卫星电视系统技术介绍

卫星电视系统袁同庆安徽师范大学教育科学学院第一章 卫星电视广播系统地面电视广播使用的频段是 VHF和UHF（属于超短波），因此它不可能象中波和长波那样依靠地面传播， 因为大地对 VHF和UHF的吸收作用比对中波和长波的吸收作用大； 同时它也不可能象短波那样依靠电离层对天波的反射来传播，因为 VHF和UHF在电离层的反射很小；它具有与光波相似的特性，只能在视觉范围内传输，又由于地球曲率的原因，只有架设高收发天线才能增加传输距离。因此，地面电视广播的服务范围受到限制。后来，采用微波中继（微波接力）的方式，把收到的信号经过放大、 变频后在转发出去。这样每隔 50KM 左右就要建立一个中继站，形成一个节目传输网。但该方式也存在设备庞大，所需经费、人员较多，传输环节多导致电视质量下降， 在地形复杂的地区和海上不可能建立微波中继站，在服务区内场强分布不均匀（随距离的平方而衰减）等一些缺陷。基于上述地面电视广播存在的不足， 以及随着世界航天技术的发展， 卫星广播业务便应运而生。目前卫星电视节目已成为电视广播系统中不可缺少的重要组成部分。第一节 同步卫星一、 同步卫星轨道电视广播卫星可以看做是设置在高空的一座电视转播台， 为了使地面接收设备能长时间、稳定可靠的接收卫星传送的电视信号， 对卫星的要求很高。 从地球上看，要求卫星的位置在空中应该固定不动，即必须是静止的卫星。实际上，“静止”是相对的，因为地球不停的自转，所以要求卫星绕地球的时间和地球自转一周的时间相等， 即卫星运行的角速度和地球自转的角速度相同， 并且绕行方向也相同。此时在地球上的某一地点观察卫星时， 观察者和卫星是相对静止的， 地面接收站的天线对准卫星之后就可以稳定的进行接收。 我们将这种相对与地球静止的卫星称为同步卫星。为保证卫星和地球之间的同步， 对同步卫星的轨道有严格的限制， 卫星必须处于离地面高度为 35786KM的赤道上空的圆形轨道上。同步卫星在轨道上的位置按如下方法表述：把同步卫星和地心的连线与地面相交的点A称为星下点（星下点都在赤道上），用星下点所处的地理经度来表示同步卫星所在的轨道位置。例如：“亚洲一号”卫星轨道位置为东经 105.5°，通常记作 105.5°E。同时为使赤道上的卫星不相互干扰， 国际电信联盟（InternationalTelecommunicationUnion,ITU）规定赤道上的卫星彼此间应有 3°的间距。二、 卫星电视广播覆盖面积如果卫星发射的波束与赤道相切，可以推算出卫星发射电波的张角为 17.34°，此时卫星辐射的赤道周长最大可达到 18100KM，能覆盖地球表面积的三分之一。因此，只要在赤道上空等距离（ 120°间隔）配置三颗同步卫星，就基本上能覆盖整个地球表面（地球两极附近地区除外） ，从而实现全球的卫星电视广播。实际上，有的卫星电视广播只是为了本国或本地区服务，要求的覆盖面积并不大，卫星的张角只要很小就可以了。例如：德国卫星 TV-SAT张角0.72°～1.62°即可覆盖全国。第二节 卫星电视广播的特点和系统组成一、 卫星电视广播的特点卫星电视广播采用卫星上的转发器来进行电视节目的转播，与地面电视广播相比具有以下优点：1、覆盖面积大，传输距离远一颗位于赤道上空的同步卫星，其星上转发器天线波束的最大张角为 17.34°，能覆盖三分之一的地球表面，它相当于地面上成百上千个微波中继站的信号传输。此外，采用成型波束技术还可以将电波远距离的能量均匀的传送到需要覆盖的地区。2、传送电视信号质量高因地面接收的只是卫星的一次转发信号，没有经过众多的微波中继站的多次转发，所以信号失真小。