专利名称：同时接收多星电视的多波束天线的制作方法
技术领域：
本实用新型属卫星信号接收天线。
一般的卫星电视接收天线，不论是前馈或后馈型式，均利用反射曲面主轴聚焦原理，接收沿主反射面主轴入射的电磁波能量。这种卫星接收天线在某一时刻只能针对一颗卫星，接收该颗卫星转发的节目和其他信息。若要接收另一颗卫星上的节目或其他信息时，必须转动天线座架，改变天线主轴的指向。
是否能使天线同时接收两颗或多颗卫星上的节目或信息呢？为此提出多星电视节目同时接收技术并推出达到这一目的的多波束卫星电视接收天线。
在主面为抛物面的前馈式天线上，按一定的规律放置两个馈源时，是否可以接收两个卫星的信号？回答是肯定的，分析如下。如图2所示，设馈源A为原来的馈源，它放置在主轴焦点上，当天线主轴对准某一颗卫星A时，那时，卫星A传送的信号沿主轴方向投射到抛物面上，用几何光学原理解释，射线在P1点入射以后在反射面上产生反射，如射线P1O1，所有射线均汇聚在焦点O1，这个焦点称为主轴焦点。这时馈源的相位中心位于焦点O1上时，就可以良好的接收卫星沿主轴方向传输的能量，这就是一般前馈天线接收卫星的基本原理。
当天线主轴对准一颗卫星时，若有另一颗卫星B的射线传输信号(如图2)与主轴成α交角，用几何光学原理，射线B投射到主反射面的P1点上，经主反射面反射必然沿P1O2方向继续传输。这时所有入射光线汇聚在O2点附近一个区域中，当α角不大时，汇聚区域也较小，根据射线汇聚区域的能量分布，可以找到一个能量较集中的点O2，我们称O2为偏轴区间的视在焦点(见图3)。若在偏轴视在焦点上放置另一个馈源，使其相位中心与偏轴视在焦点重合，馈源轴线与聚焦偏轴重合，经实验证实，该馈源可用于接收卫星B的信号。由于波束斜入射和散焦，偏轴焦点的接收能量，比主焦点接收能量减小，等效于天线增益降低。要在偏轴焦点上获得正常接收，需要通盘考虑卫星位置、入射波束、天线主面形状、接收馈源位置等因素，采用相应的理论分析及适当的技术措施。这就是利用偏轴聚焦原理使一个抛物面天线同时接收两颗卫星信号的基本原理。同理可推得只要空间和间隔允许并且考虑最低接收电平，当放置多个馈源时，可以同时接收多个卫星的信号，上述技术称为多星电视节目同时接收技术，本实用新型就是根据这一设想而研制的同时接收多星电视节目的多波束天线(见图1)。这种多波束天线由座架1、抛物面天线2、阵列馈源3、馈源支架6、高频头4、传输接收装置5所组成。其中阵列馈源含有多个馈源，这些馈源有二种安置方式。第一种安置方式将其中一个馈源调整在主焦点上，其余馈源分别调整在各偏轴视在焦点上，主轴焦点上的馈源的轴线与主轴重合，各偏轴视在焦点上的馈源的轴线分别与对应的聚焦偏轴重合。第二种安置方式将全部馈源调整在各个偏轴视在焦点上，各馈源的轴线分别与对应的聚焦偏轴重合。
我们对馈源置于偏轴位置时的天线口面主瓣波阵面用几何光学方法进行计算，光线从偏轴焦点出发，上部的光线必然比下部的光线超前，在口面上得到一个大致的直线倾斜的相位分布，可见当偏转角不大时，口径平面上的射线分布还比较规律(见图4)，这表明可以利用偏轴聚焦原理，接收斜射电磁能量。
根据卫星电视接收站的组成和上述想法，多波束卫星电视接收站的系统配置如下
图5为独立配置方式示意图，在馈源支架上安装的阵列馈源由两个或多个馈源组成，相应有两个或多个低噪声放大器和下变频器(即高频头)，经放大和一次变频的电磁信号分别经电缆传输直接送卫星接收机，也可以经功分器把载波信号分成若干路再输入卫星接收机。载波信号经二次变频、解调、分离出视频和音频信号，送入监视器，即可接收多个卫星的各路电视节目，实现一个天线同时接收多个卫星多路电视节目的构想。
图6为换向配置方式示意图，在馈源支架上安装的阵列馈源由两个或多个馈源组成，相应的有两个或多个低噪声放大器和下变频器(即高频头)，经放大和一次变频的电磁信号，分别通过电缆联接到同轴开关，经同轴开关选择后送入卫星接收机。
图7为综合配置方式示意图，在馈源支架上安装的阵列馈源由两个或多个馈源组成，这些馈源经波导组合在一起，通过同一个高频头进行放大与一次变频，变频后的电磁信号经电缆传送到功分器，功分器将信号分成若干路，每一路的信号通过移相器后传送到卫星接收机。
