衛(wèi)星天線的原理及維護(hù)

張金虎

（國(guó)家新聞出版廣電總局北京地球站，北京　102206）

衛(wèi)星天線的原理及維護(hù)

張金虎

（國(guó)家新聞出版廣電總局北京地球站，北京102206）

本文對(duì)衛(wèi)星天線的原理、組成進(jìn)行了介紹，并闡述了衛(wèi)星天線的基本要求，對(duì)天線系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和維護(hù)周期進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)衛(wèi)星地球站天線的維護(hù)有一定的參考作用。

衛(wèi)星天線；原理；技術(shù)指標(biāo)；維護(hù)周期

衛(wèi)星天線是衛(wèi)星通信地球站的重要環(huán)節(jié)，它的主要作用是對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)自由空間傳播的電磁波能量與發(fā)射或接收的導(dǎo)行波能量之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，按照所需的工作頻率、極化和方向發(fā)射或接收信號(hào)，同時(shí)將發(fā)射功率或接收功率等效放大。

1　天線系統(tǒng)的基本要求

衛(wèi)星天線是地球站射頻信號(hào)的輸入和輸出通道，天線系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的性能，因此，天線系統(tǒng)通常要滿足以下基本要求：

（1）高增益。天線增益高，在發(fā)射機(jī)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(qiáng)。另外，在接收系統(tǒng)噪聲溫度相同的情況下，天線增益高，地球站的品質(zhì)因數(shù)G/T也高。因此，無論從接收還是發(fā)射兩個(gè)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(wèi)星通信系統(tǒng)之間及其與地面微波中繼通信系統(tǒng)之間電磁兼容性（抗干擾）來考慮的，只有滿足這個(gè)要求，衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)部及與地面微波中繼通信系統(tǒng)之間才能相互協(xié)調(diào)一致地工作。

（3）寬頻帶。每顆衛(wèi)星都由幾十個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器組成，一幅天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)要求滿足全部轉(zhuǎn)發(fā)器工作頻點(diǎn)，且收發(fā)信設(shè)備在全部轉(zhuǎn)發(fā)器500MHz（擴(kuò)展頻段800MHz）的頻帶范圍內(nèi)都應(yīng)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(tǒng)應(yīng)具有損耗小、頻帶寬、匹配好，收、發(fā)通道之間的隔離度大，對(duì)發(fā)射通道還要求能耐受發(fā)射機(jī)最大的輸出功率。

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

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

（7）機(jī)械強(qiáng)度高。為達(dá)到和保持規(guī)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(jī)械剛性，保證在強(qiáng)風(fēng)（8級(jí)）條件下或不同的天線姿態(tài)下，輻射系統(tǒng)產(chǎn)生的相對(duì)位移畸變要小。

2　天線的組成及分類

衛(wèi)星天線系統(tǒng)主要由天線主體、饋源網(wǎng)絡(luò)、傳動(dòng)裝置、天線控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成。

天線根據(jù)幾何形狀可分為軸對(duì)稱和非軸對(duì)稱天線，實(shí)際應(yīng)用中有立柱式天線、轉(zhuǎn)臺(tái)式天線和桁架式天線；按照功能用途可分為全動(dòng)天線、限動(dòng)天線、車載天線、船載天線和便攜天線等。

由于地球站與衛(wèi)星之間的距離遙遠(yuǎn)（36，000km），為保證信號(hào)的有效傳輸，大多數(shù)地球站都采用了方向性好、增益高、便于電波的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆瓷涿嫘吞炀€。