地面接收点场强均匀，极限情况在服务区内场强只差3～4db，因此无论在城市，还是山区，电视图像质量相差无几。同时，卫星信号自上而下， 不易受山峰和高大建筑物的折射和反射， 可避免发生重影。此外，卫星电视广播频率高，又采用调频制，因此抗干扰能力很强。3、传送节目套数多，信息容量大由于卫星电视广播频段宽，容纳的频道多，可以传送几十套节目。同时，利用卫星转发器还可以实现高清晰度电视广播、静止画面广播、高保真声音广播、传真和数据通信等业务。4、不受地理环境因素影响地面电视信号的传送与广播常常受到地理条件和复杂地形的限制， 例如：边远山区、海洋、沙漠、岛屿无法实现良好的电视覆盖， 而采用卫星电视广播，只要安装卫星电视地面接收站就能很好的收看电视节目。卫星电视广播也存在一些困难和不足之处：1、一次性投资较高，卫星造价高，发射费用大。2、卫星难以进行维护和修理，一旦出现故障，其所覆盖的大面积区域都会受到影响。3、卫星的研制、发射、控制和管理技术要求高，难度大。4、卫星有一定的使用寿命，一般在 15年以内。因为修正卫星位置和姿态的小型推动装置需要消耗燃料，而燃料的储备是决定卫星寿命的重要因素。但随着科学技术的发展，以上问题正在或已经得到很好的解决。二、 卫星电视广播系统的组成卫星电视广播系统主要由上行地球站，广播卫星，卫星接收站及卫星测控站四大部分组成，如图1-1。1、上行地球站上行地球站的主要任务是将电视广播中心的电视节目信号经调频、 上变频和功率放大处理后，通过发射天线发射至广播卫星。 通常将地面发送给卫星的信号称为上行信号，而将卫星传送回地面的信号称为下行信号。 为避免信号之间的相互干扰， 每颗卫星的上行信号与下行信号的频率是不同的。上行站可以是一个或多个，按功能不同可划分为以下三类：⑴上行主站属于固定的卫星电视信号发射中心，除了具有发射电视节目给卫星的主要功能外，也能够接收卫星转发回来的电视信号，用来监测和检验卫星电视信号的传输质量。⑵上行分站与上行主站的主要功能是相同的，主要差异在于分站一般不具备卫星信号监测和遥控功能，它通常是作为主站的备份，当主站出现故障时，由分站完成将信号发送给广播卫星的任务。⑶上行移动站常用于现场采访或现场直播。上行移动站一般安装在专用的卫星电视转播车上，由便于安装和移动的设备组成。2、广播卫星广播卫星是整个卫星广播系统的核心。卫星上的设备主要包括： 转发器、天线、电源及控制系统。其主要作用是接收来自上行站的电视广播信号， 然后由转发器将接收信号变频为下行频率， 经放大后通过卫星天线定向发射给地球上预定的服务区域。卫星上的天线通常是发射和接收共用的，采用抛物面结构，最大直径可达 10M。卫星发射升空后，为减少发射阻力， 天线藏在卫星里面， 当卫星定点后，通过星上控制装置将天线自动展开。 为有效利用广播卫星的辐射功率， 要求天线波束的覆盖区与服务区的地理形状基本一致，因而卫星的广播天线多使用成型波束天线。根据卫星的容量不同，其携带的转发器数量也不同，少则两三个， 多则几十个，每个转发器可传送一路电视信号。例如： “亚洲一号”卫星携带有 24个转发器，“亚洲二号”携带有33个转发器。转发器的输出功率一般在几瓦到几百瓦数量级， 转发器数目越多，消耗的电能越大。卫星依靠太阳能电池板为设备供电。 在卫星飞行中，太阳能电池板必须正对着太阳才能将太阳能转化为电能，所以卫星需要通过小型喷射器来纠正卫星的姿态。3、卫星电视接收站卫星电视接收站的主要任务是接收广播卫星转发的电视节目信号。为以下三种类型：

