13微波与卫星通信的天线馈线系统解析.pptx

第一章第一章 微波与卫星通信概述微波与卫星通信概述微波与卫星通信的基本概念与特点微波与卫星通信的基本概念与特点1.1长途微波通信系统的组成长途微波通信系统的组成1.2微波与卫星通信的天线馈线系统微波与卫星通信的天线馈线系统1.3卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成1.41.3 1.3 微波与卫星通信的天线馈线系统微波与卫星通信的天线馈线系统1.3.1 微波通信的天线馈线系统微波通信的天线馈线系统1.3.2 通信卫星的天线系统通信卫星的天线系统1.3.3 地球站的天线馈线系统地球站的天线馈线系统1.3.11.3.1微波通信的天线馈线系统微波通信的天线馈线系统1天线馈线系统的型式天线馈线系统的型式2对微波天线的技术要求对微波天线的技术要求3卡塞格林天线卡塞格林天线1.1.天线馈线系统的型式天线馈线系统的型式天线：把高频电能变为电磁波能量。天线：把高频电能变为电磁波能量。馈线：连接天线和收发信机的部件。馈线：连接天线和收发信机的部件。由于在一根圆波导馈线系统中可以传输相互正交由于在一根圆波导馈线系统中可以传输相互正交的两种极化波，因此在与双极化天线连接时，只要一的两种极化波，因此在与双极化天线连接时，只要一根圆波导馈线系统即可。故室外的馈线系统用圆波导根圆波导馈线系统即可。故室外的馈线系统用圆波导馈线较多。馈线较多。天馈线天馈线 微波通信总是几个波道共用一套天线馈微波通信总是几个波道共用一套天线馈线系统。这就会遇到一个问题，即如何把它线系统。这就会遇到一个问题，即如何把它们分开？们分开？答：不同波道采用不同频率，同一波道的收答：不同波道采用不同频率，同一波道的收发信号采用不同极化方向。发信号采用不同极化方向。波道1（即一个收发信机）波道2分路系统（机房内）室外馈线（双工器）天线 极化方向极化方向极化方向极化方向：电磁场的振动方向定义为极化方向。：电磁场的振动方向定义为极化方向。无线电波的振动方向可以有多种方式，目前所无线电波的振动方向可以有多种方式，目前所使用的有：使用的有：n水平极化（水平极化（H）：是指无线电波的振动方向是）：是指无线电波的振动方向是水平方向。例如：我们拿一条绳子左右抖动，水平方向。例如：我们拿一条绳子左右抖动，产生的波是左右波动。产生的波是左右波动。n垂直极化（垂直极化（V）：是指无线电波的振动方向是）：是指无线电波的振动方向是垂直方向。例如：我们拿一条绳子上下抖动，垂直方向。例如：我们拿一条绳子上下抖动，产生的波是上下波动。产生的波是上下波动。天线馈线系统的形式天线馈线系统的形式 天线馈线系统一般是指天线口面至下天线馈线系统一般是指天线口面至下密封节包括的天线和波导部件。密封节包括的天线和波导部件。型式型式返回2 2对微波天线的技术要求对微波天线的技术要求(1)天线增益天线增益(2)对主瓣宽度的要求对主瓣宽度的要求(3)天线与馈线应匹配良好天线与馈线应匹配良好(4)交叉极化去耦交叉极化去耦(5)天线防卫度天线防卫度对微波天线部分的要求是：天线增益高、对微波天线部分的要求是：天线增益高、与馈线匹配良好、波道间寄生耦合小。与馈线匹配良好、波道间寄生耦合小。(1)天线增益天线增益 微波通信中使用的面式天线，其增益微波通信中使用的面式天线，其增益可用下式表示：可用下式表示：G=（1-4）式中：式中：A为天线的口面面积为天线的口面面积 为波长为波长 A为口面利用系数为口面利用系数 结论：口面越大，增益越高；结论：口面越大，增益越高；波长越短，增益越高。波长越短，增益越高。(2)对主瓣宽度的要求对主瓣宽度的要求 辐射方向通常都有两个或多个瓣，其中辐射辐射方向通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为强度最大的瓣称为主瓣主瓣，其余的瓣称为，其余的瓣称为副瓣或旁副瓣或旁瓣瓣。1.主瓣越强越好，副瓣越弱越好。因为主瓣是能量主瓣越强越好，副瓣越弱越好。因为主瓣是能量的主要辐射方向，主瓣越大信号传递的距离越远。的主要辐射方向，主瓣越大信号传递的距离越远。