卫星接收系统(卫星天线与高频头)教材课件.ppt
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1、第四章 卫星接收系统 系统组成系统组成:天线、馈源、高频头、卫星接收机、天线、馈源、高频头、卫星接收机、功分器。功分器。卫星接收天线卫星接收天线:工作原理、主要参数、馈源:工作原理、主要参数、馈源高频头高频头:框图、特性参数:框图、特性参数卫星接收机卫星接收机:工作原理、特性参数:工作原理、特性参数功分器功分器:特性参数、无源功分、有源功分:特性参数、无源功分、有源功分 2022-8-17数字卫星广播1补充:接收卫星电视信号的简易步骤1、天线、高频头、接收机、监视器的正确物理链接。(1)安装好高频头(2)电缆连接高频头和卫星接收机的输入口。(3)卫星接收机的输出接监视器。2、设置卫星接收机设置
2、卫星接收机按下菜单设置卫星天线:主要是高频头的本振频率,C波段是5150MHz,Ku波段看高频头上的标识。2022-8-17数字卫星广播2补充:接收卫星电视信号的简易步骤2、设置卫星接收机设置卫星接收机按下菜单设置卫星天线:主要是高频头的本振频率,C波段是5150MHz,Ku波段看高频头上的标识。添加卫星转发器:主要设置下行频率,符号率3、调卫星天线(1)确定卫星的位置:根据经度和纬度确定仰角和方位角。2022-8-17数字卫星广播3补充:接收卫星电视信号的简易步骤3、调卫星(2)细调卫星2022-8-17数字卫星广播44.1卫星接收天线卫星接收天线1、广泛使用的卫星接收天线为反射面天线,由反
3、射面和馈源组成。2、分类:分类:按反射面与馈源的相对位置相对位置分为:前馈、后馈和偏馈天线。幻灯片 3按工作原理工作原理分为:旋转抛物面(前馈天线)、卡塞格伦幻灯片 4、格里高利幻灯片 5、球形反射面天线。3、作用作用:收集电磁波2022-8-17数字卫星广播5格里高利411 工作原理工作原理反射面天线工作原理分析方法:几何光学法几何光学法、口面场积分法、口面电流法。几何光学法几何光学法两个基本出发点:光线沿直线传播入射角等于反射角2022-8-17数字卫星广播10411 工作原理工作原理一、旋转抛物面天线一、旋转抛物面天线 旋转抛物面天线(直径1-4.5米),又称为前馈天线。1、抛物线定义:
4、、抛物线定义:到一个定点(焦点)和一条直线(准线)等距离的点的运动轨迹。2、抛物面形成:、抛物面形成:抛物线沿对称轴旋转一周3、抛物线方程:、抛物线方程:2022-8-17数字卫星广播f抛物线焦距)(42zffy411 工作原理工作原理4、旋转抛物面的四个几何参数:焦距、旋转抛物面的四个几何参数:焦距f、口面直径、口面直径d、口面半张角口面半张角0 0、抛物面厚度、抛物面厚度W。2022-8-17数字卫星广播12几何参数之间的关系式:一、旋转抛物面天线一、旋转抛物面天线411 工作原理工作原理5、旋转抛物面的焦距口径比是天线的一项基本参数。、旋转抛物面的焦距口径比是天线的一项基本参数。f=0.
