卫星电视接收机的天馈系统除了保证足够高的增益和尽可能低的天线噪声,将接收到的微弱电波有效地馈给高频头的低噪声放大器外,还应提供正确的天线指向和极化方式。另外,天线系统要具有足够高的承受风荷的能力。
一天线的类型
天线分旋转极化天线和非旋转极化天线。旋转极化天线有螺旋线天线和抛物面天线两种。后者又有两种基本形式,一种称为主焦点抛物面天线,它只有一个反射面,是前馈型的;另一种称为卡塞格伦天线,是后馈型的,它除了主反射面(抛物面)以外,还有副反射面(双曲面),电波经两次反射后才集中到一点。主焦点天线简单,但性能较差;卡塞格伦天线的低噪声前置放大器可以放在抛物面的背后,可以防止阳光照射,特别适合在热带的卫星电视接收站使用,但成本较高。
此外,还有平板天线和环焦天线等,前者使用轻便,适合家庭接收用;后者减小了天线旁瓣,提高了接收效率。为了灵活地接收不同卫星上的电视节目,还生产出一种电动极轴天线。该天线除了原有的天线、馈源外,还设有电动机减速传动天线机构和微机控制的天线控制器。
有些有线电视系统采用多焦点抛物面天线,用一个固定天线同时接收多颗卫星的电视信号。这种天线装有多个馈源,可以形成多个波束,每个馈源分别接收来自不同卫星的信号。其反射器使用变形的球面或抛物面,例如用球面上截取的矩形,或用两种曲线构成反射器,水平方向是园弧,垂直方向是抛物线的一部分。
大型卫星通信站的抛物面天线直径为15~30m,中型为4~10m,家用直播卫星电视Ku频段接收天线可小至0.5m。目前我国C频段卫星电视接收站多用1.5~3m天线,Ku波段用0.75~1.5m天线。随着天线、馈源的效率和性能的提高,以及低噪声放大器噪声温度的降低,天线直径可减小。
二天线的馈源系统
馈源是天线的心脏,它用作高增益聚集天线的初级辐射器,为抛物面天线提供有效的照射。
(1)有合适的方向图。馈源初级方向图不能太窄,否则抛物面不能被全部照射;但也不能太宽,以免功率泄漏过多。另外,初级方向图应接近于旋转对称,最好没有旁瓣和尾瓣。
(2)有理想的波前。圆抛物面天线要求馈源的波前为球面,以确保该相位中心与焦点重合时抛物面口径场的相位均匀分布。否则,会引起天线方向图畸变、增益下降、旁瓣升高。
(3)无交叉极化。即无干扰主极化的交叉分量,要求馈源辐射场的交叉化分量尽可能小。
(4)阻抗变化平稳。要求在工作频段内,馈源的输入阻抗不应变化过大,以保证和馈线匹配。
(5)尺寸尽量小。完整的馈源系统主要由馈源喇叭、90°移相器和圆矩变换器几部分组成。馈源按使用的方式可分为前馈馈源和后馈馈源。按卫星频段可分为C频段馈源和Ku频段馈源;目前已开发出C和Ku频段的共用馈源。前馈馈源一般应用于普通的抛物面天线,后馈馈源一般应用于卡塞格伦天线。
抛物面天线常用馈源形式有角锥喇叭、圆锥喇叭、开口波导和波纹喇叭等。前馈馈源中使用最多的是波纹槽馈源;再有一种叫带扼流槽的同轴波导馈源。后馈馈源喇叭常用的是介质加载型喇叭,它是在普通圆锥喇叭里面加上一段聚四氟乙烯衬套构成的。偏馈天线要选用偏馈馈源,偏馈馈源盘的波纹呈漏斗状,而正馈馈源的波纹盘为水平状。
三极化器对极化波的接收
1.极化波
电波在空间传播时,其电场矢量的瞬时取向称为极化。如果电波传播时电场矢量的空间描出轨迹为一直线,它始终在一个平面内传播,则称为线极化波。线极化波又有水平极化波和垂直极化波之分。若电场矢量在空间描出的轨迹为一个圆,即电场矢量是围绕传播方向的轴线不断地旋转,则称为圆极化波。[page]