按使用形式可分⑴个体接收站它适合家庭、个人接收，设备简单，安装方便，价格低廉。⑵有线电视接收站（集体接收站）采用大口径、高增益天线和性能优良的接收设备接收卫星信号，然后变换为 VHF或UHF射频信号，最后送入有线电视系统，供系统内众多用户收看。例如：有线电视用户就是通过该方式来收看中央电视台的多套节目及其他各省电视台的卫星电视节目的。⑶无线电视接收站它接收卫星的下行电视信号供无线电视台或转播台使用。4、卫星测控站卫星测控站可以和上行站在一起，也可以设在不同的地点。其主要任务就是测量卫星的空间轨道位置、姿态、各种工程参数和环境参数。必要时可以通过指令，遥控卫星的姿态和轨道位置，对卫星实施各种功能状态的切换，以保证卫星的正常工作。第三节 卫星电视广播的频段划分一、 卫星通信频率使用的分区国际电信联盟（ITU）在分配卫星通信使用频率时，按地理位置将世界划分为三个区域，见表1-1。第一区包括欧洲、非洲、前苏联的亚洲部分、蒙古、伊朗西部边界以西的亚洲国家第二区包括北美洲、拉丁美洲第三区 包括大洋州、不在第一区的亚洲大部分国家我国属于第三区。二、 卫星电视广播频段划分为了统一使用有限的频率资源， 1979年国际电信联盟对卫星电视广播的频段进行分配，共分为六个频段，分配表如下表 1-2：频段名称频率范围带宽备注（GHZ）地区分配（MHZ）L（0.7GHZ）0.62～0.79170全球与主管部门协商S（2.5GHZ）2.5～2.69190全球共同接收用11.7～12.2500第三区卫星广播业务优先使用KU（12GHZ）11.7～12.5800第一区卫星广播业务优先使用12.1～12.7600第二区卫星广播业务优先使用12.5～12.75250第三区共同接收用Ka（23GHZ）22.5～23.0500第二区、第三区与主管部门协商Q（42GHZ）40.5～42.52000全球卫星广播业务使用V（85GHZ）84.0～86.02000全球卫星广播业务优先使用卫星电视广播已经使用的有 L、S和KU三个较低频段， Ka、Q和V三个较高频段在技术上尚未成熟，目前未使用。需要指出，C频段（3.7～4.2GHZ）原来属于通信频段，主要用于地面微波通信和卫星通信。但目前我国和大多数亚洲国家仍使用 C频段进行卫星电视广播。例如： “亚洲一号”卫星上有 24个转发器，“亚洲二号” 卫星上有 24个转发器，“中星五号” 卫星上有5个转发器均采用 C频段工作。为避免卫星电视广播对 C频段地面通信产生干扰，卫星转发器的功率不允许太大，一般在十几瓦以下。因为C频段卫星接收站容易受微波干扰，所以 C频段的使用只是作为卫星电视广播的过渡阶段。 KU频段是目前卫星电视广播的优选频段，随着高频技术的成熟，应用KU频段实现卫星电视广播的系统越来越多。例如： “中星五号” 卫星上有 6个转发器，“亚洲二号” 卫星上有 9个转发器，均采用 KU频段工作。三、常用卫星电视频道的划分1、KU频段的频道划分第一区和第三区KU频段的下行信号频道分配情况见图1-2，由图可看出第三区KU频段的几个重要参数。频段范围：11.7～12.2GHZ频段宽度：500MHZ频道数：可划分为24个频道单个频道宽度：27MHZ频道中心频率：处于各频道频率范围的中间，也称频道载频。（KU频段各个频道的中心频率见表）载频间隔：19.18MHZ保护带：下保护带为 13.98MHZ，上保护带为 17.88MHZ。留出保护带的目的是保护相邻频段卫星广播不受干扰。由以上参数可知，频道的载频间隔小于频道带宽， 所以相邻频道共有 27-19.18=7.82的重叠部分。为了减少相邻频道的相互干扰， 除间隔使用频道外， 还可以利用相邻频道极化方式的不同，把它们相互重叠的信号分离开来，以避免相互干扰。例如：对 1、3、5、7、9～21、22、24共13个频道采用左旋圆极化波，其余的 11个频道则采用右旋圆极化波。适用第一区

