甘仲民

（解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京 210007）

如第一講所述，天線是輻射和接收空間電磁波的裝置。在衛(wèi)星通信地球站中，微波、毫米波天線通常由主反射面、饋源（喇叭）構(gòu)成，天線是收發(fā)共用的，為此，要通過雙工器來實(shí)現(xiàn)，這些部、器件便組成了完整的天饋設(shè)備。衡量天饋設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)有：工作頻段、天線方向圖、增益、電壓駐波比、噪聲溫度、功率容量、饋源插入損耗、極化方式及有關(guān)性能（極化隔離度、圓極化時(shí)的軸比等）、雙工器收發(fā)隔離度、旁瓣特性等。關(guān)于工作頻段的要求，第一講中已經(jīng)說明，這里對(duì)其余性能指標(biāo)闡述如下。

1 天線方向圖

天線的方向圖表示天線輻射參量（包括輻射功率、場(chǎng)強(qiáng)幅度和相位、極化等）隨方向變化的空間分布圖形，通常是指從遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)點(diǎn)觀察的輻射特性。實(shí)際中我們最關(guān)心的是天線輻射能量的空間分布，由于功率與場(chǎng)強(qiáng)的平方成正比，因此，主要研究輻射強(qiáng)度隨空間方向變化的方向圖。

天線方向圖是一個(gè)三維立體圖形，可用極坐標(biāo)或直角坐標(biāo)來表示。如圖1所示，是某一天線用三維直角坐標(biāo)表示的立體方向圖。

圖1 三維立體天線方向圖示例

工程上一般采用兩個(gè)相互正交的主平面上的方向圖來表示天線的方向性，這兩個(gè)主面稱為E面和H面。E面是通過天線輻射最大方向并平行于電場(chǎng)矢量的平面；H面是通過天線輻射最大方向并垂直于E面的平面。天線方向圖有許多波瓣，其中主瓣（也稱為主波束）為包含輻射最大方向的波瓣，旁瓣是除主瓣外沿其他方向的某一波瓣，通常第一旁瓣是諸多旁瓣中最大的。圖2是直角坐標(biāo)表示的典型的E面方向圖。

圖2 E面天線方向圖舉例

2 半功率波瓣寬度

以輻射強(qiáng)度最大方向?yàn)閰⒖肌⑤椛涔β氏陆狄话耄?dB）時(shí)的波束寬度稱為主瓣的半功率波瓣寬度（HPBW），簡(jiǎn)稱為主瓣寬度或波瓣寬度或波束寬度，如圖2所示。通?？梢杂弥靼陮挾葋肀硎咎炀€輻射是否集中，方向性的強(qiáng)弱。主瓣寬度愈小，方向圖愈尖銳，表示天線輻射愈集中，即方向性越強(qiáng)。

以度數(shù)（°）表示時(shí)，半功率波瓣寬度可通過下式求得：

式中，λ為工作波長(zhǎng)；D為天線口徑。如工作于6GHz（波長(zhǎng)為0.05m）、口徑為10m的天線，利用上式可求得 =0.35°。

3 天線增益

在相同半徑r的球面上，實(shí)際天線輻射最大方向上的功率通量密度與各向同性輻射體的功率通量密度的比值，稱為天線增益。增益 是天線輸入功率的放大倍數(shù)要說明，無線電磁波的功率通量密度定義是指，假想發(fā)射天線位于一球體的中心，從天線向外輻射功率，輻射方向與球體表面垂直，球體的單位表面積上通過的功率。

在面天線中，天線增益是按下列公式計(jì)算：

式中，λ是工作波長(zhǎng)；A是天線面積；ηA是天線效率，是由于天線種種不理想因素所造成。

對(duì)于具有圓對(duì)稱的反射面天線，其增益可用天線口（直）徑（D）表示為

當(dāng)天線面積甚大時(shí)，天線增益是很大的數(shù)值，為方便，常用其分貝數(shù)表示：

由于天線增益是以各向同性天線的輻射功率通量密度為參考的，其單位也表為dBi。

當(dāng)知道天線的口徑和增益值時(shí)，便可通過上面的公式算出相應(yīng)的天線效率，從中得知天線的技術(shù)水平。例如，工作于C頻段、口徑為2.4m的偏饋拋物面天線，已知在6GHz（發(fā)射）、4GHz（接收）的增益分別為41.4dB，38.2dB，利用式（3）可推算得天線效率分別為0.6，0.65，這是此型天線效率的典型數(shù)值。