电波的极化特性取决于发射天馈系统的极化特性。接收天线必须与发射天线具有相同的极化和旋向特性,以实现极化匹配,从而接收全部能量。若部分匹配,则只能接收部分能量。一个线极化波可以分解为两个旋转方向相反的圆极化波;一个圆极化波也可分解为相互正交的线极化波。所以,接收线极化波的天线也可接收圆极化波,接收圆极化波的天线也可接收线极化波,但是会有3dB的能量损失。无论是线极化天线、还是圆极化天线,都不能接收它们自己的正交分量。
2.极化器
极化器是控制天馈系统极化方向的装置,用于选择与卫星电视信号一致的极化型式,并抑制其它型式的极化波,以获得极化匹配,实现最佳接收。现代卫星电视传输中,还利用垂直极化与水平极化、左旋圆极化和右旋圆极化的相互隔离之特性传送不同的电视节目,以提高卫星的传输容量。圆极化波和线极化波各有优缺点,圆极化波在穿过雨雾层和电离层时,引入的损耗小,也不存在线极化波极化面旋转的问题,而线极化波的最大优点是实现简单。
3.天线馈源对线极化波的接收
值得注意的是,卫星转发器发射的线极化波是以卫星的轴系为基准来定义的。例如,广播卫星的水平极化波是和同步轨道在卫星定点处的切线平行的,而垂直波是和切线垂直的。以水平波为例,图中与卫星定点经度相同的地面站A,接收到的水平波没有变化;而不同经度的站B,接收到的水平波产生了倾斜,离卫星定点经度越远,倾斜越严重。为了实现匹配,必须对站B的馈源作相应的极化补偿,即转一个角度P。而在赤道上的站C,是极端情况,在那里接收水平信号时,馈源要转90°。
四天线系统的选择
在工程常用一些主要参量来表征天线的特性,如方向图、主瓣宽度、副瓣电平、增益、极化、频带宽度、驻波比、噪声温度和天线的风荷等。对C频段天线电性能的要求,请参阅国家标准《GB11442-95》;对Ku频段天线电性能的要求,请参阅国家标准《GB/T16954-1997》。
选择天线时应注意几个问题:
(1)应严格按《(标称)铝板天线卫星电视接收技术条件》中关于天线的要求进行选择。
(2)天线结构是否合理。如天线支撑是否牢固、仰角和方位角调整杆螺距粗细,以及调节是否方便等。
(3)板状天线与网状天线的选择,与用户的站址有关。在大、中城市或工业区,因空气污染严重,以选择板式为好。若站址在山区风力大的地方,可选合铝网结构的天线,虽然其增益比板式低,受雨雪影响也大,但其抗风能力强。
(4)前馈天线与后馈天线的选择。由于HEMT器件和低噪声场放的出现,使它们可以直接连在馈源后面,克服了前馈馈线比后馈馈线损耗大的缺点,使前馈天线的噪声温度大大降低。目前的前馈天线仅比后馈天线增益低0.2dB左右,这对卫星电视接收站电视信号的接收质量影响很小。但后馈天线可以同时作为卫星通信地球站的天线,而前馈天线不能。
(5)天线跟踪、驱动方式的选择。在使用大口径天线时,多用双轴跟踪;在使用小口径天线时,单轴、双轴跟踪方式都可采用。
天线驱动方式有手动、电力和自动三种。前两种均是人工定位,功能简单、造价低;第三种方式在使用双轴跟踪天线时,一般采用单板微机控制,具有自动选择(精度可超过0.3°)、跟踪某一个或预置几个卫星(精度可超过0.1°)等功能,从而使天线能够迅速地找到任何一颗需要的卫星,并以信号跟踪方式保证天线处于最佳接收状态。在使用单轴自动跟踪天线时,一般采用电桥平衡方式自动记忆卫星位置,也可以预置同步轨道上多个卫星,并迅速找到任何一颗卫星;但不能以信号跟踪卫星。
(6)采用小天线单收站(TVRO)的可能性。减小天线口径最有效的办法是:加大星上[page]EIRP;降低高频头的噪声温度;提高天线的效率;降低接收机门限电平。
(7)偏馈天线的应用与选择。Ku频段接收小天线有正馈与偏馈两种,正馈Ku天线是圆抛物中心聚焦馈电式;偏馈Ku天线则大多是椭圆型或菱形偏焦馈电式。正馈Ku天线焦距相对短一些,在相同尺寸情况下,偏馈天线比正馈天线的增益略高,因此现阶段Ku频段小天线几乎都是采用偏馈式的
