卫星电视系统技术介绍.doc

卫卫 星星 电电 视视 系系 统统 袁同庆袁同庆 安徽师范大学教育科学学院安徽师范大学教育科学学院 第一章 卫星电视广播系统 地面电视广播使用的频段是 VHF 和 UHF（属于超短波），因此它不可能象中波和长波那样依靠地面传播，因为大地对 VHF 和 UHF 的吸收作用比对中波和长波的吸收作用大；同时它也不可能象短波那样依靠电离层对天波的反射来传播，因为 VHF 和 UHF 在 电离层的反射很小；它具有与光波相似的特性，只能在视觉范围内传输，又由于地球曲率的原因，只有架设高收发天线才能增加传输距离。因此，地面电视广播的服务范围受到限制。后来，采用微波中继（微波接力）的方式，把收到的信号经过放大、变频后在转发出去。这样每隔 50KM 左右就要建立一个中继站，形成一个节目传输网。但该方式也存在设备庞大，所需经费、人员较多，传输环节多导致电视质量下降，在地形复杂的地区和海上不可能建立微波中继站，在服务区内场强分布不均匀（随距离的平方而衰减）等一些缺陷。基于上述地面电视广播存在的不足，以及随着世界航天技术的发展，卫星广播业务便应运而生。目前卫星电视节目已成为电视广播系统中不可缺少的重要组成部分。第一节第一节 同步卫星同步卫星 一、一、同步卫星轨道同步卫星轨道 电视广播卫星可以看做是设置在高空的一座电视转播台，为了使地面接收设备能长时间、稳定可靠的接收卫星传送的电视信号，对卫星的要求很高。从地球上看，要求卫星的位置在空中应该固定不动，即必须是静止的卫星。实际上，“静止”是相对的，因为地球不停的自转，所以要求卫星绕地球的时间和地球自转一周的时间相等，即卫星运行的角速度和地球自转的角速度相同，并且绕行方向也相同。此时在地球上的某一地点观察卫星时，观察者和卫星是相对静止的，地面接收站的天线对准卫星之后就可以稳定的进行接收。我们将这种相对与地球静止的卫星称为同步卫星。为保证卫星和地球之间的同步，对同步卫星的轨道有严格的限制，卫星必须处于离地面高度为 35786KM 的赤道上空的圆形轨道上。同步卫星在轨道上的位置按如下方法表述：把同步卫星和地心的连线与地面相交的点 A 称为星下点（星下点都在赤道上），用星下点所处的地理经度来表示同步卫星所在的轨道位置。例如：“亚洲一号”卫星轨道位置为东经 105.5，通常记作 105.5E。同时为使赤道上的卫星不相互干扰，国际电信联盟（International Telecommunication Union,ITU）规定赤道上的卫星彼此间应有 3的间距。二、二、卫星电视广播覆盖面积卫星电视广播覆盖面积 如果卫星发射的波束与赤道相切，可以推算出卫星发射电波的张角为 17.34，此时卫星辐射的赤道周长最大可达到 18100KM，能覆盖地球表面积的三分之一。因此，只要在赤道上空等距离（120间隔）配置三颗同步卫星，就基本上能覆盖整个地球表面（地球两极附近地区除外），从而实现全球的卫星电视广播。实际上，有的卫星电视广播只是为了本国或本地区服务，要求的覆盖面积并不大，卫星的张角只要很小就可以了。例如：德国卫星 TV-SAT 张角 0.721.62即可覆盖全国。第二节第二节 卫星电视广播的特点和系统组成卫星电视广播的特点和系统组成 一、一、卫星电视广播的特点卫星电视广播的特点 卫星电视广播采用卫星上的转发器来进行电视节目的转播，与地面电视广播相比具有以下优点：1、覆盖面积大，传输距离远覆盖面积大，传输距离远 一颗位于赤道上空的同步卫星，其星上转发器天线波束的最大张角为 17.34，能覆盖三分之一的地球表面，它相当于地面上成百上千个微波中继站的信号传输。此外，采用成型波束技术还可以将电波远距离的能量均匀的传送到需要覆盖的地区。2、传送电视信号质量高传送电视信号质量高 因地面接收的只是卫星的一次转发信号，没有经过众多的微波中继站的多次转发，所以信号失真小。地面接收点场强均匀，极限情况在服务区内场强只差 34 db，因此无论在城市，还是山区，电视图像质量相差无几。同时，卫星信号自上而下，不易受山峰和高大建筑物的折射和反射，可避免发生重影。此外，卫星电视广播频率高，又采用调频制，因此抗干扰能力很强。3、传送节目套数多，信息容量大传送节目套数多，信息容量大 由于卫星电视广播频段宽，容纳的频道多，可以传送几十套节目。同时，利用卫星转发器还可以实现高清晰度电视广播、静止画面广播、高保真声音广播、传真和数据通信等业务。