5、25d 中焦天线中焦天线f小于小于0.25d 短焦天线短焦天线f大于大于0.25d 长焦天线长焦天线f=0.38d 天线性能最好天线性能最好 2022-8-17数字卫星广播13一、旋转抛物面天线一、旋转抛物面天线411 工作原理工作原理6、抛物线的两个重要几何光学性质:、抛物线的两个重要几何光学性质:平行于抛物线对称轴方向入射的射线经抛物线反平行于抛物线对称轴方向入射的射线经抛物线反射后射后一定一定经过焦点经过焦点。证明:证明:=平行于抛物线对称轴平行于抛物线对称轴方向入射的射线经抛物方向入射的射线经抛物线反射后经过焦点时,线反射后经过焦点时,所走路程是相同的所走路程是相同的。证明:证明:20
6、22-8-17数字卫星广播14一、旋转抛物面天线一、旋转抛物面天线准线411 工作原理工作原理7、旋转抛物面天线的工作原理:、旋转抛物面天线的工作原理:天线对准卫星时,卫星发射的电磁波天线对准卫星时,卫星发射的电磁波平行平行于天线的于天线的轴线传播,经反射面反射后同相聚焦。轴线传播,经反射面反射后同相聚焦。同相聚焦两层含义:同相聚焦两层含义:电波传输电波传输距离相同,相位相同距离相同,相位相同;所有反射线都经过所有反射线都经过焦点处聚焦焦点处聚焦。2022-8-17数字卫星广播15一、旋转抛物面天线一、旋转抛物面天线天线的轴线偏离卫星方向,就形成散焦散焦。发射和接收状态相类似 一、旋转抛物面天
7、线一、旋转抛物面天线二、卡塞格伦天线二、卡塞格伦天线1、组成、组成卡塞格伦天线是卡塞格伦天线是双反射面天线双反射面天线。它由主反射面、副。它由主反射面、副反射面和馈源三部分组成。反射面和馈源三部分组成。主反射面主反射面是是旋转抛旋转抛物面物面,副反射面副反射面是是旋转双曲面旋转双曲面。2、主面的、主面的3个几何参数:个几何参数:焦距焦距f、直径、直径d、口面半张角。、口面半张角。3、副面有两个焦点:虚焦点和实焦点。虚焦点的位、副面有两个焦点:虚焦点和实焦点。虚焦点的位置置与主面焦点重合与主面焦点重合。卡塞格伦天线。卡塞格伦天线馈源放置在副馈源放置在副面实焦点面实焦点。2022-8-17数字卫星
8、广播17二、卡塞格伦天线二、卡塞格伦天线二、卡塞格伦天线二、卡塞格伦天线4、双曲线的两个重要几何光学性质:、双曲线的两个重要几何光学性质:对准虚焦点对准虚焦点发出的射线经过发出的射线经过双曲线反射双曲线反射之后之后,必必然经过然经过实焦点实焦点从反射点到两个焦点的从反射点到两个焦点的行程差为常数,行程差为常数,对于电磁对于电磁波来说就是波来说就是相位差为常数相位差为常数。双曲面的作用是将焦点进行搬移。双曲面的作用是将焦点进行搬移。2022-8-17数字卫星广播19三、三、格里高利天线格里高利天线1、组成、组成格里高利天线是格里高利天线是双反射面天线双反射面天线。它由主反射面、副。它由主反射面、
9、副反射面和馈源三部分组成。反射面和馈源三部分组成。主反射面主反射面是是旋转抛旋转抛物面物面,副反射面副反射面是是凹椭球面凹椭球面。2、主面的、主面的3个几何参数:个几何参数:焦距焦距f、直径、直径d、口面半张角。、口面半张角。3、副面有两个实焦点:焦点、副面有两个实焦点:焦点F1和焦点和焦点F2。焦点。焦点F1的的位置与主面焦点位置与主面焦点F重合。重合。2022-8-17数字卫星广播20三、三、格里高利天线格里高利天线格里高利天线有两个实焦点,一个用于发射,另一格里高利天线有两个实焦点,一个用于发射,另一个用于接收。个用于接收。收发共用收发共用通常可以将接收馈源安放在焦点通常可以将接收馈源安