4 旁瓣電平

天線除主瓣方向的輻射外，在其他方向上也存在輻射，所形成的方向圖稱為旁瓣（見圖2），為了獲得良好的電磁兼容性，避免對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生有害的干擾，也避免其他系統(tǒng)對(duì)地球站自身產(chǎn)生的干擾，旁瓣要盡量低，通常用旁瓣電平（dBi）表示，例如進(jìn)行協(xié)調(diào)和干擾估算用時(shí)，ITU-R對(duì)地球站天線旁瓣要求的建議（適用于2～30GHz范圍內(nèi)的頻率）是

式中，φmin=1°或100λ/D(°)取其中較大者，φ即圖2中的θ。

為方便起見，有時(shí)旁瓣電平也以主瓣峰值為參考。如上面所舉2.4m的偏饋拋物面天線，以主瓣峰值為參考，其第一旁瓣電平為－14dB，表示在4GHz該旁瓣增益為24.2dBi。

5 極化方式及有關(guān)技術(shù)指標(biāo)

如第一講所言，極化是指電磁波電場(chǎng)矢量末端軌跡曲線。在衛(wèi)星通信中，可采用線（垂直或水平）極化、圓（左旋或右旋）極化方式的電磁波傳播方式。電磁波電場(chǎng)矢量末端軌跡曲線，如為直線，便是線極化。其中按電場(chǎng)方向與地表面平行或垂直分為水平或垂直極化，如圖3所示；關(guān)于圓極化波，其定義是：從電磁波的傳播方向看去，電場(chǎng)矢量是順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)畫圓時(shí)稱為右旋圓極化，若是逆時(shí)針的，便稱為左旋圓極化。圖4給出了右旋、左旋圓極化波的示意圖。

圖3 垂直和水平線極化示意圖

圖4 右旋和左圓極化波示意圖

由于某些因素的影響，實(shí)際上我們遇到的多為橢圓極化波，其橢圓度用橢圓長(zhǎng)軸與短軸之比（稱為軸比，真數(shù)或分貝數(shù)）來衡量，軸比越大，偏離圓極化越大。當(dāng)衛(wèi)星天線和地球站天線均工作于橢圓極化時(shí)，將損失部分微波號(hào)功率，稱為極化損耗，最極端的情況是雙方的長(zhǎng)軸相垂直。圖5給出了此情況下所產(chǎn)生的極化損耗。發(fā)射和接收雙方軸比均為2（3dB）時(shí)，可從圖5查得最大極化損耗為0.5dB。為了盡量減少此損耗，應(yīng)將二者的軸比降至1.58（2dB）或更低。此外，也可通過調(diào)整極化變換器以及利用極化跟蹤或補(bǔ)償裝置，使二橢圓的長(zhǎng)焦軸趨于平行。

圖5 橢圓極化最大極化損耗與軸比的關(guān)系

要說明，對(duì)于線極化，當(dāng)?shù)厍蛘窘邮仗炀€的極化方向與衛(wèi)星發(fā)來的電波極化方向不完全一致時(shí)，也將產(chǎn)生極化損耗。

交叉極化隔離度：在利用雙極化的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于在電波傳播過程中可能遇到某些去極化媒質(zhì)（如雨水、電離層等），極化面產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，原本正交的極化波變成了非正交，于是產(chǎn)生了相互干擾。以線極化為例，如圖6所示，假設(shè)有兩個(gè)正交極化信號(hào)同時(shí)傳輸，幅度分別為E1和E2，在通過去極化媒質(zhì)后，兩個(gè)電磁波信號(hào)都含有同極化分量和交叉極化分量。

圖6 極化隔離度的定義

交叉極化隔離度定義為：接收到的同極化功率與交叉極化功率之比，這樣同時(shí)也考慮了接收系統(tǒng)本身所引起的任何附加的去極化影響。由于接收功率與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，所以極化隔離度用分貝表示時(shí)按下式計(jì)算：

或

地球站入網(wǎng)時(shí)，需進(jìn)行極化隔離度的測(cè)試，典型的拋物面型天線的極化隔離度應(yīng)大于30dB，通常是滿足要求的；一些低剖面（輪廓）的動(dòng)中天線，可能極化隔離度較低，如某車載陣列天線的交叉級(jí)化隔離度為15dB（軸向），這難以符合入網(wǎng)要求，是值得注意的。