4、不受地理环境因素影响不受地理环境因素影响 地面电视信号的传送与广播常常受到地理条件和复杂地形的限制，例如：边远山区、海洋、沙漠、岛屿无法实现良好的电视覆盖，而采用卫星电视广播，只要安装卫星电视地面接收站就能很好的收看电视节目。卫星电视广播也存在一些困难和不足之处：1、一次性投资较高，卫星造价高，发射费用大。2、卫星难以进行维护和修理，一旦出现故障，其所覆盖的大面积区域都会受到影响。3、卫星的研制、发射、控制和管理技术要求高，难度大。4、卫星有一定的使用寿命，一般在 15 年以内。因为修正卫星位置和姿态的小型推动装置需要消耗燃料，而燃料的储备是决定卫星寿命的重要因素。但随着科学技术的发展，以上问题正在或已经得到很好的解决。二、二、卫星电视广播系统的组成卫星电视广播系统的组成 卫星电视广播系统主要由上行地球站，广播卫星，卫星接收站及卫星测控站四大部分组成，如图 1-1。1、上行地球站上行地球站 上行地球站的主要任务是将电视广播中心的电视节目信号经调频、上变频和功率放大处理后，通过发射天线发射至广播卫星。通常将地面发送给卫星的信号称为上行信号，而将卫星传送回地面的信号称为下行信号。为避免信号之间的相互干扰，每颗卫星的上行信号与下行信号的频率是不同的。上行站可以是一个或多个，按功能不同可划分为以下三类：上行主站上行主站 属于固定的卫星电视信号发射中心，除了具有发射电视节目给卫星的主要功能外，也能够接收卫星转发回来的电视信号，用来监测和检验卫星电视信号的传输质量。上行分站上行分站 与上行主站的主要功能是相同的，主要差异在于分站一般不具备卫星信号监测和遥控功能，它通常是作为主站的备份，当主站出现故障时，由分站完成将信号发送给广播卫星的任务。上行移动站上行移动站 常用于现场采访或现场直播。上行移动站一般安装在专用的卫星电视转播车上，由便于安装和移动的设备组成。2、广播卫星广播卫星 广播卫星是整个卫星广播系统的核心。卫星上的设备主要包括：转发器、天线、电源及控制系统。其主要作用是接收来自上行站的电视广播信号，然后由转发器将接收信号变频为下行频率，经放大后通过卫星天线定向发射给地球上预定的服务区域。卫星上的天线通常是发射和接收共用的，采用抛物面结构，最大直径可达 10M。卫星发射升空后，为减少发射阻力，天线藏在卫星里面，当卫星定点后，通过星上控制装置将天线自动展开。为有效利用广播卫星的辐射功率，要求天线波束的覆盖区与服务区的地理形状基本一致，因而卫星的广播天线多使用成型波束天线。根据卫星的容量不同，其携带的转发器数量也不同，少则两三个，多则几十个，每个转发器可传送一路电视信号。例如：“亚洲一号”卫星携带有 24 个转发器，“亚洲二号”携带有 33 个转发器。转发器的输出功率一般在几瓦到几百瓦数量级，转发器数目越多，消耗的电能越大。卫星依靠太阳能电池板为设备供电。在卫星飞行中，太阳能电池板必须正对着太阳才能将太阳能转化为电能，所以卫星需要通过小型喷射器来纠正卫星的姿态。3、卫星电视接收站卫星电视接收站 卫星电视接收站的主要任务是接收广播卫星转发的电视节目信号。按使用形式可分为以下三种类型：个体接收站个体接收站 它适合家庭、个人接收，设备简单，安装方便，价格低廉。有线电视接收站（集体接收站）有线电视接收站（集体接收站）采用大口径、高增益天线和性能优良的接收设备接收卫星信号，然后变换为 VHF或 UHF 射频信号，最后送入有线电视系统，供系统内众多用户收看。例如：有线电视用户就是通过该方式来收看中央电视台的多套节目及其他各省电视台的卫星电视节目的。无线电视接收站无线电视接收站 它接收卫星的下行电视信号供无线电视台或转播台使用。4、卫星测控站卫星测控站 卫星测控站可以和上行站在一起，也可以设在不同的地点。其主要任务就是测量卫星的空间轨道位置、姿态、各种工程参数和环境参数。必要时可以通过指令，遥控卫星的姿态和轨道位置，对卫星实施各种功能状态的切换，以保证卫星的正常工作。第三节第三节 卫星电视广播的频段划分卫星电视广播的频段划分 一、一、卫星通信频率使用的分区卫星通信频率使用的分区 国际电信联盟（ITU）在分配卫星通信使用频率时，按地理位置将世界划分为三个区域，见表 1-1。第一区 包括欧洲、非洲、前苏联的亚洲部分、蒙古、伊朗西部边界以西的亚洲国家 第二区 包括北美洲、拉丁美洲 第三区 包括大洋州、不在第一区的亚洲大部分国家 我国属于第三区。