10、放在焦点F1处,由于这个位处,由于这个位置同时也是主面的焦点,因此接收天线就是一个旋置同时也是主面的焦点,因此接收天线就是一个旋转抛物面天线;而发射馈源则安放在焦点转抛物面天线;而发射馈源则安放在焦点F2处。处。2022-8-17数字卫星广播21三、三、格里高利天线格里高利天线三、三、格里高利天线格里高利天线4、椭球的几何光学性质:、椭球的几何光学性质:从一个焦点发出的射线经过凹椭球面反射之后,从一个焦点发出的射线经过凹椭球面反射之后,必然经过另一个焦点。必然经过另一个焦点。从反射点到两个焦点的行程之和为常数,对电磁从反射点到两个焦点的行程之和为常数,对电磁波来说相位为常数。波来说相位为常数。
11、凹椭球面的作用是将发射馈源从焦点凹椭球面的作用是将发射馈源从焦点F2变换到主反变换到主反射面焦点。射面焦点。于是对于发射天线来说,从焦点于是对于发射天线来说,从焦点F2处发出的射线经处发出的射线经过凹椭球面反射之后,同相聚焦在焦点过凹椭球面反射之后,同相聚焦在焦点fI处处(即主面即主面的焦点处的焦点处),然后经过主面反射之后形成平面电磁波,然后经过主面反射之后形成平面电磁波2022-8-17数字卫星广播23四、四、偏馈天线偏馈天线1、前馈天线由于馈源阻挡,后馈天线由于反射面的、前馈天线由于馈源阻挡,后馈天线由于反射面的阻挡,效率降低。阻挡,效率降低。2、偏馈天线截取前馈和后馈天线的一部分构成。
12、双、偏馈天线截取前馈和后馈天线的一部分构成。双反射面的偏馈天线是格里高利型。反射面的偏馈天线是格里高利型。3、偏馈天线存在偏馈角。、偏馈天线存在偏馈角。4、按口面形状,偏馈天线分为椭圆形口面和圆形口、按口面形状,偏馈天线分为椭圆形口面和圆形口面。面。2022-8-17数字卫星广播24五、五、球形反射面球形反射面球形反射面是球面的一部分,可用一副天线同时接球形反射面是球面的一部分,可用一副天线同时接收多颗卫星。收多颗卫星。2022-8-17数字卫星广播25412 主要参数主要参数 天线的主要参数天线的主要参数:增益、方向图、半功率角、等效:增益、方向图、半功率角、等效噪声温度噪声温度一、增益一、
13、增益G1、接收天线增益的定义:、接收天线增益的定义:设从空间各个方向上传来的电磁波场强相同,天设从空间各个方向上传来的电磁波场强相同,天线在某一方向上接收时,向负载输出的功率与一线在某一方向上接收时,向负载输出的功率与一个理想无损耗天线在该处各个方向接收时,输入个理想无损耗天线在该处各个方向接收时,输入到负载中的功率平均值之比。到负载中的功率平均值之比。即:天线增益指定向天线较全向天线对电磁波接收即:天线增益指定向天线较全向天线对电磁波接收能力大的程度。能力大的程度。接收天线增益最大的方向称为天线的最大接收方向。接收天线增益最大的方向称为天线的最大接收方向。2022-8-17数字卫星广播264
14、12 主要参数主要参数 2、表达式、表达式2022-8-17数字卫星广播27)4lg(102AG dB:天线的工作波长 C波段:fo=4GHZ、=0.075m Ku波段:fo=12GHZ、=0.025m:天线的效率A:天线的口面面积天线的口面面积是垂直于电波传播方向上的天线的横截天线的口面面积是垂直于电波传播方向上的天线的横截面面积。天线的口面面积越大,就反映了天线能够截获面面积。天线的口面面积越大,就反映了天线能够截获的电磁波能量越多,因此天线输出电平就越强,天线的的电磁波能量越多,因此天线输出电平就越强,天线的增益也就越高。增益也就越高。一、增益一、增益G412 主要参数主要参数 3、天线
15、的口面效率、天线的口面效率2022-8-17数字卫星广播28天线的优劣就是由天线的口面效率来确定的。天线的口面效率主要依靠测量确定。卫星天线的口面效率受很多因素的影响,馈源的性能对天线的口面效率的影响起主导作用。=507050:合格;60:良好;70:优良4、对圆形口面的卫星天线,增益表达式:(dB)lg10)lg(20dGd:圆形口面的直径一、增益一、增益G412 主要参数主要参数 二、方向图与方向函数二、方向图与方向函数2022-8-17数字卫星广播291、卫星天线的方向图:卫星天线的方向图:反映了天线增益随方向的变化。为了方便,通常采用相对增益的概念来画天线的方向图,相对增益Gr的定义是
