常用卫星通信天线介绍

常用卫星通信天线介绍
天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。

地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。

反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。

反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。

下文对一些常用的天线作简
单介绍。

1．抛物面天线
抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。

发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。

由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。

接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。

图1 抛物面天线
抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。

缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放
重量带来的结构不稳定性必须被考虑。

2．卡塞格伦天线
卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。

主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。

从从馈源辐射出来的电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。

由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。

对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。

修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。

目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。

卡塞格伦天线的优点是天线的效率高，噪声温度低，馈源和低噪声放大器可以安装在天线后方的射频箱里，这样可以减小馈线损耗带来的不利影响。

缺点是
副反射面极其支干会造成一定的遮挡。

图2 卡塞格伦天线
3．格里高利天线
格里高利天线也是一种双反射面天线，也由主反射面、副反射面及馈源组成，如图3所示。

与卡塞格伦天线不同的是，它的副反射面是一个椭球面。

馈源置于椭球面的一个焦点F1上，椭球面的另一个焦点F2与主反射面的焦点重合。

格里高利天线的许多特性都与卡塞格伦天线相似，不同的是椭球面的焦点是一个实
焦点，所有波束都汇聚于这一点。

图3格里高利天线
4．环焦天线
对卫星通信天线的总要求是在宽频带内有较低的旁瓣、较高的口面效率及较高的G/T值，当天线的口面较小时，使用环焦天线能较好地同时满足这些要求。

因此，环焦天线特别适用于VSAT地球站。

环焦天线由主反射面、副反射面和馈源喇叭三部分组成，结构如图4所示。

主反射面为部分旋转抛物面，副反射面由椭圆弧CB绕主反射面轴线OC旋转一周构成，馈源喇叭位于旋转椭球面的一个焦点M上。

由馈源辐射的电波经副反射面反射后汇聚于椭球面的另一焦点M’，M’是抛物面OD的焦点，因此，经主反射面反射后的电波平行射出。

由于天线是绕机械轴的旋转体，因此焦点M’构成一个垂直于天线轴的圆环，故称此天线为环焦天线。

环焦天线的设计可消除副反射面对对电波的阻挡，也可基本消除副反射面对馈源喇叭的回射，馈源喇叭和副反射面可设计得很近，这样有利于在宽频带内降低天线的旁瓣和驻波比，提高天线效率。

缺点是主反射面地利用率低，如图4所示，AA’间的区域没有作用。

图4环焦天线
5．偏馈型天线
无论是抛物面天线，还是卡塞格伦天线，都有一个缺点，总有一部分电波能量被副反射面阻挡，造成天线增益下降，旁瓣增益增高。

可以使用天线偏馈技术解决这个问题。

所谓偏馈天线，就是将馈源和副反射面移出天线主反射面的辐射区，这样就不会遮挡主波束，从而提高天线效率，降低旁瓣电平。

偏馈型天线广泛应用于口径较小的地球站。

这类天线的几何结构比轴对称天线的结构要复杂得多，特别是双反射面偏馈型天线，其馈源、焦距的调整要复杂得多。

图5偏馈天线
6．双频段天线
如果使用频率选择表面（FSS）作副反射面，就可以构成双频段天线。

FSS是一种空间滤波器，通过在空间放置周期性的金属贴片或金属缝隙构成，它在某些频率可让电磁波无衰减的通过，而在另外一些频率将电磁波完全反射。

其结构及电磁特性如图6所示，在频率f1电磁波被完全反射，在频率f2电磁波完全通过。

如果我们使用这样的FSS作副反射面，并使馈源1工作在f1，馈源2工作在f2，则两个馈源可无干扰地工作在同一副天线上，如图7所示。

利用相同地原理，可制成多频段天线，这种技术已在卫星上得到应用。

这种天线地优点是可有效利用
反射面，降低天线重量。

图6 FSS的结构及电磁特性
图7双频段天线
用卫星通信天线介绍（二）
平板天线
寇松江
（爱科迪信息通讯技术有限公司，北京，100070）
E-mail: kousongjiang@
1.平板天线介绍
平板天线采用阵列天线技术，将几十上百甚至上千个天线单元集成在一块平板上，以获得较高的增益。

