三张图解释极轴天线的接收原理

俞伯伟

据说，运用极轴概念寻星最早应用在天文望远镜观察恒星上，天文学家将望远镜安装在由极轴概念带动的仪器上，向地球转动的相反方向转动，抵消了因地球转动引起的观测目镜中天象的位置移动，确保了观察星体的稳定性。

用于卫星接收的极轴天线就是按照这种极轴概念设计，并按照一定规律转动寻星的卫星天线。这里所谓的“极轴”是指经过天线所在地与地球自转轴平行的一根轴线，而并非真正的地球南北轴。极轴垂直于同步卫星轨道的圆平面，当天线围绕极轴转动时，天线指向延长线在天空画出的弧线与卫星轨道近似或完全吻合。所以，改变天线的方位角就能顺着卫星在轨道上的分布找到相应卫星，并且随着天线方位角的变动，天线的仰角和极化角也随之校正到相应的位置。

在动手安装极轴天线之前，如果能真正理解极轴天线的工作原理，对于正确安装、迅速调整会有很大帮助。下面就以三张图示来解释常用的Ku偏馈天线配合极轴座的接收原理。

注意，这里指的与地球自转轴平行的天线轴线，不是指连接Ku天线本体的那根东西摆动的轴，而是这根轴的根部连接本体的固定轴线。从图上就可以清楚地理解这两个轴线的不同。

有了这三张示图，对极轴天线工作原理的认识应该就清楚了。不过，还有一些问题如果有兴趣的话可以进一步思考。

首先，对于第一、第二张图我们十分容易理解，但是对第三张图的调整是不是可以不做，或者说在什么条件下可以不做第三张图的调整呢？

回答是：理论上有这个地点可以只做第两张图的操作，而不做第三张图的调整。这个地点就是在正北极轴线上（或正南极轴线上），这时只要按照第二张图调整后，就可以接收所有地球同步卫星的信号了，无需进行第三张图的调整。不幸的是，由于地平线的遮挡，必须在这两个轴线地点上空73千米以上才能寻找到卫星轨迹。

上述现象还给了我们三点解释：一是为什么有的极轴座说明书上不给出高纬度地点的补偿角（因为在靠近南、北极地区已经没有实际安装意义了）；二是很容易理解为什么所有介绍极轴天线安装的文章一再强调找准垂直、真南的重要性；三是接收地点上的天线“极轴”与地球南北轴不是完全相同的概念。

其次，要顺便说明一下以下几个问题：

1. 由于极轴天线旋转时高频头内的信号探针跟随天线一起围绕极轴天线轴线转动，而且信号探针总是和极轴座中的轴线形成一个夹角，这个夹角刚好也就是我们常讲的高频头的极化角。这样一来，可以简单地理解为安装在极轴天线上的高频头极化角是跟随天线转动而自动调整的，无需再去调整。

2. 了解了这个原理，我们会想：是不是确定了天线地点后能让极轴天线自动寻找对应的各个卫星位置呢？答案是肯定的。人们已经将这个自动寻星功能付诸实践，这个功能称之为“USALS”。市场上部分极轴座带有这个“USALS”功能，当用同样带有“USALS”功能的接收机控制这样的极轴天线时，只要输入天线所在地的经纬度，便能让极轴天线自动确定各个卫星位置，调节起来方便、准确、高效。

3. 事实上，在一天当中静止卫星轨道不是完全圆形的，带有一点椭圆，轨道半径偏大时，卫星速度减小，其相对地球就要向西漂移，反之向东漂移。另外卫星的轨道倾角也不是正好为0°，有些南北漂移。由于有上面两个结果的影响，卫星的星下点轨迹是上面两种结果的合成，使得每天星下点轨迹呈“8”字形。至于一天中什么时候刚好位于这个“8”字形的中点最适宜精确调星，不在本文的讨论范围，若有兴趣可以参考相关文章的介绍。

希望本文对于初装极轴天线和感兴趣的读者能提供一些有益的启示。■