16、Gr=G()-GmaxGmax表示最大接收方向上天线的增益,G()表示天线增益随方向的变化。412 主要参数主要参数 二、方向图与方向函数二、方向图与方向函数2022-8-17数字卫星广播302、坐标系内卫星天线的方向图:坐标系内卫星天线的方向图:主瓣主瓣:包含最大接包含最大接受方向受方向旁瓣:其余旁瓣:其余的瓣的瓣后瓣:与主后瓣:与主瓣方向相差瓣方向相差180度度412 主要参数主要参数 二、方向图与方向函数二、方向图与方向函数2022-8-17数字卫星广播313、几个参数几个参数(1)半功率角:)半功率角:衡量主瓣的参数,记为衡量主瓣的参数,记为HP。定义为天线的相对增。定义为天线的相对增
17、益比最大值下降益比最大值下降3dB的点对应的角。的点对应的角。即:只要方向偏离主瓣中心到达半功率角数值的即:只要方向偏离主瓣中心到达半功率角数值的一半,天线的实际增益就要下降一半,天线的实际增益就要下降3dB以上。以上。所以:天线主瓣的中心应该对准接收的卫星。所以:天线主瓣的中心应该对准接收的卫星。412 主要参数主要参数 二、方向图与方向函数二、方向图与方向函数2022-8-17数字卫星广播323、几个参数几个参数(2)旁瓣电平:)旁瓣电平:衡量旁瓣衡量旁瓣(后瓣后瓣)的参数叫做天线的旁瓣电平,记为的参数叫做天线的旁瓣电平,记为SLL。定义是某个旁瓣中心方向上的增益与最大增。定义是某个旁瓣中
18、心方向上的增益与最大增益之间的差。益之间的差。天线的后瓣和旁瓣都反映了天线接收干扰信号的能天线的后瓣和旁瓣都反映了天线接收干扰信号的能力。为有效地抑制干扰,希望天线的旁瓣电平越小力。为有效地抑制干扰,希望天线的旁瓣电平越小越好。天线的旁瓣电平可以有苦干个,对于卫星接越好。天线的旁瓣电平可以有苦干个,对于卫星接收天线来说影响最大的往往是紧靠着主瓣的收天线来说影响最大的往往是紧靠着主瓣的“第第一旁瓣一旁瓣”412 主要参数主要参数 二、方向图与方向函数二、方向图与方向函数2022-8-17数字卫星广播333、几个参数几个参数在我国关于卫星接收天线的国家标准中对天线的第在我国关于卫星接收天线的国家标
19、准中对天线的第一旁瓣电平提出了具体的要求:一旁瓣电平提出了具体的要求:5m直径以上的天线,直径以上的天线,SLL1-14dB;4.5m直径以下的天线,直径以下的天线,SLL1-12dB。(3)天线半功率角的近似计算)天线半功率角的近似计算d:圆形四面天线的直径,单位为m;:天线的工作波长思考:小口径的天线好调还是大口径的好调?由于小口径天线的半功率角比较大,因此在由于小口径天线的半功率角比较大,因此在调整天线的指向时是比较容易的,同时对卫调整天线的指向时是比较容易的,同时对卫星的漂移不太敏感;而大口径天线的情况正星的漂移不太敏感;而大口径天线的情况正好相反,由于其半功率角比较小,故在调整好相反
20、,由于其半功率角比较小,故在调整天线的指向时是比较困难的,且对卫星的漂天线的指向时是比较困难的,且对卫星的漂移比较敏感。出于上述的原因,很多大口径移比较敏感。出于上述的原因,很多大口径的天线,如的天线,如c波段内波段内7m以上的天线通常要安以上的天线通常要安装自动跟踪装置。装自动跟踪装置。412 主要参数主要参数 三、天线的等效噪声温度(三、天线的等效噪声温度(TA)2022-8-17数字卫星广播351、天线的等效噪声温度反映了天线接收下来并传送给匹天线的等效噪声温度反映了天线接收下来并传送给匹配负载的噪声功率的大小。配负载的噪声功率的大小。2、表达式天线送给高频头的噪声功率与天线等效噪声功率
