卫星通信中常用的面天线

韦鹏宽 陈金来

【摘要】本文从面天线的作用入手，列举了喇叭天线、抛物面天线、卡赛格伦天线和喇叭抛物面天线四种面天线，介绍了几种面天线的组成和工作原理，还对卡赛格伦天线和喇叭抛物面天线的优缺点进行了着重分析。

【关键词】卫星通信;线天线;面天线

对于使用无线电波通信来讲，要想接收或发射电波，必须使用天线。由于线天线使用的最高频段只能是超短波段，也就是米波段，对于频率更高的微波段来讲，由于波长较短，在传播过程中其绕射能力很弱，电波主要以直射方式传播，自然界中的雨、雪、雾的几何尺寸与其波长大小相当，电波和此相遇，就会对其产生较强的反射和折射作用，改变电波的传播方向，影响通信质量。鉴于这种情况，在微波段，要实现有效通信，就需采用方向性很强的面天线。

1. 喇叭天线

结构上最简单的面天线就是喇叭天线，它是通过把波导壁逐渐张开并延伸而形成的。依据惠更斯原理，如果把波导管从终端开口，理论上就可以形成一个辐射器。但是，由于开口波导的电尺寸小，并且在波导开口处波的传播条件发生突变还会形成严重的反射，导致其辐射特性差，所以开口波导不能直接当作天线使用。喇叭天线是将波导逐渐张开而形成的，这样平缓地张开可以改善波导与自由空间在开口面上的匹配情况，可以有效改善波导的末端反射状况，再加上喇叭的口面较大，可以形成较好的定向辐射，从而取得良好的辐射特性，因此喇叭天线在微波天线中得到了广泛的应用。

喇叭天线具有结构简单、频带较宽、功率容量大、调整与使用方便等诸多优点，既可以作为独立天线，也可以用作反射面天线和透镜天线的初级辐射器（即馈源），还能用作收发共用的双工天线。特别是新型的多模喇叭和波纹喇叭，其矩形口面具有几乎为旋转对称的方向图，有利于提高组合天线的效率及增益系数，以适合卫星通信和无线电天文学等对天线特性的更高要求。

2. 抛物面天线

抛物面天线是一种单反射面型天线，其主体结构为“主反射面+馈源”，主反射面是指轴对称的旋转抛物面，馈源通常是指喇叭天线或喇叭天线阵列。由于馈源放置于抛物面的焦点，发射信号时，电磁波从馈源向抛物面辐射经抛物面反射后，会沿抛物面法向平行辐射出去，接收信号时，电磁波经抛物面反射后汇聚到馈源，这样可使馈源接收到的信号能量最大。

抛物面天线广泛地应用于现代微波中继通信、卫星（通信）地面站、雷达、制导、射电天文等领域。抛物面有三种基本形式，即旋转抛物面、柱形抛物面和切割抛物面，如图1所示。旋转抛物面是由抛物线旋转而成的，柱形抛物面是由抛物线平移而成的，切割抛物面则是截取旋转抛物面的一部分而构成的。旋转抛物面天线是微波波段广泛应用的一种反射面天线。天线的反射面均由金属良导体，或由在某种介质面上镀上的导电金属，或由导线栅网构成。它主要利用抛物面反射面所具有的将电源发射的球面波转换成平面波的特点，形成一个聚合的波束，向指定的方向辐射电磁波。

3. 卡賽格伦天线

卡赛格伦天线是由卡赛光学望远镜发展起来的一种微波天线，主要应用于单脉冲雷达、卫星通信和射电天文等领域。如图2所示，卡赛格伦天线的结构主要有三部分，分别是馈源、主反射面（旋转抛物面M）和副反射面（双曲面N）。天线主、副反射面的对称轴重合，双曲面的实焦点在抛物面的顶点附近，馈源置于该位置上，其虚焦点和抛物面的焦点重合。之所以说卡塞格伦天线等效于焦距变长的抛物面天线，是因为当发射信号时，电磁波由位于双曲面实焦点FP上的馈源发出球面波，经双曲面反射后，所有的反射线的反向延长线汇聚于虚焦点F（也是抛物面的焦点），并且反射波的等相位面为以F点为中心的球面，相当于在抛物面的焦点处放置了一个等效球面波源，抛物面的口径仍然为一等相位面。

卡塞格伦天线具有如下三个优点：1.用较短的纵向尺寸实现了长焦距抛物面天线的口径场分布，因而具有高增益、锐波束的特点;2.馈源后馈使馈线长度变短，减少了由传输线带来的噪声;3.设计时自由度多，可以灵活地选取主反射面和副反射面的形状，对波束进行赋形。

4. 喇叭抛物面天线

无论抛物面天线还是卡塞格伦天线，都会有一部分由反射面返回的能量被馈源重新吸收，这种现象称为阴影效应。阴影效应不仅破坏天线的方向图形状，降低了增益系数，加大了副瓣电平，而且破坏了馈源与传输线的匹配。假如我们能把馈源移出二次场的区域，则阴影效应就可以避免了。喇叭抛物面天线正是基于这种考虑提出的。

喇叭抛物面天线是由角锥喇叭馈源及抛物面的一部分构成的。馈源喇叭置于抛物面的焦点，并将喇叭的三个面延伸与抛物面相接，在抛物面正前方留一个口，让经由抛物面反射的电波发射出来，其天线的结构如图3所示。

喇叭抛物面天线具有不少优越性能：1.由于喇叭很长，张角又不大，因此它的口径场分布比较均匀，面积利用系数得到提高（大于65%）;2.由于喇叭很长，还有过渡段，故特性阻抗变换缓慢，并且消除了反射波对馈源的影响，因此可以在极宽的频带内获得较好的匹配;3.由于这种天线三面皆由金属屏蔽，消除了因馈源能量散开所产生的副瓣，反向辐射亦很小。两付并排放置的喇叭抛物面天线之间隔离度可达90dB（每副45dB），而两付靠背喇叭抛物面天线之间的隔离度可达130dB（每副65dB）。喇叭抛物面的缺点：虽然具有波段复用能力、效率较高等优点，但体积庞大笨重，加工密封不便，成本也较高。为了达到既能频段复用，又有良好的结构特点的目的，研制出了改进型的频段复用天线。

参考文献：

[1]林昌禄等著.天线工程手册. 北京：电子工业出版社，2002.

[2]盛振华等著.电磁场微波技术与天线.西安：西安电子科技大学出版社，2005.