一天线的类型
天线分旋转极化天线和非旋转极化天线。旋转极化天线有螺旋线天线和抛物面天线两种。后者又有两种基本形式,一种称为主焦点抛物面天线,它只有一个反射面,是前馈型的;另一种称为卡塞格伦天线,是后馈型的,它除了主反射面(抛物面)以外,还有副反射面(双曲面),电波经两次反射后才集中到一点。主焦点天线简单,但性能较差;卡塞格伦天线的低噪声前置放大器可以放在抛物面的背后,可以防止阳光照射,特别适合在热带的卫星电视接收站使用,但成本较高。
此外,还有平板天线和环焦天线等,前者使用轻便,适合家庭接收用;后者减小了天线旁瓣,提高了接收效率。为了灵活地接收不同卫星上的电视节目,还生产出一种电动极轴天线。该天线除了原有的天线、馈源外,还设有电动机减速传动天线机构和微机控制的天线控制器。
有些有线电视系统采用多焦点抛物面天线,用一个固定天线同时接收多颗卫星的电视信号。这种天线装有多个馈源,可以形成多个波束,每个馈源分别接收来自不同卫星的信号。其反射器使用变形的球面或抛物面,例如用球面上截取的矩形,或用两种曲线构成反射器,水平方向是园弧,垂直方向是抛物线的一部分。
大型卫星通信站的抛物面天线直径为15~30m,中型为4~10m,家用直播卫星电视Ku频段接收天线可小至0.5m。目前我国C频段卫星电视接收站多用1.5~3m天线,Ku波段用0.75~1.5m天线。随着天线、馈源的效率和性能的提高,以及低噪声放大器噪声温度的降低,天线直径可减小。
二天线的馈源系统
馈源是天线的心脏,它用作高增益聚集天线的初级辐射器,为抛物面天线提供有效的照射。
(1)有合适的方向图。馈源初级方向图不能太窄,否则抛物面不能被全部照射;但也不能太宽,以免功率泄漏过多。另外,初级方向图应接近于旋转对称,最好没有旁瓣和尾瓣。
(2)有理想的波前。圆抛物面天线要求馈源的波前为球面,以确保该相位中心与焦点重合时抛物面口径场的相位均匀分布。否则,会引起天线方向图畸变、增益下降、旁瓣升高。
(3)无交叉极化。即无干扰主极化的交叉分量,要求馈源辐射场的交叉化分量尽可能小。
(4)阻抗变化平稳。要求在工作频段内,馈源的输入阻抗不应变化过大,以保证和馈线匹配。
(5)尺寸尽量小。完整的馈源系统主要由馈源喇叭、90°移相器和圆矩变换器几部分组成。馈源按使用的方式可分为前馈馈源和后馈馈源。按卫星频段可分为C频段馈源和Ku频段馈源;目前已开发出C和Ku频段的共用馈源。前馈馈源一般应用于普通的抛物面天线,后馈馈源一般应用于卡塞格伦天线。
抛物面天线常用馈源形式有角锥喇叭、圆锥喇叭、开口波导和波纹喇叭等。前馈馈源中使用最多的是波纹槽馈源;再有一种叫带扼流槽的同轴波导馈源。后馈馈源喇叭常用的是介质加载型喇叭,它是在普通圆锥喇叭里面加上一段聚四氟乙烯衬套构成的。偏馈天线要选用偏馈馈源,偏馈馈源盘的波纹呈漏斗状,而正馈馈源的波纹盘为水平状。
三极化器对极化波的接收
1.极化波
电波在空间传播时,其电场矢量的瞬时取向称为极化。如果电波传播时电场矢量的空间描出轨迹为一直线,它始终在一个平面内传播,则称为线极化波。线极化波又有水平极化波和垂直极化波之分。若电场矢量在空间描出的轨迹为一个圆,即电场矢量是围绕传播方向的轴线不断地旋转,则称为圆极化波。[page]
电波的极化特性取决于发射天馈系统的极化特性。接收天线必须与发射天线具有相同的极化和旋向特性,以实现极化匹配,从而接收全部能量。若部分匹配,则只能接收部分能量。一个线极化波可以分解为两个旋转方向相反的圆极化波;一个圆极化波也可分解为相互正交的线极化波。所以,接收线极化波的天线也可接收圆极化波,接收圆极化波的天线也可接收线极化波,但是会有3dB的能量损失。无论是线极化天线、还是圆极化天线,都不能接收它们自己的正交分量。
