第四章 卫星接收系统(卫星天线与高频头)

①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。
证明：α=β
②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。 准线
证明：
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一、旋转抛物面天线
4．1．1 工作原理
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
用于接收时，馈源系统将电磁波转化为电功率。 复习： 反射面天线是由反射面和馈源两部分组成的，而馈 源本身就是一副小型天线。 卫星接收天线使用的馈源大多为喇叭天线。
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4．1．3 馈源
一、喇叭天线与波导 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。
4．1．1 工作原理
一、旋转抛物面天线
5、旋转抛物面的焦距口径比是天线的一项基本参数 ①f=0.25d 中焦天线 ②f小于0.25d 短焦天线 ③f大于0.25d 长焦天线 f=0.38d 天线性能最好
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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：
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
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补充：接收卫星电视信号的简易步骤
1、天线、高频头、接收机、监视器的正确物理 链接。
段是5150MHz，Ku波段看高频头上的标识。 添加卫星转发器：主要设置下行频率，符号率 3、调卫星天线 （1）确定卫星的位置：根据经度和纬度确定仰
角和方位角。
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3、调卫星 （2）细调卫星
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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。幻灯片 3
按工作原理分为：旋转抛物面（前馈天线）、卡 塞格伦幻灯片 4、格里高利幻灯片 5、球形反射 面天线。
3、作用：收集电磁波
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格里高利
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一、波导与喇叭天线
4．1．3 馈源
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 电磁被，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： ①由于波导开口面的面积有限，因此其增益比较低。②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。
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4．1．2 主要参数 三、天线的等效噪声温度（TA）
3、天线等效噪声温度的测量曲线
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。
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4．1．3 馈源
用于发射时，馈源系统将功率转化为电磁波。
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4．1．2 主要参数
二、方向图与方向函数
3、几个参数 在我国关于卫星接收天线的国家标准中对天线的第 一旁瓣电平提出了具体的要求： 5m直径以上的天线，SLL1<-14dB； 4.5m直径以下的天线，SLL1＜-12dB。 （3）天线半功率角的近似计算
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三、 格里高利天线
三、 格里高利天线
4、椭球的几何光学性质：
①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。
②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
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。
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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：
①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
位置与主面焦点F重合。
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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。
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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 y 2 4 f ( f z)
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一、旋转抛物面天线
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θ0、抛物面厚度W。
几何参数之间的关系式：
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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
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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。
二、方向图与方向函数
3、几个参数 （2）旁瓣电平： 衡量旁瓣(后瓣)的参数叫做天线的旁瓣电平，记为 SLL。定义是某个旁瓣中心方向上的增益与最大增 益之间的差。
天线的后瓣和旁瓣都反映了天线接收干扰信号的能 力。为有效地抑制干扰，希望天线的旁瓣电平越小 越好。天线的旁瓣电平可以有苦干个，对于卫星接 收天线来说．影响最大的往往是紧靠着主瓣的“第 一旁瓣”
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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。
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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G
1、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。
二、方向图与方向函数
3、几个参数 （1）半功率角： 衡量主瓣的参数，记为HP。定义为天线的相对增 益比最大值下降3dB的点对应的角。 即：只要方向偏离主瓣中心到达半功率角数值的 一半，天线的实际增益就要下降3dB以上。 所以：天线主瓣的中心应该对准接收的卫星。
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4．1．2 主要参数
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。
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一、增益G
4．1．2 主要参数
2、表达式
G
10lg(
4A 2
)
dB
λ：天线的工作波长
C波段：fo=4GHZ、λ=0.075m Ku波段：fo=12GHZ、λ=0.025m γ：天线的效率
②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。
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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
d：圆形四面天线的直径，
单位为m；λ:天线的工作
波长
思考：小口径的
天线好调还是大
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口径的好调？ 33
由于小口径天线的半功率角比较大，因此在 调整天线的指向时是比较容易的，同时对卫 星的漂移不太敏感；而大口径天线的情况正 好相反，由于其半功率角比较小，故在调整 天线的指向时是比较困难的，且对卫星的漂 移比较敏感。出于上述的原因，很多大口径 的天线，如c波段内7m以上的天线通常要安 装自动跟踪装置。
4、对圆形口面的卫星天线，增益表达式：
G 20 lg(d ) 10 lg （dB）d：圆形口面的直径
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4．1．2 主要参数
二、方向图与方向函数
1、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，通常采用相对增益的概念来画天线的方 向图，相对增益Gr的定义是 Gr= G（θ）-Gmax
4．1．2 主要参数
三、天线的等效噪声温度（TA）
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
天线送给高频头的噪声功率与天线等效噪声功率的关系： Pn=kTAB（W）
k：玻尔兹曼常数 1.38×10-23（J/K） B：接收系统带宽
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轴线传播，经反射面反射后同相聚焦。
同相聚焦两层含义：
①电波传输距离相同，相位相同； ②所有反射线都经过焦点处聚焦。
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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
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。
（1）安装好高频头
（2）电缆连接高频头和卫星接收机的输入口。
（3）卫星接收机的输出接监视器。
2、设置卫星接收机
按下菜单
设置卫星天线：主要是高频头的本振频率，C波
段是5150MHz，Ku波段看高频头上的标识。
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2、设置卫星接收机 按下菜单 设置卫星天线：主要是高频头的本振频率，C波
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一、波导与喇叭天线
4．1．3 馈源
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。
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： ①光线沿直线传播 ②入射角等于反射角
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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）和一条直线 （准线）等距离的点的运动轨迹。
Gmax表示最大接收方向上天线的增益， G（θ）表 示天线增益随方向的变化。
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4．1．2 主要参数
二、方向图与方向函数 2、坐标系内卫星天线的方向图：主 受瓣方:向包含最大接
旁瓣：其余 的瓣
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后瓣：与主 瓣方向相差 180度
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4．1．2 主要参数
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。
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一、增益G
4．1．2 主要参数
3、天线的口面效率
天线的优劣就是由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。 γ=50～70％ 50％：合格; 60％：良好; 70％：优良