卫星天线的原理及维护

张金虎

（国家新闻出版广电总局北京地球站，北京　102206）

卫星天线的原理及维护

张金虎

（国家新闻出版广电总局北京地球站，北京102206）

本文对卫星天线的原理、组成进行了介绍，并阐述了卫星天线的基本要求，对天线系统的技术指标和维护周期进行了详细介绍，对卫星地球站天线的维护有一定的参考作用。

卫星天线；原理；技术指标；维护周期

卫星天线是卫星通信地球站的重要环节，它的主要作用是对准卫星，实现自由空间传播的电磁波能量与发射或接收的导行波能量之间进行能量转换，按照所需的工作频率、极化和方向发射或接收信号，同时将发射功率或接收功率等效放大。

1　天线系统的基本要求

卫星天线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直接影响整个通信系统的性能，因此，天线系统通常要满足以下基本要求：

（1）高增益。天线增益高，在发射机输出功率相同的情况下，地球站的有效全向辐射功率EIRP就强。另外，在接收系统噪声温度相同的情况下，天线增益高，地球站的品质因数G/T也高。因此，无论从接收还是发射两个方面来看，都希望天线具有高增益。

（2）天线波束宽度窄，旁瓣电平低。这主要是从相邻卫星通信系统之间及其与地面微波中继通信系统之间电磁兼容性（抗干扰）来考虑的，只有满足这个要求，卫星通信系统内部及与地面微波中继通信系统之间才能相互协调一致地工作。

（3）宽频带。每颗卫星都由几十个转发器组成，一幅天线对准卫星时要求满足全部转发器工作频点，且收发信设备在全部转发器500MHz（扩展频段800MHz）的频带范围内都应具有增益高和匹配好的特性。

（4）低损耗。与天线相连的馈线系统应具有损耗小、频带宽、匹配好，收、发通道之间的隔离度大，对发射通道还要求能耐受发射机最大的输出功率。

（5）低噪声。天线系统要求有较好的接收能力，这就要求有较低的接收系统的总噪声，除了减少馈线损耗外，还要减少进入天线的等效噪声温度Tα。

（6）旋转性好。由于要求天线波束方向能在很广的范围内变化，为此，地球站天线应具有较强旋转性能，其方位角为±90°（限动），仰角为0°～90°。

（7）机械强度高。为达到和保持规定的天线方向性，要求一次辐射器和主副反射面的精密度要高，并且要具有机械刚性，保证在强风（8级）条件下或不同的天线姿态下，辐射系统产生的相对位移畸变要小。

2　天线的组成及分类

卫星天线系统主要由天线主体、馈源网络、传动装置、天线控制系统及辅助系统组成。

天线根据几何形状可分为轴对称和非轴对称天线，实际应用中有立柱式天线、转台式天线和桁架式天线；按照功能用途可分为全动天线、限动天线、车载天线、船载天线和便携天线等。

由于地球站与卫星之间的距离遥远（36，000km），为保证信号的有效传输，大多数地球站都采用了方向性好、增益高、便于电波的远距离传输的反射面型天线。

反射面天线的分类方法也很多，按反射面的数量可分为单反射面天线和双反射面天线；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；为提高天线的效率，目前世界上用于卫星通信的天线多为修正型的抛物面天线。

3　天线的工作原理

目前，广播电视传输使用的卫星发射天线主要有卡塞格伦、格里高利和环焦三种类型的双反射面天线。天线主面均为抛物面、馈源为后馈类型，卡塞格伦天线的副面为双曲面，格里高利天线的副面为椭球面，而环焦天线的副面为椭球弧旋转一周构成。下面分别对三种天线的原理进行简单介绍：

3.1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。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。根据天线互易原理，天线接收电磁波过程是发射电磁波的逆过程。天线基本原理如图1所示。对典型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效率高，噪声低，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。缺点是副反射面及其支干会造成一定的遮挡。

图1　卡塞格伦天线

3.2格里高利天线

格里高利天线也是一种双反射面天线，主要由主反射面、副反射面及馈源组成。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。工作原理和卡塞格伦天线相似，天线基本原理如图2所示。

图2　格里高利天线

3.3环焦天线

环焦天线由主反射面、副反射面和馈源喇叭三部分组成。主反射面为部分旋转抛物面，副反射面由椭球弧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。天线基本原理如图3所示。环焦天线的设计可消除副反射面对电波的阻挡，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。缺点是主反射面的利用率低，图3中，AA'间的区域没有作用。

图3　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。

4　天线的常用技术指标

卫星天线是地球站的重要环节，它的技术指标对整个系统的通信质量影响比较大，在天线建成后要向卫星公司申请进行入网验证，合格后方能投入使用。天线系统的常用指标有以下几方面：