二、二、卫星电视广播频段划分卫星电视广播频段划分 为了统一使用有限的频率资源，1979 年国际电信联盟对卫星电视广播的频段进行分配，共分为六个频段，分配表如下表 1-2：频段名称 频率范围（GHZ）带 宽（MHZ）地区分配 备注 L（0.7GHZ）0.620.79 170 全球 与主管部门协商 S（2.5GHZ）2.52.69 190 全球 共同接收用 KU（12GHZ）11.712.2 500 第三区 卫星广播业务优先使用 11.712.5 800 第一区 卫星广播业务优先使用 12.112.7 600 第二区 卫星广播业务优先使用 12.512.75 250 第三区 共同接收用 Ka（23GHZ）22.523.0 500 第二区、第三区 与主管部门协商 Q（42GHZ）40.542.5 2000 全球 卫星广播业务使用 V（85GHZ）84.086.0 2000 全球 卫星广播业务优先使用 卫星电视广播已经使用的有 L、S 和 KU三个较低频段，Ka、Q 和 V 三个较高频段在技术上尚未成熟，目前未使用。需要指出，C 频段（3.74.2GHZ）原来属于通信频段，主要用于地面微波通信和卫星通信。但目前我国和大多数亚洲国家仍使用 C 频段进行卫星电视广播。例如：“亚洲一号”卫星上有 24 个转发器，“亚洲二号”卫星上有 24 个转发器，“中星五号”卫星上有 5 个转发器均采用 C 频段工作。为避免卫星电视广播对 C 频段地面通信产生干扰，卫星转发器的功率不允许太大，一般在十几瓦以下。因为 C 频段卫星接收站容易受微波干扰，所以 C 频段的使用只是作为卫星电视广播的过渡阶段。KU频段是目前卫星电视广播的优选频段，随着高频技术的成熟，应用KU频段实现卫星电视广播的系统越来越多。例如：“中星五号”卫星上有 6 个转发器，“亚洲二号”卫星上有 9 个转发器，均采用 KU频段工作。三、三、常用卫星电视频道的划分常用卫星电视频道的划分 1、KU频段的频道划分频段的频道划分 第一区和第三区 KU频段的下行信号频道分配情况见图 1-2，由图可看出第三区 KU频段的几个重要参数。频段范围：11.712.2 GHZ 频段宽度：500 MHZ 频道数：可划分为 24 个频道 单个频道宽度：27 MHZ 频道中心频率：处于各频道频率范围的中间，也称频道载频。（KU频段各个频道的中心频率见表）载频间隔：19.18 MHZ 保护带：下保护带为 13.98 MHZ，上保护带为 17.88 MHZ。留出保护带的目的是保护相邻频段卫星广播不受干扰。由以上参数可知，频道的载频间隔小于频道带宽，所以相邻频道共有 27-19.18=7.82的重叠部分。为了减少相邻频道的相互干扰，除间隔使用频道外，还可以利用相邻频道极化方式的不同，把它们相互重叠的信号分离开来，以避免相互干扰。例如：对 1、3、5、7、921、22、24 共 13 个频道采用左旋圆极化波，其余的 11 个频道则采用右旋圆极化波。适用第一区 KU频段的下行信号的频率范围为 11.712.5 GHZ，频段宽度为 800 MHZ，可容纳 40 个频道。2、C 频段的频道划分频段的频道划分 频段范围：3.74.2 GHZ 频段宽度：500 MHZ 频道数：可划分为 24 个频道 单个频道宽度：27 MHZ 频道中心频率：处于各频道频率范围的中间，也称频道载频。（C 频段各个频道的中心频率见表）载频间隔：19.18 MHZ 为避免卫星上、下行信号的相互干扰，卫星广播系统的上下行信号应采用不同的工作频率，KU频段的上行频率是 12.7518.1 GHZ，C 频段的上行频率是 5.7258.4 GHZ。第四节第四节 卫星电视广播的体制卫星电视广播的体制 一、一、基带信号的频谱基带信号的频谱 基带信号是指未经调制的电视信号，即电视节目源在发射端未经调制的信号和卫星接收解调后的信号。卫星电视传送的 PAL-D 制基带信号的频谱分布如下图 1-3：图像亮度信号带宽 fV=6 MHZ 色度信号与亮度信号频谱重叠 彩色副载波频率 fSC=4.43 MHZ，色度信号的带宽为 1.3 MHZ 伴音信号fA对伴音载波fS=6.5 MHZ调频,伴音信号的频率范围在15HZ15KHZ之间，伴音调频信号的最大频偏fm=50KHZ。所以整个电视基带信号的频带宽度 f 为：f=fS+fA+fm=6.5+0.015+0.05=6.565 MHZ 三、三、彩色电视的三种彩色制式彩色电视的三种彩色制式 目前卫星电视广播使用的彩色制式有很多，常见的有 NTSC、PAL、SECAM 三种。1、NTSC 制制 NTSC 制，又称正交平衡调幅制。