上述三种配置方式可以适用于不同情况和不同要求的用户。
安置时注意的几个问题1.偏焦型式接收时性能的影响分析当使用偏焦型式时，接收性能必然受到影响，其中包括增益下降，旁瓣电平升高，轴比改变，等化性能变差等(见图8)。
我们的计算表明，一般当斜射角不大时，增益下降较小，当斜射角增大时，增益有些影响。增益减少的原因之一是因为口径等效接收面变成椭圆形、面积减少(见图9)。
△S＝πr2－πr2cosα其中 r－口面半径α－斜射角△S－接收面积减少量对天线增益的影响量△G
△G＝10(logη (πr2)/(λ2) －logη′ (πr2)/(λ2) cosα)其中η为天线效率，η′为斜射时天线效率，r为天线口面半径，λ为波长。
增益减少原因之二是斜射时天线口面上场的照射分布改变，口面对馈源照射能量截获的口径效率变小。增益下降程度与馈源方向图及焦径比f／d之值有关，若f／d较大，方向性系数下降小些，为此多波束天线应选择较长焦距，经某些天线计算，偏轴±5度以内时，增益下降不会超过0.5dB。
增益减少的原因之三是斜射所造成的散焦。我们的分析表明当斜射角较小时(α＜5°)°，主要是横向散焦，主要反射线汇聚为一条靠近主焦点的直线。当斜射角较大时(α＞10°)，将产生大范围横向、纵向散焦，这时偏轴接收增益损失较多，对接收效果也将明显恶化。另外斜射接收时，天线的波瓣形状改变，当馈源偏焦不大时，方向图变化尚不明显，但可以看到旁瓣一边增大一边减小，当馈源偏焦较大时，旁瓣电平升高很多，有时一边的旁瓣就与主瓣融合。如某一天线横向偏焦0.1λ时，旁瓣升高1.97dB。旁瓣电平升高会增加接收噪声，使信噪比S／N变坏，这是偏轴接收中的一个问题。
分析和实验表明，当波束偏转角小于±5°时，几乎无影响；波束偏转角大于±5°、小于±10°时，有一些影响；波束偏转角大于±10°，有明显影响。
2.馈源安置方式多波束天线的馈源安置方式有两种，一种称为主偏安置方式(见图10)，即把一个馈源安置在主轴焦点上，另一个馈源安置在偏轴焦点上，这种方式由于一个馈源安置在原主轴焦点上，性能变化极少，可以作为主接收器或接收全向辐射功率EIRP较小的卫星信号。另一种安置方式为双偏安置方式(见图11)，即两个馈源均放置在偏轴焦点上，这时两个馈源接收的质量都有影响，但性能的损失由两个馈源共同分担了，可以较平均兼顾两颗卫星的接收质量，当两颗卫星间隔量较大时以这种安装方式较好。馈源偏置时，必须计算偏斜角和偏置量，初步确定馈源安放位置，然后采取必要的技术措施进行细调，最后确定馈源最佳位置，馈源位置的计算可以分两步进行第一步 运用波束偏转因子 记为KK＝ (α)/(θ) θ＝tg－1(δx)/(f)其中 α－波束偏转角θ－馈源偏转角f－焦距 δx－斜轴焦点横偏量参见图12。
波束偏移因子与抛物面边缘照射电平和焦比f／d有关，图13为不同f／d和边缘照射电平时波束偏移因子曲线。从图可见f／d较大时，波瓣偏移因子接近I，因为f／d越大，口径相位偏差越接近于线性律。
第二步 可以借用射线光学及反射定理，由计算机辅助设计实现，计算如下若抛物线方程为y2＝4fx，斜轴视在焦点可由下式计算x′o＝xo＋ (2y0)/(tg(2θ-α)+tg(2θ+α))y′o＝＝ (tg(2θ－α)－tg(2θ＋α))/(tg(2θ－α)＋tg(2θ＋α)) yo解上述方程，可得斜射角为α时，斜轴焦点集，并根据天线汇聚区能量分布，确定视在焦点(x′o，y′o)馈源偏置角θ＝tg( (x10)/(y10) )。
(x′o，y′o，θ)即为斜轴馈源安置数据。根据上述数据可以进行多波束天线的阵列馈源结构设计。图14示意了叉式阵列馈源，它可用于小间隔多卫星的电视接收。图15示意了线式阵列馈源，它可用于大间隔多卫星的电视接收。