4.1天线电气性能

（1）工作频率

C波段：

发射频段：5825MHz～6425MHz（扩展频段5850 MHz～6650MHz）

接收频段：3700MHz～4200MHz

Ku波段：

发射频段：14000MHz～14500MHz

接收频段：12250MHz～12750MHz

（2）馈源形式

四端口频率复用网络，波纹喇叭馈电。

（3）天线增益

发射 Gt=60.11+20lg（f/6）dBi

接收 Gr=56.97+20lg（f/4）dBi

其中，f为工作频率，单位为GHz。

（4）方向图

第一副瓣≤-14dB

宽角旁瓣90%以上峰值电平满足以下包络线：

（5）极化方式

四端口双圆极化/双线极化，线/圆极化可以转换，调整范围±45°。

（6）圆极化轴比

优于0.5dB（1.06）

（7）线极化交叉极化隔离度轴向≥35dB 1dB点内≥30dB

（8）天线噪声温度晴空、微风天气下，LNA输入端

（9）电压驻波比圆极化≤1.25；线极化≤1.30。

（10）端口隔离度

表1　端口隔离度

4.2机械性能

（1）转动范围：俯仰 0°～90°；方位 ±90°（限动）。

（2）设计寿命≥15年。

4.3环境条件

（1）工作温度：室外 -40℃～50℃；室内 +5℃～40℃。

（2）相对湿度：10%～100%（室外）；10%～90%不结露（室内）。

（3）抗风性能：工作风速，稳定风，14m/s，阵风20m/s；降级工作，稳态风，20m/s，阵风28m/s；保全风速56m/s。

（4）太阳辐射：100千卡/米2·小时。

（5）降雨量：最大可达100mm/h。

（6）抗地震：水平 0.3g；垂直0.15g。

5　天线的维护

天线建成后，定期做好维护检修、保养测试工作是保证天线系统正常运行，保证卫星地球站业务传输安全的重要手段，天线系统的维护主要做好以下工作：

5.1日检

⊙ 检查天线的跟踪性能。

⊙ 检查波导充气机的干燥剂情况。

⊙ 检查天线馈源膜是否完好。

⊙ 检查天线方位、俯仰电机声音是否异常。

⊙ 检查天线控制系统的散热风扇运转是否正常。

⊙ 检查天线控制系统参数是否正确。

5.2周检

⊙ 检查天线馈源膜的完好、清洁情况，保证馈源膜的清洁干燥。

⊙ 检查天线电缆有无龟裂、破损现象。

⊙ 检查天线电机及传动装置有无异响及发热现象。

⊙ 检查天线及控制系统线缆连接是否紧固。

⊙ 检查天线电机及传动装置有无漏油现象。

5.3月检

⊙ 检查天线方位、俯仰、极化的限位开关是否起作用。

⊙ 检查天线电机及传动装置润滑油有无下降或泄露，必要时进行补充。

⊙ 检查、验证天线控制器的各项功能。

⊙ 检查波导充气机工作时间以及干燥剂情况，必要时对干燥剂进行更换。

⊙ 检查室外连接波导有无破裂。

⊙ 清洁高频机箱及天线控制系统的室外单元。

5.4年检

⊙ 大范围转动天线方位和俯仰，防止天线方位俯仰轴锈死，同时对天线方位俯仰丝杆进行清洗，重新上润滑脂。

⊙ 检查天线电机及传动装置的润滑油情况，必要时进行补充或更换。

⊙ 检查天线主面、副面有无掉漆现象，漆面脱落较大时及时进行补修。

⊙ 更换天线馈源膜。

⊙ 对天线控制系统进行检查和清洁，对参数进行检查核实和备份。

⊙ 对天线机械部分进行检查，必要时进行紧固。

⊙ 对天线的连接波导进行检查，发现破损及时进行更换。

⊙ 检查天线防雷接地情况，每年春季对防雷接地电阻进行测试。

⊙ 入冬前对天线的馈源除冰装置进行检查，保证运行正常。

⊙ 检查天线限位开关及连锁装置进行检查，保证工作完好。

⊙ 对天线的技术指标进行测试。

⊙ 每3年对天线进行一次喷漆。

⊙ 每3年对天线系统进行大检一次。

以上是结合维护经验对天线系统总结出维护周期，各单位可以根据自身的实际情况，适当的加入季检和半年检，以保证天线系统的运行稳定。

6　结束语

卫星天线建成投入运行后，主要的工作是做好运行维护工作，定期做好维护、测试、检修工作不但可以保证通信业务的可靠性，还可以提高天线的使用寿命。

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文献标示码：A

1672-7274（2015）02-0025-04