旁瓣如果大，会影响其它天线的通信。旁瓣如果大，会影响其它天线的通信。2.波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。能力越强。波瓣宽度波瓣宽度：在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低：在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB（功率密度降低一半）的两点间的（功率密度降低一半）的两点间的夹角夹角被定义为波被定义为波瓣宽度（又称为波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。瓣宽度（又称为波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。但是主瓣张角但是主瓣张角过小过小，当气象条件变化时，传播方向，当气象条件变化时，传播方向就要改变，大风又能引起天线摆动，这都会降低天线在就要改变，大风又能引起天线摆动，这都会降低天线在通信方向的实际增益。通信方向的实际增益。因此不能认为主瓣张角越小越好，一般应要求因此不能认为主瓣张角越小越好，一般应要求12左右。综上：主瓣越强越窄越好。左右。综上：主瓣越强越窄越好。(3)天线与馈线应匹配良好天线与馈线应匹配良好 在整个工作频段内，要求天线与馈线在整个工作频段内，要求天线与馈线应匹配连接，否则将在馈线上造成反射波，应匹配连接，否则将在馈线上造成反射波，进而造成线路噪声。进而造成线路噪声。(4)交叉极化去耦交叉极化去耦 在采用双极化的微波天线中，由于天线本身在采用双极化的微波天线中，由于天线本身结构的不均匀性及不对称，不同极化波（即垂结构的不均匀性及不对称，不同极化波（即垂直极化波和水平极化波）可在天线中直极化波和水平极化波）可在天线中互相耦合，互相耦合，互为干扰互为干扰，分别成为与之正交的主极化波的寄，分别成为与之正交的主极化波的寄生波。生波。设此寄生波功率为设此寄生波功率为Px，则天线的交叉极化，则天线的交叉极化去耦度为：去耦度为：x=10lg (dB)（1-5）式中：式中：P0为主极化波功率。为主极化波功率。Px为与主极化波正交的寄生波功率。为与主极化波正交的寄生波功率。x x越大，天线对交叉极化的抗干扰能力越强。越大，天线对交叉极化的抗干扰能力越强。(5)天线防卫度天线防卫度 所谓天线防卫度是指天线在最大辐射所谓天线防卫度是指天线在最大辐射方向上对从其它方向来的干扰电波的衰耗方向上对从其它方向来的干扰电波的衰耗能力。能力。天线防卫度主要包括下面几个指标：天线防卫度主要包括下面几个指标：反向防卫度反向防卫度 边对边去耦边对边去耦 背对背去耦背对背去耦天线防卫度图解天线防卫度图解 反向防卫度反向防卫度 前者称为前者称为接收天线的前对背耦合接收天线的前对背耦合，后者称为后者称为发射天线的前对背耦合发射天线的前对背耦合。天线在最大辐射方向的增益系数天线在最大辐射方向的增益系数G0大大超过反方向的增益系数大大超过反方向的增益系数G反反。它们的。它们的比值称为反向防卫度（或称为反向衰减）。比值称为反向防卫度（或称为反向衰减）。边对边去耦边对边去耦 从第从第2号天线发射的一部分能量泄漏到号天线发射的一部分能量泄漏到与它并排安装并且指向相同的第与它并排安装并且指向相同的第1号接收天号接收天线，如图线，如图1-8虚线箭头所示，这种耦合叫做虚线箭头所示，这种耦合叫做边对边耦合边对边耦合。要求天线应对这种耦合具有。要求天线应对这种耦合具有足够的去耦。足够的去耦。背对背去耦背对背去耦 第第2号天线发射的一部分能量泄漏到号天线发射的一部分能量泄漏到第第3号天线；或者第号天线；或者第3号天线的一部分能号天线的一部分能量泄漏到第量泄漏到第2号天线。在图号天线。在图1-8中由虚线中由虚线箭头示出，这种耦合叫做箭头示出，这种耦合叫做背对背耦合背对背耦合。天线对这种耦合也应具有足够的去耦度。天线对这种耦合也应具有足够的去耦度。