它是将代表彩色图像的两个色差信号 Q、I 分别调制在两个频率相同、相位相差 90 的副载波上，形成色度信号 F。再与亮度信号 Y、复合同步信号、复合消隐信号叠加形成彩色全电视信号。NTSC 制彩色全电视信号频谱见图 1-4：2、PAL 制制 PAL 制是在 NTSC 制的基础上发展起来的，又称逐行倒相正交平衡调幅制。它是将代表彩色图像的两个色差信号 U、V 分别调制在两个频率同为 4.43 MHZ、相位相差90 的副载波上，且 V 的副载波是逐行倒相 180 的。再与亮度信号 Y、复合同步信号、复合消隐信号叠加形成彩色全电视信号。3、SECAM 制制 SECAM 制的全称为顺序传送彩色与记忆制，即采用了逐行交替传送两个色差信号，而且两个色差信号分别对两个不同频率的副载波进行调频。以上三种制式对色度信号的处理方式不同，所以彼此之间并不兼容。由于广播卫星上使用的转发器制式不同，为了能接收不同制式的卫星电视节目，可使用多制式彩色电视机，若采用单一制式彩色电视机也可以在电视机前加上电视制式转换器。四、四、图像信号的调制方式图像信号的调制方式 在地面电视广播中，图像信号采用残留边带调幅制，伴音则采用调频方式。这种调制方式的优点是每个频道占用的频带宽度较窄，有利于提高频率资源的利用率，缺点是能量利用率不高，噪声性能差。由于卫星运载设备不能过于庞大，转发器功率也不可能太高，因此地面电视广播的调制方式不适合卫星电视广播。目前，卫星电视广播有三种调制方式：调频调频（FMFM）制、复用模拟分量（MAC）制、全数字调制。1、调频调频调频（调频（FMFM）制）制 FMFM 调制方式的原理调制方式的原理 因为卫星上的转发器不能提供足够大的发射功率，采用调频制的目的是通过适当增加带宽来换取较小的发射功率，因此卫星电视广播不采用残留边带调幅制。换句话说，在卫星转发器发射同样功率的情况，FMFM 制可通过增加信号带宽，使接收到的信号质量得到明显提高，噪声和干扰显著减少。FMFM 的调制方式如下图 1-5：在发送端，首先将伴音信号对 6.5 MHZ的伴音载波进行调频，然后将调频后的伴音信号与经过预加重、能量扩散的图像信号混合，形成复合全电视基带信号，对发射波进行再调频，然后经过中频放大、滤波、均衡处理后，送上变频器进行变频，最后以微波频率发射出去。能量扩散能量扩散 卫星电视信号采用调频制，在没有电视基带信号或仅传送某一固定电平（如全黑或全白画面）时，发送的调频波功率则不是均匀分布在频带内，而是集中在载频或某几个固定的频率点上。从而导致：第一、在能量集中的频率点上会对地面共用频段上的微波通信等业务产生较大的干扰；第二、因为某几个频率点上信号强度过大，造成卫星上的放大器工作在非线性状态，由此产生新的频率分量，造成互调干扰。为了克服无调制或单一电平调制，造成功率集中在载频或某几个固定的频率点上的缺点，通常采用能量扩散措施。所谓能量扩散，就是人为的在视频信号上叠加一个低频三角波，形成一个复合的基带信号。在没有电视基带信号时，载波仍然受到该三角波的调制，使能量扩散开来。三角形能量扩散信号，以及受三角波调制后的频谱如下图 1-6：由图可见，在三角波调制的频偏范围fe内，功率密度分布均匀，而在fe之外，功率密度迅速趋于零。三角波通常与帧频同步，PAL 制的三角波采用 25HZ帧频，而且要求三角波顶点与场消隐期中点对齐。在卫星接收机解调后，还需要将基带信号中叠加的三角波去掉，以恢复原来的电视信号，该过程称为去能量扩散。通常可采用叠加反向三角波的抵消法或视频箝位方法来进行去能量扩散。预加重和去加重预加重和去加重 在上行站的发射端，对调制前的基带信号进行高频分量提升的处理，称为预加重。在卫星接收机的鉴频器后，对基带信号进行降低高频分量的处理，称为去加重。采用预加重和去加重的主要目的是为了减少卫星接收机鉴频器噪声。由于调频信号经过卫星接收机的鉴频，输出后会产生噪声，且噪声幅度与频率成正比。若在系统中加入预加重和去加重网络后，图像与伴音信号在传输过程中仍可以恢复原来的频率特性，而鉴频输出的高频噪声因为只经过去加重网络，而受到很大衰减，由此图像与伴音信号的高频信噪比得到很大提高。2、复用模拟分量（复用模拟分量（MAC）制）制 复用模拟分量（MAC）制是数据分量和模拟分量的时分复用制的调频方式。它将彩色电视的亮度信号与两个色差信号（U、V）进行时间轴压缩，压缩后在行正程内实现时分复用。亮度信号以 32 压缩比进行压缩，色差信号以 31 压缩比进行压缩。