2.极化器
极化器是控制天馈系统极化方向的装置,用于选择与卫星电视信号一致的极化型式,并抑制其它型式的极化波,以获得极化匹配,实现最佳接收。现代卫星电视传输中,还利用垂直极化与水平极化、左旋圆极化和右旋圆极化的相互隔离之特性传送不同的电视节目,以提高卫星的传输容量。圆极化波和线极化波各有优缺点,圆极化波在穿过雨雾层和电离层时,引入的损耗小,也不存在线极化波极化面旋转的问题,而线极化波的最大优点是实现简单。
3.天线馈源对线极化波的接收
值得注意的是,卫星转发器发射的线极化波是以卫星的轴系为基准来定义的。例如,广播卫星的水平极化波是和同步轨道在卫星定点处的切线平行的,而垂直波是和切线垂直的。以水平波为例,图中与卫星定点经度相同的地面站A,接收到的水平波没有变化;而不同经度的站B,接收到的水平波产生了倾斜,离卫星定点经度越远,倾斜越严重。为了实现匹配,必须对站B的馈源作相应的极化补偿,即转一个角度P。而在赤道上的站C,是极端情况,在那里接收水平信号时,馈源要转90°。
四天线系统的选择
在工程常用一些主要参量来表征天线的特性,如方向图、主瓣宽度、副瓣电平、增益、极化、频带宽度、驻波比、噪声温度和天线的风荷等。对C频段天线电性能的要求,请参阅国家标准《GB11442-95》;对Ku频段天线电性能的要求,请参阅国家标准《GB/T16954-1997》。
选择天线时应注意几个问题:
(1)应严格按《(标称)铝板天线卫星电视接收技术条件》中关于天线的要求进行选择。
(2)天线结构是否合理。如天线支撑是否牢固、仰角和方位角调整杆螺距粗细,以及调节是否方便等。
(3)板状天线与网状天线的选择,与用户的站址有关。在大、中城市或工业区,因空气污染严重,以选择板式为好。若站址在山区风力大的地方,可选合铝网结构的天线,虽然其增益比板式低,受雨雪影响也大,但其抗风能力强。
(4)前馈天线与后馈天线的选择。由于HEMT器件和低噪声场放的出现,使它们可以直接连在馈源后面,克服了前馈馈线比后馈馈线损耗大的缺点,使前馈天线的噪声温度大大降低。目前的前馈天线仅比后馈天线增益低0.2dB左右,这对卫星电视接收站电视信号的接收质量影响很小。但后馈天线可以同时作为卫星通信地球站的天线,而前馈天线不能。
(5)天线跟踪、驱动方式的选择。在使用大口径天线时,多用双轴跟踪;在使用小口径天线时,单轴、双轴跟踪方式都可采用。
天线驱动方式有手动、电力和自动三种。前两种均是人工定位,功能简单、造价低;第三种方式在使用双轴跟踪天线时,一般采用单板微机控制,具有自动选择(精度可超过0.3°)、跟踪某一个或预置几个卫星(精度可超过0.1°)等功能,从而使天线能够迅速地找到任何一颗需要的卫星,并以信号跟踪方式保证天线处于最佳接收状态。在使用单轴自动跟踪天线时,一般采用电桥平衡方式自动记忆卫星位置,也可以预置同步轨道上多个卫星,并迅速找到任何一颗卫星;但不能以信号跟踪卫星。
(6)采用小天线单收站(TVRO)的可能性。减小天线口径最有效的办法是:加大星上[page]EIRP;降低高频头的噪声温度;提高天线的效率;降低接收机门限电平。
(7)偏馈天线的应用与选择。Ku频段接收小天线有正馈与偏馈两种,正馈Ku天线是圆抛物中心聚焦馈电式;偏馈Ku天线则大多是椭圆型或菱形偏焦馈电式。正馈Ku天线焦距相对短一些,在相同尺寸情况下,偏馈天线比正馈天线的增益略高,因此现阶段Ku频段小天线几乎都是采用偏馈式的