反射面天線的分類方法也很多，按反射面的數(shù)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(wèi)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(wèi)星發(fā)射天線主要有卡塞格倫、格里高利和環(huán)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(huán)焦天線的副面為橢球弧旋轉(zhuǎn)一周構(gòu)成。下面分別對(duì)三種天線的原理進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)發(fā)射面和一個(gè)饋源組成。主反射面是一個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，饋源置于旋轉(zhuǎn)雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)F1上，拋物面的焦點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)雙曲面的焦點(diǎn)重合，即都位于F2點(diǎn)。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(jù)天線互易原理，天線接收電磁波過程是發(fā)射電磁波的逆過程。天線基本原理如圖1所示。對(duì)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(jìn)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(shù)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(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是副反射面及其支干會(huì)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(gè)橢球面。饋源置于橢球面的一個(gè)焦點(diǎn)F1上，橢球面的另一個(gè)焦點(diǎn)F2與主反射面的焦點(diǎn)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(diǎn)是一個(gè)實(shí)焦點(diǎn)，所有波束都匯聚于這一點(diǎn)。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(huán)焦天線

環(huán)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(zhuǎn)拋物面，副反射面由橢球弧CB繞主反射面軸線OC旋轉(zhuǎn)一周構(gòu)成，饋源喇叭位于旋轉(zhuǎn)橢球面的一個(gè)焦點(diǎn)M上。由饋源輻射的電波經(jīng)副反射面反射后匯聚于橢球面的另一焦點(diǎn)M'，M'是拋物面OD的焦點(diǎn)，因此，經(jīng)主反射面反射后的電波平行射出。由于天線是繞機(jī)械軸的旋轉(zhuǎn)體，因此，焦點(diǎn)M'構(gòu)成一個(gè)垂直于天線軸的圓環(huán)，故稱此天線為環(huán)焦天線。天線基本原理如圖3所示。環(huán)焦天線的設(shè)計(jì)可消除副反射面對(duì)電波的阻擋，也可基本消除副反射面對(duì)饋源喇叭的回射，饋源喇叭和副反射面可設(shè)計(jì)得很近，這樣有利于在寬頻帶內(nèi)降低天線的旁瓣和駐波比，提高天線效率。缺點(diǎn)是主反射面的利用率低，圖3中，AA'間的區(qū)域沒有作用。

圖3　環(huán)焦天線

對(duì)衛(wèi)星通信天線的總要求是在寬頻帶內(nèi)有較低的旁瓣、較高的口面效率及較高的G/T值，當(dāng)天線的口面較小時(shí)，使用環(huán)焦天線能較好地同時(shí)滿足這些要求。因此，環(huán)焦天線特別適用于VSAT地球站。

4　天線的常用技術(shù)指標(biāo)

衛(wèi)星天線是地球站的重要環(huán)節(jié)，它的技術(shù)指標(biāo)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量影響比較大，在天線建成后要向衛(wèi)星公司申請(qǐng)進(jìn)行入網(wǎng)驗(yàn)證，合格后方能投入使用。天線系統(tǒng)的常用指標(biāo)有以下幾方面：

4.1天線電氣性能

（1）工作頻率

C波段：

發(fā)射頻段：5825MHz～6425MHz（擴(kuò)展頻段5850 MHz～6650MHz）

接收頻段：3700MHz～4200MHz

Ku波段：

發(fā)射頻段：14000MHz～14500MHz

接收頻段：12250MHz～12750MHz

（2）饋源形式

四端口頻率復(fù)用網(wǎng)絡(luò)，波紋喇叭饋電。

（3）天線增益

發(fā)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(luò)線：

（5）極化方式

四端口雙圓極化/雙線極化，線/圓極化可以轉(zhuǎn)換，調(diào)整范圍±45°。

（6）圓極化軸比

優(yōu)于0.5dB（1.06）

（7）線極化交叉極化隔離度軸向≥35dB 1dB點(diǎn)內(nèi)≥30dB

（8）天線噪聲溫度晴空、微風(fēng)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(jī)械性能

（1）轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：俯仰 0°～90°；方位 ±90°（限動(dòng)）。

