卫星天线的工作原理及其调试和维护

摘要：天线是无线电通信、广播、导航、雷达、测控、微波遥感、射电天文及电子对抗等各种民用和军用无线电系统不可少的设备之一。在各种反射面天线中，卡塞格伦天线是在前馈式抛物面天线的广泛应用基础上发展起来的。对此文章简单介绍了抛物面天线和卡塞格伦天线的工作原理，进而分析了卫星天线的调试、维护和保养方法。

关键词：抛物面天线；卡塞格伦天线；维护和保养

自从人类进入信息时代以来，电子通讯技术不断发展。作为电子通讯的基本工具，天线更是在工程实际中得到广泛的应用。从地面到太空，从军事领域到民用领域，无处不活跃着天线的身影。譬如在航天领域内，卫星信号的发射和传送，航天器的通讯等都离不开星载天线的工作。天线是卫星通信系统的重要组成部分，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影响整个通信系统的性能。地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；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等。本文对一些常用的天线及其调试和维护作简单介绍。

1抛物面天线

1.1抛物面天线简介

抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1和图2所示。发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。

1.2抛物面天线工作原理

抛物面具有如下重要的几何光学特性：由焦点发出的各光线经抛物面反射，其反射线都平行于z轴；反之，当平行光线沿z轴入射时，则被抛物面反射而聚焦于F点。其原因是，由焦点发出的各光线经抛物面反射后到达口径面的行程相等（这一结论可利用抛物线的以下性质来证明：从抛物线任一点到焦点的距离等于该点到准线的距离）。

微波的传播特性与光相似，因此，位于焦点F的馈源所辐射的电磁波经抛物面反射后，在抛物面口径上得到同相波阵面，使电磁波沿天线轴向传播。如果抛物面口径尺寸为无限大，那么抛物面就把球面波变为理想平面波，能量只沿z轴正方向传播，其它方向辐射为零。但实际上抛物面的口径是有限的，这时天线的辐射是波源发出的电磁波通过口径面的绕射，它类似于透过屏上小孔的绕射，因而得到的是与口径大小及口径场分布有关的窄波波束。

1.3抛物面天线优缺点

抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。

2卡塞格伦天线

2.1卡塞格伦天线简介

卡塞格伦天线作为双反射面天线的一种，其工作原理和抛物面天线具有相似之处。抛物面天线利用了抛物面的反射特性，馈源位于抛物面的焦点上，直接照射到抛物面口径上，结构和工作原理简单。但却不能很好地通过调整馈源特性来控制天线口径面上的波束和功率分布。卡塞格伦天线由于引入了双曲副面，并将前馈式馈源结构变为后馈式的馈源结构天线，使得馈源辐射出的电磁波经副面与主面两次反射，到达主面口径面上。所以卡式天线能够很好地控制天线口径面上的场分布。

2.2卡塞格伦天线工作原理

卡式天线的工作原理和抛物面天线相似。卡式天线在结构上多了一个双曲副面，由馈源发出的球面波前首先遇到双曲面发生反射，反射波再经抛物面作用，出现二次反射。与抛物面天线的结论相似，从O2点发出的入射波经双曲面和抛物面两次反射后，到达抛物面口径上各点的路径长度都相等。因而馈源所辐射的球面波前，将在主反射面口径上变为平面波前，且呈现同相场，使卡式天线同样具有锐波束、高增益的性能。接收状态的过程则相反，外来平面波前经抛物面和双曲面先后作用后，射线在O2点汇聚，馈源接收到外来电波。

2.3卡塞格伦天线优缺点

双反射面天线最大的优点是馈源位于主反射面顶点附近，给进入馈源区提供了方便，减少了馈源硬件的支撑问题，减小损耗。双反射面天线的优缺点总结如下优点：

（1）后馈式的馈源结构，大大缩短了馈线长度，同时也给馈源的安装和维修提供了方便；

（2）由于副反射面的引入，对控制主反射面的照射增加了一个可变因素，所以天线设计的灵活度增强；

（3）可以通过控制赋形副反射面来改变主反射面上的照射幅度，同样通过控制赋形主反射面可以改变相位，因此比较容易实现次所要求的级辐射方向图；

（4）相对于单反射面天线来说，馈源在主反射面边缘的漏失较小，降低了天线的噪声温度；

（5）馈源可进行宽频带设计，这是由于副反射面边缘对馈源的相位中心的半张角一般小于450，多数情况可小于200；

（6）对于具有复杂馈源网络的天线，双反射面天线也适用。

缺点：

（1）由于添加了一个副面，所以遮挡变大。并且副面遮挡直接影响天线的近轴旁瓣，所以天线近轴旁瓣比单反射面天线要高；

（2）鉴于副面边缘要有一定的照射锥削，因此不能使用弱方向性馈源。

3卫星天线的调试方法

对于卫星天线的调试，它包括天线的方向（仰角和方位角）、馈源的位置、极化取向和极化倾斜角调整等数项内容（可根据相关材料查到所需信息）。调试天线一般在天线安装场地进行，首先要设置好卫星接收机接收电视信号的数据参数，连接好卫星接收天线上的LNB和卫星接收机、电视监视器的电缆，然后按照下面的步骤开始调整天线。

3.1天线的固定

将天线连同支架安装在天线座架上。天线的方位通常有一定的调整范围，应保证在接收方向的左右有足够的调整余地。对于具有方位度盘和俯仰度盘的天线，应使用权之方位度盘的0°与正北方向，俯仰度盘的0°与水平面保持一致。正北方向的确定，一般采用指北针测出地磁北极，再根据当地的磁偏角值进行修正，也可利用北极星或太阳确定。