传输时，亮度信号每行都传送，两色差信号则每行只传一个，两者逐行交替传输。在行消隐冗余时间内传送声音、数据和同步数字信号。该方式克服了传统三种制式的缺点，可获得高质量的图像和伴音，并且能与未来的高清晰度电视兼容。在 MAC 制提出后，各国由于采用了不同的数据编码方式，分别提出了 A、B、C、D、D2、E 等方式。它们对图像信号的处理都是一样的，区别是数字伴音和数据信号与图像信号的复用方式不同。3、高清晰度电视（高清晰度电视（HDTV）高清晰度电视 HDTV 的扫描行数是目前扫描行数的两倍，采用逐行扫描的方式。就目前世界上一些国家对高清晰度电视的研究情况，大致可分为三种基本系统：MUSE 传输方式传输方式非兼容非兼容 HDTV 系统系统 MUSE 传输方式是日本的 HDTV 系统。MUSE 是一种高效的频带压缩技术，其编码器和解码器使用了大量的数字信号处理电路，但最后对射频载波仍采用模拟调制，所以是一种数字、模拟混合式的高清晰度电视。HDMAC 制式的制式的 HDTV 系统系统 HDMAC 制式是欧洲的 HDTV 系统，是欧广联确定以 MAC 制式为基础的且逐步想宽屏幕 HDTV，HDMAC 过渡。HDMAC 的参数为：1250/50/21/169。全数字式全数字式 HDTV 系统系统 全数字式 HDTV，比较成熟的系统为 GA 系统，它是美国过去各个数字 HDTV 系统的优化组合。该系统支持两种基本的像素阵列 19201080 和 1280720，这两种像素格式均支持宽屏幕 169，支持 603024 三种帧频，因此共可以产生 6 中不同可能的扫描格式。视频压缩方式采用 MPEG2 标准，伴音采用 Dolly 公司的数字声音压缩方案（即 5.1声道杜比 AC3 环绕声系统），保证了系统在世界范围内的互换性和可被接收性，有利于系统的推广。第五节第五节 卫星电视接收系统的组成及质量要求卫星电视接收系统的组成及质量要求 一、一、卫星电视接收系统的基本组成卫星电视接收系统的基本组成 卫星电视接收系统通常由抛物面接收天线、高频头和卫星接收机三大部分组成。接收天线和高频头安装在室外，卫星接收机放置在室内为电视接收机提供接收信号。高频头与卫星接收机通过电缆线相连接。卫星电视接收系统的基本组成图如下图 1-8：卫星电视接收系统的基本工作原理如下：由抛物面接收天线收集从卫星下行的电磁波信号，并聚焦于馈源上。高频头将馈源送来的卫星微波信号进行低噪声高频放大，经下变频为第一中频信号（9501750 MHZ）。然后由同轴电缆送至室内的卫星电视接收机。接收机选出所需要接收的某一电视调频载波进行第二次变频得到第二中频信号，该信号经过放大、限幅、解调出全电视复合基带信号。最后经视频处理和伴音解调电路输出图像和伴音信号供收看。二、二、卫星电视接收系统的主要指标卫星电视接收系统的主要指标 用主观评价方式确定电视图像的优劣，对应不同图像质量得出的不同等级称为图像等级。图像质量等级分类采用五级评分法，各级所代表的质量状况见下表 1-3：图像 等级 5 4 3 2 1 欧广联 S/N（不加权）(dB)45.5 36.6 29.9 25.4 23.1 国际无线电咨询委员会 S/N（加权）(dB)44.7 34.7 30.0 27 21 主观评价 不 能 觉察 干 扰和噪声 可觉察噪声，但不妨碍收看 影响收看 显著影响收看 显著影响收看，令人讨厌 对于个体卫星接收系统要求不低于 3.5 级，对集体卫星接收系统的图像质量应不低于 4 级。S/N 通常将卫星接收设备输出的视频信号与杂波的功率比称为视频信噪比 S/N，用分贝（dB）表示。电视图像信号主观评价质量等级 Q 与不加权信噪比 S/N 之间的关系可用下式表示：S/N=23Q1.1Q2 例如，达到 4 级图像标准，则相应的视频信噪比 S/N 应为：S/N=2341.142=36.6（dB）实际上，人眼对杂波的察觉具有一定的频率特性。人眼对高频杂波造成的细小麻点不太敏感，而对低频杂波引起的大麻点较为敏感。不考虑人眼的视觉特性误差的视频信噪比称为不加权信噪比，考虑人眼的视觉特性后的视频信噪比称为加权信噪比。按国家标准规定，个体卫星接收设备输出端的不加权信噪比 S/N 应不低于 33 dB，集体卫星接收设备输出端的不加权信噪比 S/N 应不低于 36.6 dB。第二章 卫星电视接收天线 在卫星电视广播中，天线是电磁波的出口和入口，是实现以自由空间为传播媒介，发射或接收电磁波的装置。