中星九号平板天线原理介绍一

缝隙式平板天线的问世从前年开始,就断断续续的听说国内有些厂家打算生产制造平板天线。 当时我就想,如果国内能生 产制造出平板天线的话,恐怕要解决不少的技术和工艺问题,要适应国内接收卫星信号的要求,同时制造成本要降下来才行。如果这些问题解决了,再加之国家将要发射电视直播卫星,应该说,这是个很有市场潜力的项目。 没过多久,在去年3月的本刊第八届读者联谊会上,有一家知名厂商在会上讲,他们将生产平板天线,而且很快就要拿出样品。5月我在一次会议上终于见到了国内生产的一种新型平板天线的样 品。小巧的身驱,形状的别样,良好的效果,使我一下子激动起来,我们终于有了国人生产的平板天线了。这是一款有别于以前我们见到过的振子式平板天线,它叫缝隙式平板天线,从样品到成品,又经过了漫漫长路,一年后的今天我们才见到了真正意义上的可以使用的缝隙式平板天线,见题 头图,名叫海域TM平板天线。目前这款缝隙式平板天线外形尺寸是长360mm、宽196mm、厚85mm,为天线和高频头一体化的平板天线,重约1.5kg,增益为30dB,驻波比小于1.5,前后比为31.8dB,接收频率范围有二种,分别是11.712.75GHz(高频头本振频率为10.75GHz)和10.712.75GHz(双本振高频头,本振频率为9.75和 10.6GHz)。这里有人不免会问,这么小巧的天线能接收到信号吗?如果能接收到信号的话,它又相当于多大口径的反射式抛物面偏馈天线呢?我们根据实际接收来看,这面平板天线可以收到卫星EIRP值是52dBW的信号,也就是说这面36cm×19.6cm720cm2平板天线可以接收到卫星EIRP值为52dBW的信号。那么接收52dBW的卫星信号要使用偏馈天线需要多大口径的呢?根据Ku波段偏馈天线口径简便公式:D=10来计算,在EIRP值为52dBW时,使用的偏馈天线口径D=10=1044cm, 按偏馈天线系列产品取值D为45cm,这就是说这面如此小巧的平板天线相当于45cm口径的偏馈天线。我们再近似看看两者的面积:缝隙式平板天线面积为长×宽=36cm×19.6cm720cm2 反射式抛物面天线近似面积为R2=3.14×()21600cm2从两者接收或反射板的面积来看,接收同样是52dBW的卫视信号,平板天线只需要720cm2的天线 面积,而偏馈天线却需要1600cm2的天线面积。显然,使用偏馈天线面积要比使用平板天线要大一倍多。如此结果,只能说明平板天线的效率比偏馈天线效率高多了。 如此高效的缝隙式平板天线内部是什么样子,它又是怎么工作的呢?缝隙式平板天线的工作原理在谈缝隙式平板天线工作原理之前,让我们了解一下有关波导的情况。波导是用金属材料制成的 不同形状,内空外封闭传输信号的腔形导体,它有园波导、椭圆波导、方波导、矩形波导等见图9。目前常用的高频头前端腔体就是一种圆波导,单极化高频头的馈源部分有的就是矩形波导,见图 10。波导实际上就是一种传输超高频信号一微波信号的导线(体),当传输的信号频率低时,可以用普通电线传输。传输信号频率高时,普通电线衰减会很大,就得用电缆传输,电缆的传输衰减要小些。当传输频率再高时,如微波,同时又希望传输的衰减很小,此时就必须用波导来传输了,它的传输衰减非常小,要比电缆衰减小很多。所以在高端产品里,比如通信系统,常用波导传输。同时波导的驻波比好,反射小,可以保证传输的信号绝大部分由入口端传输到出口端。另外,波导又是一 个封闭的传输线,可以完全保证波导内传输的信号不受外界各种干扰,而且也可保证波导内传输的信号不会辐射出波导,从而保证了传输信号的质量和数量。 需要强调的是,波导内传输的微波信号是以场的形式存在的。由此我们知道了波导有如此之多的优越性,它的高质量也要求波导的生产工艺水平很高、生产成本也很高,标准的波导制作工艺严格,内壁加工的光洁度很高,波导很贵,1m波导的价格要数千元, 甚至有的高达万元。如可变椭圆波导,价格就相当昂贵。