KU

频段的下行信号的频率范围为

11.7～12.5GHZ，频段宽度为

800MHZ，可容纳

40个频道。2、C频段的频道划分频段范围：3.7～4.2GHZ频段宽度：500MHZ频道数：可划分为 24个频道单个频道宽度： 27MHZ频道中心频率：处于各频道频率范围的中间，也称频道载频。（C频段各个频道的中心频率见表）载频间隔：19.18MHZ为避免卫星上、下行信号的相互干扰， 卫星广播系统的上下行信号应采用不同的工作频率，KU频段的上行频率是 12.75～18.1GHZ，C频段的上行频率是 5.725～8.4GHZ。第四节 卫星电视广播的体制一、 基带信号的频谱基带信号是指未经调制的电视信号，即电视节目源在发射端未经调制的信号和卫星接收解调后的信号。卫星电视传送的 PAL-D制基带信号的频谱分布如下图 1-3：图像亮度信号带宽fV=6MHZ色度信号与亮度信号频谱重叠彩色副载波频率fSC=4.43MHZ，色度信号的带宽为1.3MHZ伴音信号fA对伴音载波fS=6.5MHZ调频,伴音信号的频率范围在15HZ～15KHZ之间，伴音调频信号的最大频偏fm=50KHZ。所以整个电视基带信号的频带宽度f为：f=fS+fA+fm=6.5+0.015+0.05=6.565MHZ三、

彩色电视的三种彩色制式目前卫星电视广播使用的彩色制式有很多，常见的有

NTSC、PAL、SECAM

三种。1、

NTSC

制NTSC制，又称正交平衡调幅制。它是将代表彩色图像的两个色差信号 Q、I分别调制在两个频率相同、相位相差 90的副载波上，形成色度信号 F。再与亮度信号 Y、复合同步信号、复合消隐信号叠加形成彩色全电视信号。 NTSC制彩色全电视信号频谱见图1-4：2、PAL制PAL制是在 NTSC制的基础上发展起来的，又称逐行倒相正交平衡调幅制。它是将代表彩色图像的两个色差信号

