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浅谈卫星电视基础知识(二)

地面接收系统相关

讲过了卫星转发系统的相关知识之后,接下来让我们谈谈地面接收系统。卫星电视广播信号的地面接收系统通常由连接馈线(同轴电缆)连接室外单元(天线、馈源、高频头等)和室内单元(卫星电视接收机等)而组成。

1、接收天线
(1)天线类型
卫星接收天线处于地面接收系统的最前端,其主要作用就是把来自卫星转发器的电波信号给聚集起来,并转化成为电流传送给高频头。卫星接收天线通常采用抛物面天线,利用无线电波信号跟光相似的特点来反射聚集电磁波,接收天线结构主要由反射面、馈源和支架几部分组成。按照天线反射面与馈源所处的相对位置不同,我们可以把抛物面天线分为正馈天线和偏馈天线两种。
①正馈天线
中心聚集电波的卫星接收天线被称为正馈天线,其天线反射面呈正圆状,馈源位于天线抛物面焦点处。正馈天线适合用来接收C波段信号,通常直径在一米多以上,根据结构不同还可再分为前馈式天线及后馈式天线(即卡塞格伦天线)。前者虽然结构简单,成本较低,但由于馈源正好位于天线抛物面焦点处,当有太阳光照射时可能会被聚集至馈源上,使馈源温度上升。后者则有效避免了阳光照射问题,特别适合在热带地区使用,但由于结构复杂,制造、安装、调试、维护的技术要求也都比较高,所以在个体接收中一般不采用。
②偏馈天线
偏馈天线特别适合接收KU波段信号,一般来说口径较小,通常在一米以下,反射面呈现椭圆。由于馈源安装的位置不在天线反射面的中心线上,所以被称为偏馈天线。而正是因为其馈源不在天线反射面与卫星之间,得以避免了馈源对卫星电波信号的遮挡,所以这种天线的接收效率比较高。由于偏馈天线具有易于安装、节省空间、效率较高等优点,目前正在被广泛应用中。
我们可以清晰地看出偏馈天线的形成原理,正馈天线上有一个由实线勾勒出的椭圆形部分,这个部分实际上就是偏馈天线。偏馈天线是从正馈抛物面天线正上方,以YO线为中心线而切下来的一部分。由于该偏馈天线是从正馈天线上沿YO和XZ线为中心切下的部分正馈天线,所以必然是一个椭圆形,而且这样形成的偏馈天线因为天线边缘均在同一平面上,椭圆形天线面显得十分平坦,所以极易加工和制造。偏馈天线由长轴和短轴组成,长轴即为YO,短轴即为XZ,椭圆形的偏馈天线的有效面积是以短轴为直径而画面的圆形的面积,故我们一般提到的偏馈天线的标称口径都是以短轴长度为准的。偏馈天线同正馈天线一样,天线面上各部分入射电波信号的密度都应该是相同的。
③平板天线
除了传统的抛物面天线之外,我们还可以使用平板天线来接收卫星电视广播信号。抛物面天线是采用一次或两次反射来进行接收的天线,而平板天线则是直接接收的天线,而平板天线则是直接接收的天线,前者的天线面起到反射电波信号的作用,而后者的天线面就是直接接收的天线,两者有着本质的不同。平板天线通常采用微带电路技术,将高频头隐藏在天线内部,目前有振子式和缝隙式等几种,它的特点是体积小、重量轻、风阻小、安装使用方便。

(2)技术指标
要衡量一副天线是好是坏,需要根据一些技术指标来决定,接收天线的主要技术参数和指标大致包括有:增益、方向性、频带宽度和幅频特性等。
增益
天线增益表示天线在特定方向接收信号的能力,它与天线的方向性和效率有关,增益数值越大则天线的方向性越强,天线效率越高。而同一副天线,当工作的频率越高时,其增益也就越大;同样的天线,口径越大,增益数也就越大。可以说,在同等条件下,增益越高的天线接收效果也就越好,当然一锅双星等特殊应用场合除外。
方向性
天线的方向性指的是天线在面对不同方向时表现出的不同增益,即天线是否对某个角度过来的信号特别的灵敏。卫星接收天线在对来自空间中不同方向而强度相同的电波信号进行接收时,其相对接收能力也不尽相同。通常用方向性图、方向系数等表示天线的方向性。由于在水平和垂直两个平面上的接收能力不同,因此要表示一副天线的方向性时,需要有其水平面和垂直面两个方向图才行。我们将在水平面上辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线,有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。全向天线由于其无方向性,所以多用在点对多点通信的中心台如电视发射台。而定向天线由于具有最大辐射或接收方向,因此能量集中,增益相对全向天线要高,适合于远距离点对点通信如卫视接收,同时由于其具有方向性,抗干扰能力比较强。
频带宽度、幅频特性
任何接收天线都是需要工作在一定的频率范围内。我们规定天线输送到馈线的功率下降到最大输出功率的一半时,所对应的频率范围称为天线的频带宽度。在此频带宽度内,天线的各种技术参数指标(增益、方向性等)其中保持不变。而接收天线对信号增益随频率变化的关系则称为天线的幅频特性。即使频带宽度很宽,如果接收天线的幅频特性不好,那么在某些频点工作时天线一样不一定好用。所以接收卫星电视广播信号要求接收天线应该具有高增益、高效率、宽频带、幅频特性好等特性。

