偏馈抛物面天线方向的计算与调整

魏明祥

[摘 要]介绍了偏馈式抛物面天线的构造原理，以及在给定卫星位置条件下，地面接收偏馈抛物面天线实际指向角度的计算与调整。

[关键词]偏馈式抛物面天线；增益；仰角；方位角；

中图分类号：TU671 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0004-01

目前我国卫星电视大多数采用C波段传输，地面接收天线普遍采用较大口径的普通抛物面天线。随着卫星技术和卫星电视传输技术的发展，以及高频段卫星电视传输不可抵抗的优势，使得Ku波段在卫星电视传输领域的应用越来越广泛。为了提高Ku波段卫星电视信号的接收效果，地面接收通常采用小口径高效率的偏馈式抛物面天线。本文将简要介绍偏馈式抛物面天线的构造原理以及在给定卫星位置条件下，地面接收偏馈式抛物面天线实际指向角度的计算与调整。

一、偏馈式抛物面天线的构造原理

偏馈式抛物面天线是从基本抛物面天线（正馈式天线）衍生出来的。从天线锅面形成原理上看，偏馈式天线与普通正馈式抛物面天线一样，它们都是旋转抛物面的一部分，只是截取的位置不同而已。普通正馈抛物面天线是旋转抛物面与旋转抛物面同心的圆柱面截得的那部分曲面，偏馈式天线是旋转抛物面与旋转抛物面旋转轴不同心的圆柱面所截得的那部分曲面。因此，可以说偏馈天线基本上是普通正馈抛物面天线的一部分，这部分的底边大约从抛物面的中心开始。偏馈天线经常具有长圆形的口面，高度大于宽度。图一表示了一个典型的偏馈式天线的示意图，这就是我们市面上现成买得到的卫星直播系统的小型DBS天线。

对于旋转抛物面来说，由旋转抛物面的特性可知：平行于抛物面旋转轴的电波经抛物面反射后会聚于焦点上，偏馈式天线为旋转抛物面天线的一个截面，也一定服从这一结论。因此无论是普通正馈抛物面天线，还是偏馈式天线，它们的馈源和高频头一定要安装在旋转抛物面的焦点上。当抛物面天线的旋转轴指向卫星时，电波经天线面反射后就会聚于馈源上，并吸收到最大的电磁波能量。

从天线系统结构上看，偏馈天线系统与普通正馈抛物面天线一模一样，包括馈源、高频头和支架，并且馈源和高频头都在旋转抛物面的焦点上。但从它们在天线锅面前所处的位置来看，正馈式抛物面天线馈源处于锅面前中心线上。而偏馈天线的馈源和高频头的安装位置不在与天线口面垂直且过天线中心的直线上，几乎处于锅面的边缘。相对正馈式抛物面天线而言得此偏馈天线的称号。

偏馈天线的好处是比普通正馈抛物面天线的效率要高，达70%以上。其天馈系统中的高频头、馈源及支架，并不遮挡信号，即无所谓馈源阴影影响，对于频率较高尺寸较小的天线特别有价值。并且在天线面积，加工精度，接收频率相同的前提下，偏馈天线的增益大于正馈式天线。如在场强为52dBW的地区接受Ku波段数字信号时，只需0.6M的偏馈天线就可达到满意的效果，而用C波段天线接收Ku节目时，需1.5M左右的天线才达到Ku波段信号的收视效果。另外，通过后面的计算可知，由于偏馈天线的实际仰角一般比视在仰角低20度左右，所以偏馈天线占地空间小，极利于普通家庭直播卫星电视的接收。

二、偏馈天线实际指向角度的计算与调整

偏馈式抛物面天线的方位角和仰角的计算与普通的正馈抛物面天线是一样的，只需知道接收点的经纬度和卫星的经度就可方便地求出天线的方位角和仰角。理论计算公式如下：

方位角：

A=180°+tg-1×tg（X-Z）/sinY （1）

仰角：

E=tg-1×（cosβ-0.1513）/sinβ （2）

其中cosβ=cosY×cos（X-Z）

Z為天线所指卫星的经度，X为接收点经度，Y为接收点纬度。方位角A以正北为准。例如武汉地区的地理位置是：东经114.31度北纬30.52度，如在武汉地区接收鑫诺1号卫星（东经110.5度）KU波段信号时，由公式（1）、（2）可以求出天线的实际方位角为187.47度，仰角为54.2度。

一旦确定了天线应指方向后，就该如何瞄准指定的卫星。偏馈式抛物面天线的方位角的调整与普通的抛物面天线一样，很容易做到，但仰角的瞄准就大不相同。对于普通的抛物面天线来说，由于其实际指向轴和视在指向轴在同一条轴线上，对所指卫星就象一个大聚光灯，很易对准，只需一个量角器就可解决。但对于偏馈式抛物面天线，由于其实际指向轴和视在指向轴不在同一条轴线上，而目前市面上现成的大多数偏馈式天线基本上也没有资料说明如何确定其实际指向轴的位置，因此偏馈式天线方向的瞄准是相当不易的。实际操作中，即使当偏馈式抛物面天线的仰角为零度（或水平），要确定天线的瞄准也是不易的。下面简要介绍一下小型DBS偏馈式天线实际方向的瞄准方法。

从图1可以看出，天线的口面与地平面之间有一个倾角，这时偏馈式天线的实际指向轴平行于地平面。我们可以近似地计算出天线口面的倾角，公式如下：

φr=arcsin（As/Al） （3）

其中φr为偏馈式天线口面相对于地平面的倾角，As为天线口面的宽度（单位mm），Al为天线口面的高度（单位mm）。以RCA45.7cmDirecTVDBS偏馈式天线为例，天线的口面宽度为457mm，高度为496mm，故近似的倾角为：

φr=arcSIN（457/496）

=arcSIN0.9214

=67.13°

由计算结果可知，对于RCA45.7cmDirecTVDBS偏馈式天线的实际指向轴平行于地平面，即仰角为0°时，这时天线口面前倾角度约为67.2°，或者说偏离铅垂线22.8°，也就是说天线的实际指向轴比视在指向轴高出22.8°。如果天线口面倾斜角度为90°，即垂直于地平面，实际中很容易误认为天线的实际指向轴平行于地平面，这是错误的。这时天线的实际指向轴与地平面之间夹角为22.8°，即实际仰角为22.8°。如果要瞄准鑫诺1号卫星，天线的仰角应为54.2°，我们把天线口面由铅垂线向后倾斜31.4°（即天线口面与铅垂线夹角为31.4°，与地平面夹角为58.6°），这时天线的实际指向轴与地平面的夹角为54.2°，即天线的实际仰角为54.2°。

上述是关于常见的DirecTV小型偏馈式（DBS）天线的实际指向角的计算和调整方法。有些设计型号的偏馈式天线不是“高”椭圆形（即DBS型），而是天线口面的宽度比高度值要大。估算这种天线的口面倾角需做如下步骤：将天线朝天平放（抛物面向上），向抛物面注水直至水面达到抛物面的上下边界。抛物面中的水形成一个椭圆形口面，测量这个椭圆形面的宽度和高度，带入倾斜角度的计算公式（3），计算出天线口面的近似倾角φr。按照DBS天线的瞄准调整方法就可较方便进行天线的瞄准。endprint