6 天線噪聲

地球站接收天線收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來的信號(hào)的同時(shí)，還接收到大量的噪聲。其中，有些是由天線從其周圍輻射源的輻射中所接收到的，如宇宙噪聲、大氣噪聲、降雨噪聲、太陽(yáng)噪聲、天電噪聲、地面噪聲等，若天線蓋有罩子則還有天線罩的介質(zhì)損耗引起的噪聲，這些噪聲與天線本身的熱噪聲合在一起統(tǒng)稱為天線噪聲。通常降雨并非每時(shí)每刻都存在，且降雨時(shí)有強(qiáng)度的差異，故天線噪聲一般是按晴空下量度的。天線噪聲與接收機(jī)內(nèi)部噪聲共同組成了接收系統(tǒng)的噪聲，常用等效噪聲溫度來衡量。

7 收發(fā)隔離度

如第一講所述，衛(wèi)星通信地球站天線是收發(fā)共用的，它通過雙工器與收、發(fā)信機(jī)相連接（圖7）。雙工器應(yīng)保證收、發(fā)通道之間具有良好的隔離，以防止發(fā)射機(jī)高電平的功率泄漏到接收機(jī)，否則將阻塞、甚至損壞后者；同時(shí)還要防止接收到的信號(hào)功率泄漏到發(fā)射機(jī)，避免接收功率的損失，以保證接收機(jī)的性能。雙工器由混合接頭和收發(fā)濾波器組成，前者利用了收發(fā)電波極化的正交性，后者則是基于收發(fā)頻段的濾波分隔。

圖7 雙工器的基本組成

舉例：某型地球站最大發(fā)射功率1kW（60dBm），收發(fā)隔離度為85dB，則泄漏到接收機(jī)輸入端的發(fā)射功率最大為-25dBm，這就意味著要求接收機(jī)能承受此功率而不降低性能，更不能損壞。

8 饋線損耗

地球站的發(fā)射機(jī)和微波低噪聲接收機(jī)與天線饋源之間的連接波導(dǎo)和雙工器，存在著損耗，此損耗將導(dǎo)致發(fā)射EIRP的下降和輸入到接收機(jī)功率的損失、接收系統(tǒng)噪聲溫度的增加，G/T值下降。對(duì)接收系統(tǒng)而言，計(jì)算表明，每0.1dB的饋線損耗將增加約7K的噪聲溫度。為了減少饋線損耗的影響，小型地球站如VSAT，微波收發(fā)前端均作為室外單元安裝在盡量靠近雙工器處；對(duì)于大、中型地球站，功放在室內(nèi)，低噪聲接收機(jī)仍安裝在雙工器附近。

9 功率容量

天線饋電設(shè)備連接波導(dǎo)和雙工器，必須能承受發(fā)射機(jī)輸出的大功率，而不導(dǎo)致電擊穿等破壞所能承受的最大功率稱為功率容量。如某型工作于C波段的2.4m天線功率容量為5kW，實(shí)際工作中發(fā)射機(jī)的輸出功率要遠(yuǎn)小于此值，是安全的。

10 駐波比

雙工器與接收機(jī)輸入端、發(fā)信機(jī)輸出端之間，由于阻抗不匹配而引起反射，由此造成的功率損失稱為回波損耗或反射損耗。在不匹配情況下，微波沿傳輸線由入射波與反射波疊加而成行駐波，其幅度分布呈起伏狀，如圖8所示，其波腹與波谷幅度之比稱為電壓駐波比，簡(jiǎn)稱駐波比，用ρ表示。

圖8 行駐波的幅度分布

駐波比ρ與反射系數(shù)模 的數(shù)學(xué)關(guān)系是：

如上述，由于失配造成的功率損失常用回波損耗（又稱反射損耗）[LB](dB)來描述，即入射波功率與反射波功率之比的分貝數(shù)，由此可知它與反射系數(shù)的關(guān)系為

表1 一種C頻段2.4m天線的性能技術(shù)指標(biāo)

表1為一種C頻段2.4m天線的性能技術(shù)指標(biāo)。

[1] 呂海寰，蔡劍銘，甘仲民等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)（修訂本）.北京：人民郵電出版社，1994

[2] 丹尼斯·羅迪.衛(wèi)星通信.張更新等譯.北京：人民郵電出版社，2002

[3] M.I.斯科爾尼克 主編.雷達(dá)手冊(cè).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1978