(3)口径选择
在接收卫星电视广播信号之前,需要先选择好适当的接收天线。比如:接收C波段信号,需选用正馈的大口径的接收天线,而接收KU波段信号,需选用偏馈的小口径的接收天线。之所以作出这样的选择,理由很简单,从我们前面的介绍就可以看出,同样用来接收KU波段信号的小天线,如果尺寸相同的话,则偏馈式接收天线比正馈式接收天线的增益要高,因此我们理所应当的选择小口径偏馈接收天线。
在决定好使用正馈还是偏馈天线之后,接下来我们就要根据想接收的卫星的场强覆盖图,查得欲接收地点所处区域的EIRP,以此来挑选接收天线的具体口径大小。上次已经说过,EIRP值越大,我们可以选择接收天线的尺寸就越小,而EIRP值越大则我们可以选择接收天线的尺寸就越小。除此之外,天线口径的选择与想要接收信号的载噪比C/N也有关系。
一些特殊地区,比如风力较大的地区,还可以考虑到自身所处地理环境的相特点,选择网状天线等适合自己的接收天线。

(4)安装调试
卫星接收天线的安装位置选择首先需要注意以下几个问题:
①无遮挡:在天线指向卫星的范围内,应当没有高大的建筑物、树木、山峰等遮挡。一般认为,天线指向周围遮挡物的连线与天线指向卫星的连线之间的夹角应大于5°;
②无干扰:接收天线安装的位置应当避免与其他电磁场干扰,远离微波站、雷达站等干扰源。特别是C波段卫星电视广播信号的接收,有时会遇到地面微波信号的明显干扰。最简单的办法是变换天线的安装位置,利用高大建筑物挡住干扰,或者天线附近设置金属网,对消除干扰也有一定的效果;
③近距离:安装接收天线时应注意天线不要离接收机太远,否则馈线太长会影响接收质量,使得信号衰减过大影响接收效果。一般来说,馈线长度越短越好,以不超过100米为宜,并应选择性能较好的同轴电缆。
  在正式实施安装之前,还须根据想要接收的卫星的经度和接收地点所处的经纬度来确定接收天线的仰角、方位角(即天线的指向),并使天线迅速对准卫星。在知道了当地的经纬度和卫星定点轨迹之后,要计算接收天线的仰角与方位角,可通过众多卫星天线仰角、方位角、极化角计算软件查到,也可使用卫星接收机中的角度计算功能求出,或者根据右面的图1查得,方法众多,这里不再累述。求出方位角、仰角,将接收天线调整到合适的位置后,就可以开始调整馈源的极化角和焦距等,以得到最佳的接收效果。
  所谓天线的极化方式,就是指通过改变天线中的极化器以接收不同极化特性的电波信号。如果电波信号在传播过程中其电场强度方向始终在一个平面内则称为线极化波,而当电波信号的电场强度方向围绕传播方向不断旋转的时候,则被称为圆极化波。无论是线极化波还是圆极化波,一般都只有两种极化方式。在线极化波中,当极化方向垂直于地面时,此电波就称为垂直极化波;当极化方向平行于地面时,此电波就称为水平极化波。而在圆极化波中,则可根据电场强度方向旋转方向的不同分为右旋圆极化波和左旋圆极化波两种。
  卫星电波信号的极化特性取决于卫星转发器上发射天线系统的极化特性,接收天线必须具有与之相同的极化方式,才能顺利接收到卫星电波信号的所有能量。改变接收天线的极化方式需要调整旋转天线馈源的极化角。当卫星电波信号采用线极化方式时,调整馈源极化角是保证接收天线接收卫星信号处于最佳接收状态的重要一环。在实际操作中,一般需要转动馈源、高频头,来使卫星接收机上信号强度显示达到最大。圆极化信号则不需要。


 
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