電總局五七二臺節傳機房主任，高級工程師

本文主要介紹了自行研發的一套波導轉換器，實現在C波段衛星接收天線的饋源部分不改變原有饋源物理結構情況下，直接加裝波導轉換器，改用Ku 波段高頻頭，調星后即可接收到Ku波段衛星信號，發明研制的波導轉換裝置安裝方便、簡單實用，接收性能指標優良，可達到廣播級的使用要求。

衛星接收天線 饋源 波導轉換器 衛星信標

一、研發背景

衛星通信在廣電系統發射臺站應用非常普及，目前常用的衛星接收天線分為C波段和Ku波段兩種，饋源系統與接收天線的結構是相匹配的，因此天線廠家在設計生產衛星接收天線的饋源系統時，固定的分成了C波段和Ku波段接收饋源，但兩種饋源的結構設計與功能作用是基本相同的，即用波紋環狀的結構聚集更強的電磁波束能量，即“集波、聚能”兩大功能。在我臺節目傳輸機房的實際工作中，C 波段接收天線備用有余，而Ku波段接收天線備份不足，為了將閑置多余的C波段接收天線充分發揮使用價值，我們本著簡單、實用、節省經費的原則，想在不改變C波段饋源物理結構的情況下，通過研發一套波導轉換器，即可解決用C波段天線接收Ku波段信號的實際問題，經過半年多的理論分析、測繪和產品實驗，終于研制成功了波導轉化器，通過頻譜儀對改造后接收Ku波段信號各項性能的測量和比較，與原裝Ku波段接收天線在接收性能、指標上基本無差異，達到了廣播級的使用要求，通過此項裝置的研發，不僅解決了本單位實際使用需求，節約了維護經費，具有較大的社會推廣價值。

二、技術設計方案

1、衛星天線通信原理簡要介紹

⑴ 衛星通信中衛星接收天線的組成及作用

衛星通信是指地球上（包括地面、水面和低層大氣中）的無線電通信站之間和用人造衛星作中繼站而進行的通信。它工作在微波波段（3GHz—30GHz）。衛星通信系統示意圖如圖一。

（圖一） 衛星通信系統示意圖

衛星接收系統一般包括天線，饋源，高頻頭。天線一般是一個金屬拋物面，把來自空中的衛星信號能量反射會聚成一點（焦點），饋源是在拋物面天線的焦點處設置一個聚攏衛星信號的喇叭，稱為饋源，意思是饋送能量的源，要求將會聚到焦點的能量全部收集起來并將信號傳送給高頻頭處理，起到衛星信號接收匯聚的作用，一般天線口徑越大，接收信號越強、品質越高。常用卡塞格倫天線結構示意如圖二：

（圖二） 卡塞格論天線結構示意圖

（2） 衛星接收天線的類型

衛星接收天線的主要類型分為反射面天線和微帶天線兩種。反射面天線是由反射面和饋源兩部分組成，饋源本身就是一種天線。在工程上通常根據饋源與反射面的相對位置，將反射面天線分為前饋天線、后饋天線和偏饋天線三種形式。在工作原理上說，衛星廣播系統中使用的反射面天線可以分為旋轉拋物面天線、卡塞格倫天線、格里高利天線、球形發射天線等類型。

（3） 常用卡塞格倫天線饋源系統分析

在標準卡塞格倫天線上常用圓錐喇叭天線作為饋源盤，主要利用它的結構簡單、頻帶較寬，方向性要求不高的優點。饋源的組成形式可根據實際應用做出組合，一般有以下兩種：① 若同時接收圓極化波（左旋、右旋），其饋電系統如圖三，通過饋源喇叭、極化變換器、極化分離器，送到LNA。② 若衛星轉發器發射的是線極化波，同時接收垂直極化和水平極化波時，則可以省去極化變換器部分，如圖四所示。

（圖三） 同時圓極化波的饋電系統

（圖四） 同時線極化波的饋電系統

2、波導轉換器介紹

（1） 波導轉換器使用位置

在衛星接收天線的饋源部分，接收不同波段衛星信號時，為了最大功率傳輸微波信號，圓波導的幾何尺寸不同。傳統的C波段饋源系統，使用符合C波段傳輸的波導器件；Ku波段饋源系統，使用符合Ku波段傳輸的波導器件。我們所研制的波導轉換器，安裝在C波段的饋源系統末端，實現最大接收Ku波段信號的效果。如圖五所示。

（圖五） 加裝波導轉換器后接收Ku波段的饋電系統

（2） 波導轉換器實物照片（圖六）。

（圖六）

（3） 波導轉換器與擴頻接口實物連接（圖七）。

（圖七）

（4） 波導轉換器和擴頻接口的幾何尺寸如下：

擴頻接口尺寸2

擴頻接口尺寸1

（5） 波導轉換器研制標準說明

波導轉換器的幾何尺寸，參照波導國家標準制作，并經過多次實際測試和不斷改進，完成C波段到Ku波段信號接收的順利轉換，參考值如下表中藍色和黃色處數值：

擴頻接口器件：針對使用擴展頻譜通信的衛星收發系統，擴頻通信傳輸信息使用的射頻帶寬是信息帶寬的10倍至100倍以上的通信體制，相應使用的微波波導的尺寸略有擴大，所以，此擴頻接口器件需連接原波導與轉換器一起使用。

三、數據測試及實際應用效果分析

1、數據測試對象

2016年5月研制的波導轉換器在國家新聞出版廣電總局五七二臺節傳機房，安裝在6米口徑C波段衛星天線饋源實測，通過圖八的連接方式，使用RIGOL DSA1020頻譜儀和ACS1240AT數字衛星接收機進行實際數據測試。

（圖八）實測連接示意圖

測試結果如下表：

下圖為加裝波導轉換器后接收Ku波段亞太6號信號，頻譜儀顯示的衛星信標信號強度-59.72dBm。

2、實測技術分析

通過頻譜儀實測信號強度的對比可以看出，接收C波段衛星信號的天線饋源系統部分加裝波導轉換器后，改用Ku波段高頻頭，通過調星即可接收到Ku信號，且信號強度變化不大，完全能夠滿足節目源的使用要求，方便了C波段到Ku波段的順利接收轉換。

3、實際應用效果

針對我單位衛星天線實際應用情況，在饋源部分加裝本發明器件后，很方便地將閑置的C波段衛星天線改成接收Ku波段衛星信號，目前用此天線接收Ku波段亞太6號衛星，用于我臺廣播節目的備份節目源，信號強度穩定，接收、傳送指標一切正常，通過此項研發改造，節約了我臺再次安裝衛星天線費用約10萬元，具有較大實用推廣價值。

四、結束語

創新是一個民族不斷發展壯大的靈魂，對于長期在基層單位從事技術維護的工作人員，我們不要僅僅局限于簡單地、機械地去使用和維護設備，而要不斷將創新意識貫穿在平日技術維護的挖、革、改中，在技術設備的日常維護使用中，只要勤于思考，創新維護思路，將維護經驗與技術創新有機結合起來，通過研發和技術改造，也能使陳舊老化的技術設備發揮余熱，通過不斷研制出新型、實用型產品，盡可能為社會創造更大的效益，以上研發的實用型波導轉換器已經申請國家專利，將進一步做好后續產品推廣工作，希望能為更多兄弟單位提供借鑒，解決實際問題。

郭慶，王振永，顧學邁編著.衛星通信系統. 北京：電子工業出版社.2010.6