3.座架型式的选择单波束卫星接收天线可以选择方位俯仰座架、极轴(时角——赤纬座架)座架、X－Y座架。因为指向空间一个目标时，只要有两根转轴即可。但是，当接收两个或多个目标时，仅靠座架的两根转轴就不够了，考虑到同步卫星的特点，同步卫星置于赤道上空35800公里的轨道上，有一定的间隔量(间隔2.5°)，每一颗卫星均有一定的漂移量，为此指向两颗卫星时，必须克服卫星的漂移，当改变目标指向时，也需要馈源能作相应的调整。
若采用方位俯仰座架，除了改变馈源间隔外(线移动)还必须有一个回转运动。这样多波束馈源的支板必须能在托盘上回转(见图16)。若采用极轴座架时，可以简化馈源的调整，即在改变指向卫星时，只要转动时角轴或调整两个馈源之间夹角(线位移)即可。若采用X－Y座架，转动指向范围较小时，只转动Y轴和线性调整馈源之间夹角便可实现多星指向和跟踪；但转动指向范围变化较大时，需转动两根转轴，同时馈源还要作线性调整和回转调整。
根据偏轴聚焦原理，提出的多星电视接收技术和推出的多波束卫星电视接收天线，明显地提高了天线的利用率，即一个天线可以同时接收多颗卫星上的电视节目，使原来需要买两套或多套天线的用户，只需买一套即可，节省了费用。对于已有天线的用户，只要改装馈源很快可以实现天线的多波束改造。所以应用范围很广。
我们用3.2米口径卫星接收天线进行双馈源接收试验，其中一个馈源用于接收87.5度卫星(我国中央电视台第1套节目和第2套节目、某些省台电视节目均由此卫星转播)和90度卫星均获得良好收视效果。
参考文献〔1〕黄立伟、金志天编，反射面天线，西北电讯工程学院出版社，1986〔2〕A.W.拉奇等主编，天线设计手册，解放军出版社，1988〔3〕叶尚辉、李在贵编，天线结构设计，西北电讯工程学院出版社，1986〔4〕Stan Prentiss，Satellite Communications TAB books Inc。
说明书
图1 同时接收多星电视的多波束天线示意图1 座架2 抛物面天线3 阵列馈源4 高频头5 传输接收装置6 馈源支架图2 抛物主面聚焦示意图图3 偏轴聚焦示意图图4 偏焦发射时波阵面示意图图5 独立配置方式示意图图6 换向配置方式示意图图7 综合配置方式示意图图8 偏焦影响曲线图9 斜射时口面变化示意图图10 馈源主偏安置方式图11 馈源双偏安置方式图12 馈源偏斜有关量示意图图13 波束偏移因子曲线图14 叉式阵列馈源结构示意图图15 线式阵列馈源结构示意图图16 方位俯仰座架中馈源调整示意图
权利要求1.一种由座架1、抛物面天线2、馈源支架6、高频头4、传输接收装置5和阵列馈源3组成的多波束天线，其特征在于阵列馈源含有多个馈源，其中一个馈源安装在抛物面天线的主轴焦点上而其他馈源分别安装在偏轴视在焦点上，或者所有的馈源都分别安装在偏轴视在焦点上。
2.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于每个馈源都联接一个高频头，高频头的输出信号分别通过电缆或者联接到接收机，或者联接到功分器，功分器的输出信号经过电缆分成若干路联接到其他接收机。
3.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于每个馈源都联接一个高频头，高频头的输出信号分别通过电缆联接到同一个同轴线开关器，同轴线开关器输出信号联接到接收机。
4.根据权利要求1所述的多波束天线，其特征在于多个馈源经波导合成连接到同一个高频头，高频头的输出信号通过电缆经功分器、移相器联接到接收机。
专利摘要一种由座架(1)、抛物面天线(2)、馈源支架(6)、高频头(4)、传输接收装置(5)和阵列馈源(3)组成的多波束天线，其特征在于阵列馈源含有2至6个馈源，其中一个馈源安装在抛物面天线的主轴焦点上而其他馈源分别安装在偏轴视在焦点上，或者所有的馈源都分别安装在偏轴视在焦点上。多波束天线能同时接收两颗和多颗卫星上的电视节目。系统配置分独立式、换向式和综合式三种。本卫星天线的利用率高，一个天线可以代替原来的两个或两个以上的卫星天线。
文档编号H01Q25/00GK2070040SQ8920602
公开日1991年1月23日 申请日期1989年4月26日 优先权日1989年4月26日
发明者施浒立, 王鹏, 余庆 申请人:施浒立, 王鹏, 余庆