衛星地面站的天線

 

本篇文章主要介紹天伺饋分系統中的天線子系統，它的主要作用是收集由衛星發射的微弱無線電信號以及將包含控制命令和數據的無線電信號發送給衛星，並盡可能去除雜波信號；一般來說，天線口徑越大，信號越強，接收質量越好。

為了獲得高增益，衛星地面站所采用的天線一般是拋物面天線。拋物面天線是指由拋物面反射器和位於其焦點上的照射器(饋源)組成的面天線。通常采用金屬的旋轉拋物面、切制旋轉拋物面或柱形拋物面作為反射器，采用喇叭或帶反射器的對稱振子作饋源。拋物面天線是一種單反射面型天線。

衛星地面站的天線廣泛采用雙反射面天線（主反射面、副反射面），常見的雙反射面天線有卡塞格倫天線、格里高利天線、環焦天線。

 

卡塞倫格天線

卡塞格倫天線由三部分組成，即主反射器、副反射器和輻射源。主反射面為旋轉拋物面，副反射面為旋轉雙曲面。通俗來講，如果把主反射面看成一口“鍋”，把副反射面看作是一個“碗”。那么卡塞格倫的“碗”口向上，與“鍋”面同向安裝。

卡塞格倫天線原理圖

 

特點

卡塞格倫天線相對於拋物面天線來講，它將饋源的輻射方式由拋物面的前饋方式改變為后饋方式，這使天線的結構較為緊湊，制作起來也比較方便。另外卡塞格倫天線可等效為具有長焦距的拋物面天線，而這種長焦距可以使天線從焦點至口面各點的距離接近於常數，因而空間衰耗對饋電器輻射的影響要小，使得卡塞格倫天線的效率比標准拋物面天線要高。但因為卡塞格倫天線是一個雙反射面的天線系統，副反射面、副反射面的支桿以及饋源必然會在主反射面上帶來遮擋影響，這使得卡塞格倫天線副瓣抬升、增益降低。

 

應用

大口徑天線（10米以上）使用卡塞格倫天線較多，如下圖所示中國遙感衛星地面站、深空探測站等。

 

格里高利天線

格里高利天線也是一種雙反射面天線，也由主反射面、副反射面及饋源組成。與卡塞格倫天線不同的是，它的副反射面是一個橢球面。如原理圖所示：副反射面碗口向下，就像倒扣在鍋面一樣。

格里高利天線原理圖

 

特點

饋源置於橢球面的一個焦點F1上，橢球面的另一個焦點F2與主反射面的焦點重合。格里高利天線的許多特性都與卡塞格倫天線相似，不同的是橢球面的焦點是一個實焦點，所有波束都匯聚於這一點。卡塞格倫天線的主反射面可以是淺拋物面，也可以是深拋物面，而格里高利天線只能用淺拋物面作為主反射面。當兩種主反射面焦距相同時，格式天線的縱向尺寸比卡式天線大。

 

應用

因其效率較低，在衛星地面站應用較少。

 

環焦天線

環焦天線的主反射面為旋轉拋物面，副反射面母線為橢圓或雙曲線。從平面圖來看，副反射面雙碗倒扣，就像雙手在“比心”。

環焦天線原理圖

 

特點

環焦天線焦點軌跡是一個圓環，環焦天線在衛星地球站天線中有獨特的地位，特別是在中小型地面站天線中。用這種天線可以克服作為初級饋源的波紋喇叭所引起的遮擋大於副鏡造成的次級遮擋的缺點。

 

應用

一般固定測控站和機動測控站天線均采用環焦天線。環焦天線有如下優點：饋源安裝於副面反射場照射不到的地方，消除了副面反射場對饋源性能的影響，降低了天線的電壓駐波比，可以獲得較好的圓極化軸比；饋源喇叭與副反射面可以靠得較近，副反射面直徑較小，減小了副反射面對天線口徑的遮擋。

 

未來的商業航天測控站

未來，商業航天測控地面站將向小型化、高頻段、超寬帶、多波束趨勢發展。小型化主要是天線口徑逐步變小，測控設備小型化、模塊化，建站將越來越方便快捷；高頻段主要是采用X、Ku、Ka波段，甚至采用太赫茲頻段來進行測控數傳，數據速率將達到百兆或者千兆；多波束是指在未來一副天線可同時測控多顆甚至幾十顆衛星，大大提高測控效率。商業航天建設成本、維護保養成本也會越來越低，性價比也越來越高。

 

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