3 3卡塞格林天线卡塞格林天线卡塞格林天线是一种具有双反射器的抛物卡塞格林天线是一种具有双反射器的抛物面天线。面天线。工作原理：卡塞格林天线是由初级喇叭辐射器，双曲面工作原理：卡塞格林天线是由初级喇叭辐射器，双曲面副反射器和抛物面主反射面三部分组成。副反射器和抛物面主反射面三部分组成。在结构上，双曲面的一个焦点与抛在结构上，双曲面的一个焦点与抛物面的物面的焦点重合焦点重合，双曲面焦轴与抛物面，双曲面焦轴与抛物面的的焦轴重合焦轴重合，而辐射源位于双曲面的另，而辐射源位于双曲面的另一一焦点焦点上。从而可以获得上。从而可以获得水平方向的平水平方向的平面波波束，以实现定向发射。面波波束，以实现定向发射。1.3.21.3.2（1.4.51.4.5）通信卫星的天线系统通信卫星的天线系统 P40P40图图1-37 通信卫星的组成框图通信卫星的组成框图通信卫星天线系统通信卫星天线系统通信卫星的天线系统通信卫星的天线系统一种是遥控、遥测和信标信号用的全向一种是遥控、遥测和信标信号用的全向天线，用以接收地面的指令及向地面发送天线，用以接收地面的指令及向地面发送遥测数据。这种天线常用鞭状、螺旋形、遥测数据。这种天线常用鞭状、螺旋形、绕杆式或套筒偶极子天线，属于高频或甚绕杆式或套筒偶极子天线，属于高频或甚高频天线。高频天线。另一种是用于通信的微波定向天线，根另一种是用于通信的微波定向天线，根据波束宽度不同，分为三类：据波束宽度不同，分为三类：(1)全球波束天线：全球波束天线：波束宽度约为波束宽度约为1718。(2)点波束天线：点波束天线：其波束比全球波束窄得多，故增益较高，其波束比全球波束窄得多，故增益较高，但其辐射的区域比全球波束小得多。但其辐射的区域比全球波束小得多。(3)区域波束天线区域波束天线 如果地面要求覆盖的区域形状不规则，就如果地面要求覆盖的区域形状不规则，就要用区域波束天线，也称赋形波束天线。其覆要用区域波束天线，也称赋形波束天线。其覆盖区域可通过修改天线反射器的形状或使用多盖区域可通过修改天线反射器的形状或使用多个馈源从不同方向照射天线反射器，由反射器个馈源从不同方向照射天线反射器，由反射器产生多个波束的组合来实现。产生多个波束的组合来实现。1.4.6 1.4.6 地球站的天线馈线系统地球站的天线馈线系统1概述概述 目前大多数地球站均采用修正型卡塞目前大多数地球站均采用修正型卡塞格林天线。格林天线。地球站天线的基本特点是：地球站天线的基本特点是：收发共用一副天线，所以要求天线收发共用一副天线，所以要求天线具有宽频带工作特性；具有宽频带工作特性；高增益、低旁瓣和低的天线接收噪声温高增益、低旁瓣和低的天线接收噪声温度，通过对天线抛物面几何形状的修正及度，通过对天线抛物面几何形状的修正及采用高效率馈源，可使天线总效率达到采用高效率馈源，可使天线总效率达到0.750.8；为了使地球站天线始终对准卫星，要求为了使地球站天线始终对准卫星，要求天线应具有机械驱动和自动跟踪控制系统。天线应具有机械驱动和自动跟踪控制系统。目前大多数地球站均采用目前大多数地球站均采用修正型卡塞格林天线修正型卡塞格林天线1.3.31.3.3（1.4.61.4.6）地球站天线馈线系统）地球站天线馈线系统 P41P412 2地球站天线馈线系统的组成地球站天线馈线系统的组成 与视距微波通信天馈线系统相比，显与视距微波通信天馈线系统相比，显然多了一套天线跟踪卫星的系统，即地球然多了一套天线跟踪卫星的系统，即地球站天线的轴要始终对准卫星方向。站天线的轴要始终对准卫星方向。3 3与天线馈源连接的低噪声放大器与天线馈源连接的低噪声放大器 一个由多级网络级联的接收系统，全系统的一个由多级网络级联的接收系统，全系统的噪声大小主要取决于第一级，即要求第一级放大噪声大小主要取决于第一级，即要求第一级放大器噪声系数尽可能小，增益尽可能高。器噪声系数尽可能小，增益尽可能高。小结：小结：n微波通信的天线系统：卡塞格林天线微波通信的天线系统：卡塞格林天线n通信卫星的天线系统：全球波束天线、通信卫星的天线系统：全球波束天线、点波束天线、区域波束天线点波束天线、区域波束天线n地球站的天线系统：修正型卡塞格林天地球站的天线系统：修正型卡塞格林天线线