较大的天线一般都采用分瓣包装运输，故在安装时，应将各部分重新组装起来。天线组装后，型面的误差、主面与副面之间的相对位置、馈源与副面的相对位置，均应用专用工具进行校验，保证误差在允许的范围内。校验完毕，应固紧螺栓。

天线馈源安装是否合理，对天线的增益影响极大。对于前馈天线，应合馈源的相位中心与抛物面焦点重合；对于后馈天线，应将馈源固定于抛物面顶部锥体的安装孔上，并调整副反射面的距离，使抛物面能聚焦于馈源相位中心上。天线的极化器安装于馈源之后。对于线极化（水平极化和垂直极化），应使馈源输出口的矩形波导窄边与极化方向平行；对于圆极化波（如历旋圆极化波），应使矩形导波口的两窄边垂直线与移相器内的螺钉或介质片所在平面相交成45°角的位置。

3.2天线方向的调整

确定正南方向。先由当地磁偏角年变值和参考年值（查表获得），计算当地当时的磁偏角（磁偏角=参考年值+年变值×年差），然后再用罗盘（或指南针）确定地磁南极方向，最后用计算的磁偏角，修正地磁南极，得到正南方向（正南=地磁南极+磁偏角）。另外，因为天线座架的实际指向一般都对着正南方向，帮可直接以天线座架的指向作参考，进行天线调整。

进行方向调试。天线方向的调试，具体地说就是根据事先算出的仰角和方位角，将天线的这两个角度分别调到这两个数值上，使之对准所要接收的卫星，接收到电视信号，这就是粗调。然后进行细调，使所收的信号最佳。粗调是基础，如何判断天线的仰角和方位角已调到事先所算出的角度上呢？根据现场的条件和个人的不同条情况，可以有多种简易而有效的方法。

（1）方位角的调整

天线安装好以后，将高频头有标牌的一面水平朝上，然后利用指南针找到正南方向，并在天线的立柱上做好正南的标记。同时应了解要找的卫星方位角是正南的偏东或偏西多少度。然后找一皮尺测量立柱的周长为多少厘米，在用360度除以它，得到每厘米为多少度。然后再用方位角去除以每厘米对应的度数，也就是得到了需要转动多少厘米。即可将天线转动到附近位置。

（2）仰角的调整

经简单计算与实践得出结论，仰角应为：将计算出的仰角减去20度的值（因为采用的不同天线误差在19度～22度之间）。然后将指南针放置，细调仰角使指针为计算出的差值（误差在正负1度之间），这一点是天线调试成败的关键。

下面我们简单介绍一种方法――量角器、垂线法：

用一个尺寸较大一点的量角器，稍作加工，即可制成一个方便实用的简易仰角测试器，不需作任何计算，仰角可直接随时读出（如图三所示），在量角器的圆心处小心地钻一小孔，将一根细线固定在此，在细线的另一端系一小重物，仰角测试器就做好了。使用时如前述几种方法一样，将其直边垂直地靠在圆盘平面上，并使量角器刻有0°的一端朝下。此时一边转动天线的仰角一边可以读出仰角值来。

（3）极化角的调整

天线指向调整前，高频头馈源波导口极化角P预置方向应大致正确，待收到信号后再进行细调，一般只需根据经度差（经度差=卫星所在经度-接收点经度）正负，即可大致判断极化角正负，经度差为正时极化角也为正，经度差为负时极化角也为负，经度差绝对值越大极化角也越大。

根据资料可以知道极化角的参数。现将高频头上有一横线的标记对准天线支架上的0刻度线，人站在天线口的前面，当极化角大于零度时，高频头顺时针转动；当极化角小于零度时，高频头逆时针转动。

当接收水平极化信号时，馈源波导口窄边应平行于地面，根据经度差正负及其绝对值大小预置极化角P，待收到信号后再进行微调。当接收垂直极化信号时馈源波导口宽边应平行于地面，根据经度差正负及其绝对值大小预置极化角P。Ku波段通常采用馈源一体化高频头，为便于区别有的馈源一体化高频头在其端面有“Up”标志（英文“向上”），标有“Up”端面向上即为“水平极化”，旋转90°即为“垂直极化”。

在进行上述调整时，应一边缓慢转动天线，一边注意观察电视监视器的屏幕显示和卫星接收机的信号强度指示条，注意调整到信号最强的位置固定这一项调整位置。调整时应一个项目一个项目顺序进行，每调整好一个调整点就固定住它，调整顺序是：方位角――〉仰角――〉极化角，全部参数都整好后，最后将天线固定。

4卫星天线的保养和维护

4.1应检查转动配合部件和紧固件是否生锈，如有锈斑及时清洗，涂上脂。对传动丝杆，支杆与立柱的配合面须涂脂后才安装。

4.2如在主反射面上须上人时，最多容许体重较轻的1-2人，必须穿上软底鞋，尽量踩在接缝处的筋条上，以防止反射面变形和划伤

4.3如发现馈源喇叭上的薄膜破裂，要及时更换。

4.4馈源系统不容许进水，进水将严重影响天线性能，甚至会中断通信。

4.5天线在露天工作，应随时注意防锈，面漆脱落要及时补涂，对活动零部件要定期清洗，涂脂。定期检查紧固件，以防松动，特别在大风过后，要及时将松动的紧固件拧紧。

4.7天线的工作现场应杜绝人员逗留。

4.8及时清理天线上的积雪。

4.9天线使用两年后，要重新将天线喷上白色醇酸磁漆。

4.10安装避雷防护。

参考文献

[1]林昌禄主编.天线工程手册[M].电子工业出版社，2002

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