卫星电视接收天线是卫星电视接收站的前端设备。它实质上是一个电磁波的收集器，它的作用是将反射面内收集到的、由卫星向地面辐射的、非常微弱的电磁波聚焦，并转换成高频电流，然后传送给后续电路进行处理。因此，卫星电视接收天线是卫星电视广播系统中必不可少的部分，其质量直接影响整个系统的性能。第一节第一节 卫星接收天线的作用和主要性能卫星接收天线的作用和主要性能 一、一、天线的基本特性天线的基本特性 1、微波面天线具有几何光学性质微波面天线具有几何光学性质 由于卫星电视使用的是微波波段。微波的波长很短（0.1mm30cm），因此微波的传播与光波相似，具有类似光学系统的反射、折射和绕射的性质，也具有类似光线可以会聚的特性。通过一个反射面可以使从卫星下行的电磁波在焦点处会聚，其强度是原来分聚时强度的成千上万倍。用这种反射面作成的天线称为面天线。2、天线收发的互易性天线收发的互易性 天线是用来接收和辐射电磁波的，因此天线和其他许多换能器（如发电机和电动机）一样具有可逆性。由于发射天线和接收天线之间几乎没有什么根本性的差别，因此用一副天线无论是用来发射或接收，其基本参量保持不变。二、二、接收天线的作用接收天线的作用 1、能量变换能量变换 能量变换是指被天线引导的电磁信号与自由空间的电磁波之间的转换。接收天线是把自由空间的电磁波转换为被天线引导的电磁信号（高频电流），然后传送给卫星电视接收机。2、定向作用定向作用 定向作用是指天线接收电磁波具有一定的方向性。接收天线对所需方向的来波有最大的接收，并且避开其他方向上的干扰波。三、三、接收天线的主要性能接收天线的主要性能 卫星接收天线的主要性能包括方向性、增益、效率、阻抗、噪声温度等。1、方向性方向性 由于赤道上空的卫星间隔很小，且卫星电视的转发器频率均是按照国际电联的标准设置的，如果接收天线的波束较宽，必定会给系统造成同频干扰，因此要求接收天线的波束必须足够窄。另一方面，为了保证接收天线能在卫星的正常轨道漂移条件下也能稳定地接收信号，要求接收天线的波束又不能太窄。因此，就对卫星接收天线的方向性提出了较高的要求。天线的方向性通常采用方向图进行详细表述。方向图是指天线的辐射特性（场强、相位、极化）随空间角度变化的曲线。因此天线的方向图通常有场强方向图、相位方向图、极化方向图，三者中场强方向图最为重要，其余两种非天线专业技术人员很少用到，所以在不作特定说明时，方向图即指场强方向图。显然，方向图应该是三维的，但实际应用中，为表示方便，只画出水平和垂直平面的方向图。下图为某天线的水平方向图：图中画出了各个角度的场强相对值与角度的关系。反映了天线集中辐射电磁能量的能力，方向图越尖锐，表示能量辐射越集中。通常方向图曲线中有许多峰，每个峰都代表一个波瓣。0所对应的波瓣叫做主瓣，主瓣具有相对场强的最大值，即主瓣为最大辐射方向。其他波瓣叫做旁瓣，最靠近主瓣的旁瓣叫做第一旁瓣。方向图的主瓣宽度定义为：主瓣上辐射功率下降为最大辐射方向功率值的一半，或相对辐射场强下降为主瓣最大值的 0.707 倍（即下降 3dB）时，两点之间的夹角宽度，用0.5表示。0.5越小，说明天线的能量辐射越集中，方向性越强。旁瓣会导致接收系统受其他卫星或其他通信系统的干扰，因此需要将旁瓣抑制到尽可能的水平，一般要求最大旁瓣比主瓣增益低 1520 dB。通常，一面设计合理的抛物面天线的主瓣宽度可用下式估算：0.570D（度）（度）式中：为系统的工作波长；D 为抛物面天线的直径 例如 12 GHZ的 KU波段 1 米天线的主瓣宽度约为 1.8。此外，为表示天线在给定方向上集中辐射功率的能力，引入方向性系数 D0。一个方向性天线的方向性系数 D0定义为：在空间给定某点获得相同辐射功率的条件下，无方向性天线辐射的总功率 P0，与方向性天线在同样位置且主瓣指向这一点所需的总功率 P 的比值。即：D0P0P 方向性系数D0也可以表示为方向性天线的等效开口面积A 与无方向性天线的等效开口面积24的比值。即：D0A（2/4）4A2 2、天线效率天线效率 当天线将馈线传输来的电磁功率转换为自由空间电磁波的辐射功率时，必然存在天线损耗。反之亦然。把天线的辐射功率P和输入功率PI之比称为天线效率，用表示：PPI 显然，天线效率越高，天线损耗越小。3、天线增益天线增益 天线增益是描述天线方向性和效率的一个重要参数。天线增益定义为：在空间某点获得相同场强的条件下，理想无方向性天线的输入功率Pino与该天线输入功率Pin之比，用G表示。