我们现在使用的低价位高频头中的波导 是很难把它称作波导的,把它称之为粗制滥造的波导决不为过。当知道了什么是波导后,我们再看看波导传输信号的情况。 由于波导内传输的是电磁波,自然在波 导的内壁上会激励出表面电流,在正常情况下,这个表面电流是沿着波导的同一方向流动。 若是在波导上出现了一个小裂缝的话,电流传输受到裂缝的切断,改变了表面电流的流线,如图11。裂缝 受到激励便在裂缝两端产生出电磁场,电磁场沿裂缝的分布呈正弦规律。 这就是说,我们在一些波导上以人为方式开凿出一些有规则的裂缝,波导内电波便可以从缝隙处向外辐射。或者空中的电波从裂缝的缝隙处被有效的吸收到波导里。这个裂缝的大小和规则是 有规律的,相当于前面讲到的振子式平板天线的基本的辐射单元。揭开缝隙式平板天线高效的外衣前面我们谈到了缝隙式平板天线,尺寸很小,却效率很高,这么一小块平板天线竞有如此之高的效率,它究竟是什么结构、什么样子呢? 缝隙式平板天线也是一种如前面所讲振子式平板天线一样的阵列式天线。缝隙式平板天线又可分为谐振式和非谐振式两种。通常我们常用的是谐振式的,因为它的辐射方 向是垂直于平板天线的,便于使用,目前的产品大多属于这一类。非谐振式缝隙平板天线,尚未见到有产品,它最大的好处是可通过改变馈电相位,从而改变平板天线的辐射方向。 这实际上是我们进行天线辐射方向自动化调节一个好办法,但制造这种天线很难很难,这是后话。我看到过一款已申请专利的缝隙式平板天线的结构图,见图12。 这里要重申:该平板天线已申请专利,那就应该受到专利保护。有条件生产的厂家不要仿造,即使照猫画虎造出来,肯定也不能用,因为它有许多工艺和细节技术从图上是看不出来的。从图12上可以看出,这款缝隙式平板天线除去塑料外壳之后,内部由三层金属板构成。 最上一层称 为缝隙辐射层,它是在金属板上面整整齐齐开凿了许许多多的排列有序的裂缝。这许许多多大小一致的裂缝,相当于前面谈到的振子式平板天线的半波振子辐射单元,或者说这每一个小裂缝就 是一个缝隙天线单元。而由这众多裂缝组成的缝隙天线阵就构成了这种平板天线。所以,缝隙平 板天线也是一种阵列式平板天线。如果我们再仔细的探讨一下,这个有规则的裂缝的大小尺寸是多少时,你会发现这裂缝辐射元的 长度恰好等于Ku波段平均波长的二分之一。因此我们说缝隙式平板天线的工作原理仍然符合半波振子天线的理论。我们还看到, 两个相邻的裂缝辐射元的中心之间距离,恰好是半个波长,所以判断这款平板天线 是谐振式缝隙平板天线。它的辐射是由众多的裂缝辐射单元累加的,而且垂直于平板天线。此时平板天线口径上电场的分布是同相的,故又称为匹配的缝隙天线。 缝隙式平板天线的第二层,也就是中间层,我们把它叫做传导层,它是起着将第一层缝隙辐射层的各个裂缝辐射元吸收来的电波信号通过传导层的各个对应“窗口”耦合到第三层波导馈电层或称 之为波导传输层上去。缝隙式平板天线的第三层实际上是与第二层传导层共同构成了波导的传输馈电电路,从而真正成为波导传输层。我们仔细的看看这些波导,基本上是矩形波导,波导的尺寸也严格的符合Ku波 段信号波长规律。同时我们可以看到这些波导的加工工艺要好多了,这样光滑明亮的波导内璧,才能保证电波在波导中传输无反射,驻波比好。 同时我们还会看到,由于裂隙辐射元是并联形式联接的,那么每并联一次便会改变一次传输阻抗,为了匹配联接,只有改变波导的阻抗来解决,所以我们看到每一段的波导的尺寸是不完全一样的, 包括波导的宽窄、高低和长短。这就是通过改变波导尺寸来改变波导阻抗来达到匹配的目的。正是由于信号传输中处处匹配,所以衰减才小。正是由于缝隙式平板天线采用了良好波导来传输信号,使得它衰减小,驻波比好,完全的同相馈电,所以才效率高。缝隙式平板天线与高频头一体化平板天线与高频头一体化是大势所趋,无论是振子式的平板天线还是缝隙式的平板天线,现在的产品大部分都将高频头做在平板天线里面,这样的处理,会出现一些新情况:1、高频头和平板天线做在一起,使调节因素全部落到了天线上,无需调节高频头。