（2）設(shè)計(jì)壽命≥15年。

4.3環(huán)境條件

（1）工作溫度：室外 -40℃～50℃；室內(nèi) +5℃～40℃。

（2）相對(duì)濕度：10%～100%（室外）；10%～90%不結(jié)露（室內(nèi)）。

（3）抗風(fēng)性能：工作風(fēng)速，穩(wěn)定風(fēng)，14m/s，陣風(fēng)20m/s；降級(jí)工作，穩(wěn)態(tài)風(fēng)，20m/s，陣風(fēng)28m/s；保全風(fēng)速56m/s。

（4）太陽輻射：100千卡/米2·小時(shí)。

（5）降雨量：最大可達(dá)100mm/h。

（6）抗地震：水平 0.3g；垂直0.15g。

5　天線的維護(hù)

天線建成后，定期做好維護(hù)檢修、保養(yǎng)測(cè)試工作是保證天線系統(tǒng)正常運(yùn)行，保證衛(wèi)星地球站業(yè)務(wù)傳輸安全的重要手段，天線系統(tǒng)的維護(hù)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(dǎo)充氣機(jī)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(jī)聲音是否異常。

⊙ 檢查天線控制系統(tǒng)的散熱風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。

⊙ 檢查天線控制系統(tǒng)參數(shù)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(xiàn)象。

⊙ 檢查天線電機(jī)及傳動(dòng)裝置有無異響及發(fā)熱現(xiàn)象。

⊙ 檢查天線及控制系統(tǒng)線纜連接是否緊固。

⊙ 檢查天線電機(jī)及傳動(dòng)裝置有無漏油現(xiàn)象。

5.3月檢

⊙ 檢查天線方位、俯仰、極化的限位開關(guān)是否起作用。

⊙ 檢查天線電機(jī)及傳動(dòng)裝置潤(rùn)滑油有無下降或泄露，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充。

⊙ 檢查、驗(yàn)證天線控制器的各項(xiàng)功能。

⊙ 檢查波導(dǎo)充氣機(jī)工作時(shí)間以及干燥劑情況，必要時(shí)對(duì)干燥劑進(jìn)行更換。

⊙ 檢查室外連接波導(dǎo)有無破裂。

⊙ 清潔高頻機(jī)箱及天線控制系統(tǒng)的室外單元。

5.4年檢

⊙ 大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)天線方位和俯仰，防止天線方位俯仰軸銹死，同時(shí)對(duì)天線方位俯仰絲桿進(jìn)行清洗，重新上潤(rùn)滑脂。

⊙ 檢查天線電機(jī)及傳動(dòng)裝置的潤(rùn)滑油情況，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充或更換。

⊙ 檢查天線主面、副面有無掉漆現(xiàn)象，漆面脫落較大時(shí)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)修。

⊙ 更換天線饋源膜。

⊙ 對(duì)天線控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查和清潔，對(duì)參數(shù)進(jìn)行檢查核實(shí)和備份。

⊙ 對(duì)天線機(jī)械部分進(jìn)行檢查，必要時(shí)進(jìn)行緊固。

⊙ 對(duì)天線的連接波導(dǎo)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)破損及時(shí)進(jìn)行更換。

⊙ 檢查天線防雷接地情況，每年春季對(duì)防雷接地電阻進(jìn)行測(cè)試。

⊙ 入冬前對(duì)天線的饋源除冰裝置進(jìn)行檢查，保證運(yùn)行正常。

⊙ 檢查天線限位開關(guān)及連鎖裝置進(jìn)行檢查，保證工作完好。

⊙ 對(duì)天線的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

⊙ 每3年對(duì)天線進(jìn)行一次噴漆。

⊙ 每3年對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行大檢一次。

以上是結(jié)合維護(hù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)天線系統(tǒng)總結(jié)出維護(hù)周期，各單位可以根據(jù)自身的實(shí)際情況，適當(dāng)?shù)募尤爰緳z和半年檢，以保證天線系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。

6　結(jié)束語

衛(wèi)星天線建成投入運(yùn)行后，主要的工作是做好運(yùn)行維護(hù)工作，定期做好維護(hù)、測(cè)試、檢修工作不但可以保證通信業(yè)務(wù)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(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2015）02-0025-04