21、的关系:Pn=kTAB(W)k:玻尔兹曼常数 1.3810-23(J/K)B:接收系统带宽412 主要参数主要参数 3、天线等效噪声温度的测量曲线、天线等效噪声温度的测量曲线2022-8-17数字卫星广播36人们经过大量的实际测量发现,尽管影响天线噪声温度人们经过大量的实际测量发现,尽管影响天线噪声温度的因素很多,但其中天线的的因素很多,但其中天线的仰角和工作波长仰角和工作波长两项因素对两项因素对噪声温度影响为最大噪声温度影响为最大。三、天线的等效噪声温度(三、天线的等效噪声温度(TA)413 馈源馈源 用于发射时,馈源系统将功率转化为电磁波。用于发射时,馈源系统将功率转化为电磁波。用于接收时
22、,馈源系统将电磁波转化为电功率。用于接收时,馈源系统将电磁波转化为电功率。2022-8-17数字卫星广播37复习:复习:反射面天线是由反射面和馈源两部分组成的,而馈反射面天线是由反射面和馈源两部分组成的,而馈源本身就是一副小型天线。源本身就是一副小型天线。卫星接收天线使用的馈源大多为喇叭天线。卫星接收天线使用的馈源大多为喇叭天线。413 馈源馈源 2022-8-17数字卫星广播38一、喇叭天线与波导一、喇叭天线与波导1、喇叭天线就是波导的开口面逐渐扩大形成的。、喇叭天线就是波导的开口面逐渐扩大形成的。2、波导是矩形或圆形的金属管波导是矩形或圆形的金属管,传播的电磁波称为导行波。,传播的电磁波称
23、为导行波。矩形波导矩形波导的主模为的主模为TE10波,为横电波。波,为横电波。圆形波导圆形波导的主模为的主模为TE11波,为横电波。波,为横电波。3、标准矩形波导内壁的宽边和窄边长度为、标准矩形波导内壁的宽边和窄边长度为2:1。4、矩形波导是线极化的,、矩形波导是线极化的,电场的极化方向为波导的窄边方电场的极化方向为波导的窄边方向向。对调整馈源很重要。对调整馈源很重要。圆形波导基本也是线极化。圆形波导基本也是线极化。5、波导相当于高通滤波器。波导相当于高通滤波器。413 馈源馈源 2022-8-17数字卫星广播396、圆形波导是卫星天线馈源的核心组成部分圆形波导是卫星天线馈源的核心组成部分。圆
24、形波导圆形波导(圆波导圆波导)可以可以发射发射电磁波,同时也可以电磁波,同时也可以接收接收电磁电磁波。由于圆波导的结构是完全对称的,因此它既可以接收波。由于圆波导的结构是完全对称的,因此它既可以接收(发射发射)圆极化波,也可以接收圆极化波,也可以接收(发射发射)线极化波。线极化波。7、圆形波导的不足、圆形波导的不足 圆形波导的开口面又称为圆形波导的开口面又称为波导辐射器波导辐射器,它可以辐射或接收,它可以辐射或接收电磁被,因此是一种最简单的口面天线形式。波导的开口电磁被,因此是一种最简单的口面天线形式。波导的开口面是一种面是一种弱方向性弱方向性的天线,它存在着两个明显的不足之处:的天线,它存在
25、着两个明显的不足之处:由于波导开口面的面积有限,因此其由于波导开口面的面积有限,因此其增益比较低增益比较低。由。由于于波导内的波阻抗与自由空间的波阻抗不匹配,因此在口波导内的波阻抗与自由空间的波阻抗不匹配,因此在口面上存在着比较强的反射波面上存在着比较强的反射波,这样就会影响天线的口面效,这样就会影响天线的口面效率。由于上述的原因,开口波导很少直接作为馈源使用。率。由于上述的原因,开口波导很少直接作为馈源使用。一、波导与喇叭天线一、波导与喇叭天线413 馈源馈源 2022-8-17数字卫星广播408、解决的办法、解决的办法将波导的开口面逐渐地扩大,就形成了所谓的将波导的开口面逐渐地扩大,就形成
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