U、V

分别调制在两个频率同为

4.43MHZ、相位相差90的副载波上，且

V的副载波是逐行倒相

180的。再与亮度信号

Y、复合同步信号、复合消隐信号叠加形成彩色全电视信号。3、SECAM制SECAM制的全称为顺序传送彩色与记忆制，即采用了逐行交替传送两个色差信号，而且两个色差信号分别对两个不同频率的副载波进行调频。以上三种制式对色度信号的处理方式不同，所以彼此之间并不兼容。由于广播卫星上使用的转发器制式不同，为了能接收不同制式的卫星电视节目，可使用多制式彩色电视机，若采用单一制式彩色电视机也可以在电视机前加上电视制式转换器。四、 图像信号的调制方式在地面电视广播中， 图像信号采用残留边带调幅制， 伴音则采用调频方式。 这种调制方式的优点是每个频道占用的频带宽度较窄，有利于提高频率资源的利用率，缺点是能量利用率不高，噪声性能差。由于卫星运载设备不能过于庞大，转发器功率也不可能太高，因此地面电视广播的调制方式不适合卫星电视广播。目前，卫星电视广播有三种调制方式：调频—调频（ FM—FM）制、复用模拟分量（MAC）制、全数字调制。1、调频—调频（ FM—FM）制⑴FM—FM调制方式的原理因为卫星上的转发器不能提供足够大的发射功率， 采用调频制的目的是通过适当增加带宽来换取较小的发射功率，因此卫星电视广播不采用残留边带调幅制。换句话说，在卫星转发器发射同样功率的情况， FM—FM制可通过增加信号带宽，使接收到的信号质量得到明显提高，噪声和干扰显著减少。 FM—FM的调制方式如下图 1-5：在发送端，首先将伴音信号对 6.5MHZ的伴音载波进行调频， 然后将调频后的伴音信号与经过预加重、 能量扩散的图像信号混合， 形成复合全电视基带信号， 对发射波进行再调频，然后经过中频放大、滤波、均衡处理后，送上变频器进行变频，最后以微波频率发射出去。⑵能量扩散卫星电视信号采用调频制， 在没有电视基带信号或仅传送某一固定电平 （如全黑或全白画面）时，发送的调频波功率则不是均匀分布在频带内， 而是集中在载频或某几个固定的频率点上。 从而导致：第一、在能量集中的频率点上会对地面共用频段上的微波通信等业务产生较大的干扰； 第二、因为某几个频率点上信号强度过大， 造成卫星上的放大器工作在非线性状态，由此产生新的频率分量，造成互调干扰。为了克服无调制或单一电平调制， 造成功率集中在载频或某几个固定的频率点上的缺点，通常采用能量扩散措施。所谓能量扩散，就是人为的在视频信号上叠加一个低频三角波， 形成一个复合的基带信号。在没有电视基带信号时，载波仍然受到该三角波的调制，使能量扩散开来。三角形能量扩散信号，以及受三角波调制后的频谱如下图 1-6：由图可见，在三角波调制的频偏范围± fe内，功率密度分布均匀，而在± fe之外，功率密度迅速趋于零。三角波通常与帧频同步， PAL制的三角波采用 25HZ帧频，而且要求三角波顶点与场消隐期中点对齐。在卫星接收机解调后，还需要将基带信号中叠加的三角波去掉，以恢复原来的电视信号，该过程称为去能量扩散。通常可采用叠加反向三角波的抵消法或视频箝位方法来进行去能量扩散。⑶预加重和去加重在上行站的发射端，对调制前的基带信号进行高频分量提升的处理，称为预加重。在卫星接收机的鉴频器后，对基带信号进行降低高频分量的处理，称为去加重。采用预加重和去加重的主要目的是为了减少卫星接收机鉴频器噪声。由于调频信号经过卫星接收机的鉴频，输出后会产生噪声，且噪声幅度与频率成正比。若在系统中加入预加重和去加重网络后，图像与伴音信号在传输过程中仍可以恢复原来的频率特性，而鉴频输出的高频噪声因为只经过去加重网络，而受到很大衰减，由此图像与伴音信号的高频信噪比得到很大提高。2、复用模拟分量（ MAC）制复用模拟分量（ MAC）制是数据分量和模拟分量的时分复用制的调频方式。它将彩色电视的亮度信号与两个色差信号（ U、V）进行时间轴压缩，压缩后在行正程内实现时分复用。亮度信号以3∶2压缩比进行压缩，色差信号以3∶1压缩比进行压缩。传输时，亮度信号每行都传送，两色差信号则每行只传一个，两者逐行交替传输。在行消隐冗余时间内传送声音、数据和同步数字信号。该方式克服了传统三种制式的缺点，可获得高质量的图像和伴音，并且能与未来的高清晰度电视兼容。在MAC制提出后，各国由于采用了不同的数据编码方式，分别提出了A、B、C、D、D2、E等方式。它们对图像信号的处理都是一样的，区别是数字伴音和数据信号与图像信号的复用方式不同。3、高清晰度电视（ HDTV）高清晰度电视 HDTV 的扫描行数是目前扫描行数的两倍，采用逐行扫描的方式。就目前世界上一些国家对高清晰度电视的研究情况，大致可分为三种基本系统：⑴MUSE传输方式—非兼容 HDTV系统MUSE