2、由于极化调节转为调天线,因此高频头只需单一极化。 3、原来的高频头大部分使用在反射式抛物面天线上,所以高频头和馈源一体化的多。目前用在平板天线上,因接收方式改变,一体化高频头便没有使用的必要,所以在平板天线中的高频头是没有馈源的。缝隙式平板天线最大的特点是通过波导来馈电或传输信号,也就是平板天线的输出是通过波导 传送到高频头上去,那么高频头与波导如何联接呢?其实很简单,只要二者之间加一变形波导就可以了。因为现代技术早就实现了方变矩、圆变矩等等变形波导的生产。不过尽管这样,仍要注意 阻抗是否达到真正的匹配。缝隙式平板天线的技术指标与反射式抛物面天线一样,以海域牌这面小平板天线为例,我们也来看看缝隙式平板天线的技术 指标。1、适用的频率范围。也就是这面天线可以接收的卫星信号的频率范围,有两种:一种是内置单本 振高频头的本振频率为10.75GHz的,适用接收的卫星信号频率范围是11.712.75GHz,带宽为1.05GHz。 还有一种是内置为双本振高频头的本振频率为9.75GHz和10.6GHz的,适用接收的卫星信号频率范围是10.7512.75GHz,带宽达2.05GHz。虽然看起来后者的带宽比前者宽一倍,适合接收的频带宽得多,很多10和11GHz的信号能接收。但 是,正是由于后者的频带做的很宽,因此它的幅频特性就难以做好,它的带内不平坦度有可能大于前者,结果是有些频点不一定好用。因此建议,没有特殊要求,最好选购前者。2、天线的增益。经过实测,这款海域牌360mm×196mm×85mm的小缝隙平板天线的平均增益是 30dBi。3、驻波比。大家对驻波比可能比较生疏,它表述的是电信号在传输中是否全部传输到达终点的 一个指标。我们知道,电波在传输中,希望将入射电波全部传输到输出口。但实际上,传输中处处都可能有阻挡,有阻挡就会有反射,因为传输中,任何地方阻抗不匹配或传输导体的粗糙和不光滑, 都会造成电波的反射。因此驻波比是反映电波反射情况的一个物理量。驻波比用表征,P为反射系数=,其中E-为反射波电场值,E+为入射波电场值。 当反射波E-越小,意味着反射系数P越小,驻波比便趋向于1。因为我们可以看出,驻波比越小越好,因此它表示没有反射,表示接收的信号更多的传输到终端。虽然驻波比越小,越趋向于1越好,但不会等于1,这说明这个天线好,能将天线所接收到的信号全部或接近全部传输到下一级上去。这款海域牌缝隙式平板天线的驻波比为1.5。4、噪声。天线的噪声是一个很复杂的问题,通常在无源天线中我们只讨论天线固有的热噪声和引入的天电噪声(仰角噪声),而这里这二种噪声均因这款天线的面积很小可忽略不计。但是由于目前的平板天线又多为天线+高频头而构成一体化平板天线,所以高频头的噪声在此时就成为一体化天线的噪声了。目前这款海域牌平板天线的噪声是0.70.8dB。5、方向性。为了提高天线使用的有效性,将有限的功率集中辐射到有用的地方,通常天线都设计有较强的方向性。一般用天线的方向性系数和方向性图来表征天线的方向性。方向性系数D3.2n,n为缝隙数。天线的方向性图有两类:一是直角座标系的方向性图,一是圆座标系方向性图。见图13,这两张图基本上反映了这款小型缝隙式平板天线的辐射方向特性。从中我们看出,它有较强的辐射方向性。天线的方向性强弱可用半功率角来表示,它是天线方向性图中主瓣上功率下降一半时所对应的 角度。或者从座标幅度为1处下降至0.707幅度值时,所对应的角度值。从实测情况来看,这款平板天线的半功率角为2.5°左右,从这个数值来看,天线的方向性是很强的。因此它的效率会是很高 的。从这款小平板天线的半功率角看出,发烧友的“一锅多星”也可以实现,不过要求双星的轨位最多 只能相差2.5°,超过2.5°的两颗卫星无法兼收的。由此也可以推断,反射式抛物面天线凡是能实现 一锅多星的,其半功率角都很大,说明这种天线的增益和方向性与效率以及聚焦都不是很好。6、效率。这是平板天线的一个很重要的技术指标,鉴于天线厂家没有提