即：GPinoPin（D）2 式中：为天线效率；为工作波长，单位为米；D 为天线直径，单位为米。由天线增益的公式可知：天线的增益与天线的直径的平方成正比，所以增加天线的直径可以增加天线的增益；天线的增益与效率成正比，提高天线效率的措施是天线面和馈源的加工精度。同一个天线，工作频率越高，天线增益就越大。4、天线阻抗天线阻抗 天线阻抗是指从天线输入端口向天线看去的输入阻抗，它是天线输入端的电压与电流之比。实际中，常常使用驻波比或反射系数来表示天线与馈线的匹配情况。5、天线的噪声温度天线的噪声温度 天线的噪声可分为内部噪声和外部噪声。内部噪声是指由反射面和馈源损耗所引起的噪声，噪声的降低主要依靠设计生产和安装调试中提高精度来实现。外部噪声是指天线所处环境中进入天线的噪声。通常有大气层和天体所产生的噪声、地面的热辐射噪声等，这些噪声进入天线，提高了天线的等效噪声温度。所以在实际工程设计中，应注意地面站站址的选择，天线的选购。6、频带特性要宽频带特性要宽 C、KU波段卫星广播电视具有 500 MHZ带宽，为了能收看到所有的节目，要求天线系统也必须具备良好的 500 MHZ的宽频带特性。7、极化可调极化可调 由于卫星转发的电视信号可采用圆、水平、垂直极化方式，如果发射与接收天线的极化方向不匹配，就会影响接收效果，甚至接收不到信号。所以卫星接收天线的极化方式应该和卫星所发射的电磁波极化形式一致，即极化匹配（见本章第四节）。为此要求天线系统线极化和圆极化的变换应方便灵活，以提高天线的适应能力。第二节第二节 卫星接收天线的种类卫星接收天线的种类 在卫星电视接收系统中，除 L 波段接收可采用螺旋天线外，其他波段大多采用抛物面天线。本节主要介绍抛物面天线。抛物面天线由馈源和反射面组成，根据反射面与馈源的相对位置不同，可将抛物面天线分为前馈式、后馈式、偏馈式、多波束天线四类。一、一、前馈式抛物面天线前馈式抛物面天线 1、构成构成 前馈式抛物面天线的结构示意图如下：由图可知，前馈式抛物面天线主要是由旋转抛物面和放置在抛物面焦点上的馈源组成。2、工作原理工作原理 根据几何光学原理，卫星下行辐射电磁波可以看成是与抛物面轴线平行的波束。这一组平行于抛物面端口的平行波入射到抛物面，经抛物面反射后，聚焦到位于抛物面焦点上的馈源，馈源再将电磁波辐射能量转换成高频电流，传输到后续单元。3、特点特点 优点：馈源对空中电磁波的遮挡小、结构简单、成本低、安装调试容易。因此是个人和小范围接收卫星电视节目最常用的天线。但是大口径的前馈式抛物面天线，具有明显的缺点：安装调试高频头不方便，而且高频头位于抛物面焦点处，太阳光有时被聚焦到高频头上，使高频头的温度升高，降低了信号的信噪比，对高频头的可靠性和寿命也有一定影响。所以，在实际工程应用中，当天线口径 D70cm 时，通常使用前馈式抛物面天线，口径再大，应采用后馈式结构。二、二、后馈式抛物面天线（卡塞格伦天线）后馈式抛物面天线（卡塞格伦天线）1、构成构成 后馈式抛物面天线的结构示意图如下：由图可知，后馈式抛物面天线由旋转抛物面主反射面、双曲面副反射面和馈源喇叭组成。主反射抛物面的焦点 F 与副反射双曲面的虚焦点 F1重合，副反射双曲面的实焦点F2通常在主反射抛物面的顶点附近，而馈源的相位中心与副反射双曲面的实焦点 F2重合。2、工作原理工作原理 由图知：主反射面、副反射面和馈源三者共轴。卫星下行电磁波首先被主反射面反射到副反射双曲面上，然后再被双曲面二次反射，并聚焦在位于焦点 F2的馈源上，同相叠加。显然，在后馈式抛物面天线中，馈源和副反射双曲面的组合就相当于普通抛物面天线中安置在焦点 F 的馈源，所以称之为馈源组合。3、特点特点 优点：采用短焦距物面作为主反射面，所以纵向尺寸小；馈源安装在主反射面顶点的背面，既缩短了馈源与 LNA 的距离，减少了传输噪声，又可防止阳光直射，特别适合于热带地区使用；天线效率高，相同增益下，比前馈式口径小，对于大型天线来讲造价较低。缺点：结构复杂；二次反射面对一次反射面造成遮挡损失，所以在小口径天线上应用效果反而较差；制造、安装、调试的技术要求高。三、三、偏馈式抛物面天线偏馈式抛物面天线 为避免前馈式抛物面天线中位于焦点上的馈源，后馈式抛物面天线上副反射面和支撑架对电磁波的遮挡，常采用偏馈式抛物面天线。其结构示意图如下：偏馈式抛物面天线并非将馈源装偏，而是在抛物面上非顶点处截取一块曲面作为天线的反射面，馈源的相位中心仍然位于原抛物面的焦点上，且馈源的最大接收指向偏馈反射面的中心。