平板天线主要应用在雷达方面，近年来平板技术开始出现在卫星通信领域。

平板天线的天线单元种类很多，常用的有微带贴片、波导缝隙、喇叭天线等。

平板天线可分为平板、平板相控阵、平板抛物面等类型。

2.平板天线与抛物面的比较
平板天线剖面低，易于小型化设计；平板天线的波束可赋形，可设计为多波束；易进行共形设计；平板相控阵天线更加适合高速载体上的动中通信。

平板天线的增益一般比同口径抛物面天线低，因为它的辐射效率、口径效率较抛物面低。

笔者认为，平板天线更适合于低剖面动中通方向的应用。

3.常见Ku波段平板天线介绍
平板天线的应用频带很宽，本文仅涉及Ku频段的天线。

（1）StealthRay 低抛面相控阵天线
StealthRay系列天线是Ku频段低剖面、双向动中通相控阵天线，是美国Raysat Antenna S ystems（RAS）公司的产品。

该公司是Raysat集团公司中的一员。

Rasat在1997年获得了相控阵技术专利，并将其应用于卫星通信天线的开发之中。

相控阵天线最大的优势是波束方向的改变是电扫，而不是传统的机械扫描。

波束方向改变迅速，无惯性。

非常适合高速运动载体的通信。

StealthRay系列的最新产品是StealthRay 5000，其外形如图1所示。

尺寸为115 L x 90 W x 21 H cm，外观优雅漂亮。

跟星性能极为优良。

图1 StealthRay 5000
其内部结构如图2所示，天线面为微带阵列结构，共四片，两片接收，两片发射，采用分片式布局，以压低天线高度。

射频方面采用极化自适应和空间波束合成技术。

发射增益29dBi，接收增益28dBi。

详细信息请参阅 2009年10月29日博客《超低抛面相控阵动中通卫星通信天线S tealthRay 3000》。

图2 StealthRay 5000 内部结构
（2）Mijet平板动中通天线
Mijet 系列天线是以色列公司Starling-com的产品，它是Ku频段平板动中通天线。

Starling -com公司最初生产空载动中通卫星通信天线，剖面低，增益高，性能好。

Mijet天线装在飞机上的情况如图3所示。

天线直径76cm，高度15cm，重量50Kg。

图3 Mijet平板动中通天线
Mijet内部结构如图4所示。

采用分片结构，一片发射，两片接收。

天线面采用微带阵列结构。

EIRP＝42dBW，G/T值＝11dB/K。

图4 Mijet内部结构
近年来Starling-com推出一款汽车上使用的Ku频段平板动中通天线StarCar，其外形及内部结构如图5所示。

但StarCar的销售情况并不好。

与StealthRay相比，StarCar在跟星性能方面还有待改进，毕竟空载平台与车辆平台的运动规律有很大不同。

图5 StarCar车载平板天线
(3)Microsat System平板相控阵静中通天线
Microsat 天线是美国Gigasat公司的产品。

天线采用微带阵列结构，等效口径0.55m，可工作于X、Ku、Ka频段。

外尺寸45×56×25cm，工作于Ku波段时EIRP＝49dBw，全重只有17Kg （含充电电池）。

被称为真正的手提箱式便携天线。

图6 Microsat System平板相
控阵静中通天线
（4）EL/K 1891机载相控阵动中通天线
这款天线是以色列航空工业集团公司的产品，被使用在阿帕奇直升机上，提供X/Ku频段动中通卫星通信。

如图7所示。

图7 EL/K 1891机载相控阵动中通天线
该天线采用波导缝隙结构，收发单元各70～80个。

提供低速率数据传输。

内部结构如图所示。

图8 EL/K 1891天线内部结构
4.国内卫星通信平板天线的发展
在卫通领域，国内平板天线的发展很滞后，尚未有成熟的产品。

石家庄54所尝试采用波导缝隙技术开发Ku频段平板动中通相控阵天线，并于2007年申请了天线面的专利。

但直到今天尚未有成熟的产品面市。

上海51所，仿照StealthRay 2000，研发了一款低抛面相控阵天线，但仅限于接收。

今年的卫星大会及消防器材展会上都有Ku频段平板静中通天线参展，如图9、图10所示。

图9 2009年卫星应用大会展出的平板天线
图10 2009年消防器材大会展出的平板天线
准确地说，这些天线都是半成品，尚未实现极化自适应调整，只能通过旋转天线面来调整极化。

由此可见，中国自己要生产低剖面平板或相控阵动中通天线还有很长的路要走。