卫星地面站 | 讲讲天线的那些事

东莞理工学院卫星地面站建设已经接近尾声，许多人好奇地面站“白色的大足球”是什么？足球里面又是什么？

东莞理工学院卫星地面站天线罩

  其实白色足球是天线罩，是为了保护里面的天线。

  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，天线的性能直接影响到卫星通信的质量、效率和可靠性，是卫星地面站实现远距离、高速度、大容量通信的关键设备。

天线罩

  天线罩的材料以透过率好的玻璃纤维为主材，在电气性能上具有良好的电磁波穿透特性，机械性能上能经受外部恶劣环境的侵扰，罩子里还配套安装着可以有效控制温、湿度的空调设备。

  天线罩还可以保护天线设备免受自然因素的侵袭，发生故障时，维护人员可不受外界环境影响开展维护抢修。

天线类型

  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。天线可以根据不同方法进行分类。

  反射面的数量：双反射面天线，单反射面天线；

  馈电方式：正馈天线，偏馈天线；

  频段：单频段天线，多频段天线；

  反射面的形状：平板天线，抛物面天线等；

  以下是对常用天线类型的总结：

01.抛物面天线

  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。

02.卡塞格伦天线

  卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成。

03.格里高利天线

  格里高利天线也是一种双反射面天线，也由主反射面、副反射面及馈源组成，它的副反射面是一个椭球面。

04.环焦天线

  环焦天线由主反射面、副反射面和馈源喇叭三部分组成，主反射面为部分旋转抛物面，副反射面由椭圆弧CB绕主反射面轴线OC旋转一周构成，馈源喇叭位于旋转椭球面的一个焦点M上。

05.偏馈天线

  将馈源和副反射面移出天线主反射面的辐射区，这样就不会遮挡主波束，从而提高天线效率，降低旁瓣电平。

静中通偏馈格里高利天线

06.双频段天线

  双频段天线是一种能够同时工作在两个不同频段的天线。这种天线通常用于无线通信系统，可以同时接收和发送两个频段的信号。

  实现双频段天线常见的方法是采用双频段滤波器。这种滤波器可以同时过滤出两个不同频段的信号，然后通过天线进行辐射和接收。

天线跟踪卫星方式

  地面站天线对卫星的跟踪有手动跟踪、程序跟踪和自动跟踪三种方式。最常用的是自动跟踪方式。

  手动跟踪：根据已经计算好的卫星轨道随时间变化的数据，通过人工操作来调节天线方向使信号强度达到最佳。

  程序跟踪：将预知的卫星轨道数据和天线指向角度数据编成时间程序，然后通过计算机来调整天线指向。实际上，由于地球本身的密度不均匀等因素的影响，一般很难计算出长时间的精确轨道数据。

  自动跟踪：卫星不断地向地面站发射一个信标信号，地面站跟踪接收机收到卫星的信标信号后，如果天线轴是对准卫星的，跟踪接收机就没有误差信号输出。反之，当天线轴偏离卫星方向时，天线中就会产生一个与偏离角度（方位角和仰角）成正比的误差信号，跟踪接收机将误差信号转变为直流控制信号，进而控制天线驱动装置，使天线做一个起始的小角度转动，然后比较转动前后接收到的信标电平的高低，若电平增高了，则天线下一次继续朝该方向转动，反之朝相反方向转动。这种过程在天线的俯仰和方位两个方向上交替持续进行，以使天线一步步地趋近接收信号峰值，进而调整天线的指向。

天线口径

  天线口径是天线反射面直径的度量，通常以米（m）为单位。它直接影响天线的增益、分辨率和信号接收能力。

小口径天线（< 3米）

  应用：主要用于移动通信、卫星电视接收、低分辨率雷达成像等。

  特点：便于安装和移动，但信号接收能力和分辨率较低。

0.75米Ku波段正馈手动便携天线

中口径天线（3-10米）

  应用：用于商业通信、气象卫星接收、一般性数据通信和中分辨率雷达成像等。

  特点：较好的信号接收能力和平衡的性能，适用于大多数应用场景。

  东莞理工学院卫星地面站极轨卫星接收天线为7.5m口径，可以应用于卫星通信、气象数据接收、中分辨率雷达成像、科学研究等。

7.5米口径天线

大口径天线（> 10米）

  应用：主要用于深空通信、高分辨率遥感、地球观测、军事应用等。

  特点：高增益和高分辨率，但成本高、占地面积大，需要复杂的基础设施支持。

亚洲最大单口径天线——深空之瞳，70米口径的高性能天线——GRAS-4天线

接收频段

  卫星通信工作在微波频段，其频率范围为1GHz~40GHz。

  按照频段，可划分：L、S、C、X、Ku、K、Ka。不同的频段对应的用途也不同，其中K频段由于处于大气吸收损耗影响最大的频率窗口，不适合于卫星通信。

• L波段（1-2 GHz）：常用于移动通信和低分辨率雷达成像；

• S波段（2-4 GHz）：用于气象卫星和航空通信；

• C波段（4-8 GHz）：用于商业通信卫星；

• X波段（8-12 GHz）：常用于军事雷达和高分辨率雷达成像；

• Ku波段（12-18 GHz）：用于卫星电视和数据通信；

• Ka波段（26.5-40 GHz）：用于高带宽通信和高分辨率成像。

旋转模式

  方位角（Azimuth）：天线可以水平旋转，通常范围为0°到360°，以覆盖整个水平面。

  俯仰角（Elevation）：天线可以在垂直平面内转动，通常范围为0°到90°，以覆盖从地平线到天顶的范围。

  极化角（Polarization）：有些天线还可以调节极化角，以匹配不同卫星信号的极化方式（线极化或圆极化）。

其他关键参数

  增益：天线的增益表示天线在某一方向上的集中能力，增益越高，天线的接收能力越强。

  波束宽度：天线波束的宽度表示天线在主波束方向上的集中程度，波束宽度越窄，天线的分辨率越高。

  信噪比（SNR）：天线的信噪比表示天线接收到的信号与噪声的比值，信噪比越高，信号的质量越好。

参考资料

1. 科普 | 地面站天线对卫星进行跟踪的方式有哪些？开运联合

2. 常用的卫星天线，射频小馆

3. 卫星天线为啥戴“帽子”？为了保护每天转来转去的“颈椎”，未来光锥