优点：由于不存在口面遮挡的问题，使天线的旁瓣特性较好（比前馈改善 10dB），噪声系数较小，阻抗不受反射波影响，具有较好的驻波系数，天线效率高（可达 80%以上）。缺点：极化隔离性较差，结构不对称，加工难度大。偏馈式抛物面天线适合小口径天线的场合，特别适合 KU波段的卫星电视接收。四、四、多波束天线多波束天线 随着静止广播卫星数目的不断增多和国内有线电视系统的迅速发展，采用多焦点抛物面天线，即用一个固定天线同时接收多个电视信号。多波束天线就是采用多焦点抛物反射面通过馈源的定向位移，实现大角度的波束扫描。这种广角特性是有球形曲面的对称性形成的。多波束工作是借助沿焦点曲面安装的多个馈源实现的。其结构示意图如下：多波束天线反射器的焦点分布在一个曲线 AA 上，在此曲面上安装多个馈源用于多波束接收。波束的轴线与各馈源的轴线重合，且有基本相同的增益和方向图。这种天线的每个馈源使用的反射面只是总反射面的一部分。多波束天线的焦点不在一点上，因此天线效率不如单波束天线好；同时多波束天线的制造、安装和调试需要有精度和复杂的技术。第三节第三节 馈源馈源 一、一、馈源的作用和基本组成馈源的作用和基本组成 1、作用作用 在卫星电视接收系统中，馈源作为天线的初级辐射器，是天线的心脏，对天线系统起着至关重要的作用。馈源作为天线的能量转换器，它的作用是将被天线反射面收集的电磁波转换为适合进一步传输的某种方式电磁波。具体一方面对经反射面反射来的电磁波进行整理，使其极化方向一致；另进行阻抗变换，使馈源中由圆波导传播的电磁波变换为高频头中由矩形波导传播的电磁波，从而提高天线效率。2、基本组成基本组成 馈源由馈源喇叭、极化变换器、阻抗变换和过渡部分组成。馈源喇叭馈源喇叭 矩形波导阻抗为 600，而自由空间的阻抗为 377，如果简单的将矩形波导辐射口放置在抛物面天线的焦点，则阻抗不匹配，竟产生很大的反射损耗，形成驻波。若增大波导的各边，形成喇叭，矩形波导阻抗就降低，实现阻抗匹配。因此，馈源喇叭是将开口波导终端逐渐张开而形成的，可以通过改变口径来获得必要的方向图。馈源喇叭是馈源的接收或辐射部分，一般是圆口径并带有波纹槽。馈源喇叭 极化变换器 圆矩波导转换器 极化变换器极化变换器 为解决卫星电视节目日益增多，频道拥挤，邻频干扰的问题，采用极化隔离的方法，即让卫星电视信号采用不同的极化方式，因此地面接收时馈源应相应选择不同极化方式。极化变换器的作用是将线性极化波转换为圆极化波，或将圆极化波转换为线性极化波，以实现极化匹配。阻抗变换和过渡部分阻抗变换和过渡部分 波导型的馈源为获得旋转对称的方向图，常采用圆波导，而高频头的输入端是标准输入矩形波导口，因此要求在馈源的输出端加一过渡段将矩形口和圆形口连接起来，以完成圆波导中电磁波到矩形波导中电磁波的良好传输，从而实现极化匹配和阻抗匹配。矩圆过渡波导段一般采用几个阶梯过渡的变换器，来减小不连续性，来减小驻波，把圆波导的特性阻抗变换为矩形波导的特性阻抗，实现阻抗匹配。二、二、馈源的类型馈源的类型 根据天线结构的不同，可选择的馈源可分为两大类：前馈型馈源和后馈型馈源。前者适合前馈式抛物面天线使用，常见的有环形槽馈源（波纹槽馈源），后者适合后馈式抛物面天线使用，常见的有阶梯喇叭、变张角喇叭、圆锥介质加载喇叭和圆锥波纹喇叭。1、前馈型馈源前馈型馈源 前馈型馈源通常都使用环形槽馈源，其结构如图所示：环形槽馈源由带环形槽的主波导、介质移相器和圆矩波导变换器三部分组成。主波导是一直径为（0.61.1）的一段圆波导，在圆波导上套有一个具有 34圈环形波纹槽的空心圆盘。正确设计波纹槽的槽深 h 和槽宽以及主波导的直径，可在口面处形成轴对称的波束和固定的相位中心，降低旁瓣的电平，从而对抛物面形成均匀的照射，使能量的泄漏减小。一般设计时，槽宽4，槽深 h 为42，槽的形状有三角形、矩形和梯形。介质移相器是由移相介质片按一定方向插入在圆波导中构成，当传输电波经过介质片时，改变一定的相移量，从而使电波完成极化的变换作用。圆矩波导变换器是一段具有几个矩形阶梯的，由圆波导向矩形波导过渡的过渡波导段，通过它起到阻抗匹配及电波模式转换的作用。2、后馈型馈源后馈型馈源 角锥和圆锥喇叭角锥和圆锥喇叭 将矩形波导水平或垂直方向扩展而成的角锥喇叭，用于接收水平或垂直的线性极化电磁波。角锥喇叭也可将波导向互相垂直的两个方向扩展，则能同时接收方向极化电磁波，然后在后续的馈源波导中用极化分离器