传输方式是日本的

HDTV

系统。

MUSE

是一种高效的频带压缩技术，其编码器和解码器使用了大量的数字信号处理电路，以是一种数字、模拟混合式的高清晰度电视。⑵HD—MAC制式的HDTV 系统

但最后对射频载波仍采用模拟调制，

所HD—MAC制式是欧洲的 HDTV系统，是欧广联确定以 MAC制式为基础的且逐步想宽屏幕HDTV，HD—MAC过渡。HD—MAC的参数为：1250/50/2∶1/16∶9。⑶全数字式 HDTV系统全数字式 HDTV，比较成熟的系统为 GA系统，它是美国过去各个数字 HDTV 系统的优化组合。该系统支持两种基本的像素阵列 1920×1080和1280×720，这两种像素格式均支持宽屏幕 16∶9，支持 60／30／24三种帧频，因此共可以产生 6中不同可能的扫描格式。视频压缩方式采用 MPEG2标准，伴音采用 Dolly公司的数字声音压缩方案 （即5.1声道杜比AC—3环绕声系统），保证了系统在世界范围内的互换性和可被接收性， 有利于系统的推广。第五节 卫星电视接收系统的组成及质量要求一、 卫星电视接收系统的基本组成卫星电视接收系统通常由抛物面接收天线、 高频头和卫星接收机三大部分组成。 接收天线和高频头安装在室外， 卫星接收机放置在室内为电视接收机提供接收信号。 高频头与卫星接收机通过电缆线相连接。卫星电视接收系统的基本组成图如下图 1-8：卫星电视接收系统的基本工作原理如下：由抛物面接收天线收集从卫星下行的电磁波信号， 并聚焦于馈源上。高频头将馈源送来的卫星微波信号进行低噪声高频放大，经下变频为第一中频信号（ 950～1750MHZ）。然后由同轴电缆送至室内的卫星电视接收机。接收机选出所需要接收的某一电视调频载波进行第二次变频得到第二中频信号， 该信号经过放大、限幅、解调出全电视复合基带信号。最后经视频处理和伴音解调电路输出图像和伴音信号供收看。二、 卫星电视接收系统的主要指标用主观评价方式确定电视图像的优劣， 对应不同图像质量得出的不同等级称为图像等级。图像质量等级分类采用五级评分法，各级所代表的质量状况见下表 1-3：图像S/N等级54321S/N欧广联（不加权）45.536.629.925.423.1(dB)国际无线S/N电咨询委（加权）44.734.730.02721员会(dB)不能觉可觉察噪显著影响显著影响主观评价察干扰声，但不影响收看收看，令收看和噪声妨碍收看人讨厌对于个体卫星接收系统要求不低于3.5级，对集体卫星接收系统的图像质量应不低于4级。通常将卫星接收设备输出的视频信号与杂波的功率比称为视频信噪比（dB）表示。电视图像信号主观评价质量等级 Q与不加权信噪比下式表示：

S/N，用分贝S/N之间的关系可用S/N=23－Q＋1.1Q2例如，达到 4级图像标准，则相应的视频信噪比2S/N=23－4＋1.1×4=36.6（dB）

S/N应为：实际上，人眼对杂波的察觉具有一定的频率特性。 人眼对高频杂波造成的细小麻点不太敏感，而对低频杂波引起的大麻点较为敏感。 不考虑人眼的视觉特性误差的视频信噪比称为不加权信噪比， 考虑人眼的视觉特性后的视频信噪比称为加权信噪比。 按国家标准规定，个体卫星接收设备输出端的不加权信噪比 S/N应不低于 33dB，集体卫星接收设备输出端的不加权信噪比 S/N应不低于 36.6dB。第二章 卫星电视接收天线在卫星电视广播中，天线是电磁波的出口和入口，是实现以自由空间为传播媒介，发射或接收电磁波的装置。卫星电视接收天线是卫星电视接收站的前端设备。它实质上是一个电磁波的收集器，它的作用是将反射面内收集到的、由卫星向地面辐射的、非常微弱的电磁波聚焦，并转换成高频电流，然后传送给后续电路进行处理。因此，卫星电视接收天线是卫星电视广播系统中必不可少的部分，其质量直接影响整个系统的性能。第一节 卫星接收天线的作用和主要性能一、 天线的基本特性1、微波面天线具有几何光学性质由于卫星电视使用的是微波波段。微波的波长很短（0.1mm～30cm），因此微波的传播与光波相似，具有类似光学系统的反射、折射和绕射的性质，也具有类似光线可以会聚的特性。通过一个反射面可以使从卫星下行的电磁波在焦点处会聚，其强度是原来分聚时强度的成千上万倍。用这种反射面作成的天线称为面天线。2、天线收发的互易性天线是用来接收和辐射电磁波的， 因此天线和其他许多换能器 （如发电机和电动机）一样具有可逆性。由于发射天线和接收天线之间几乎没有什么根本性的差别，因此用一副天线无论是用来发射或接收，其基本参量保持不变。二、 接收天线的作用1、能量变换能量变换是指被天线引导的电磁信号与自由空间的电磁波之间的转换。接收天线是把自由空间的电磁波转换为被天线引导的电磁信号（高频电流），然后传送给卫星电视接收机。2、定向作用定向作用是指天线接收电磁波具有一定的方向性。接收天线对所需方向的来波有最大的接收，并且避开其他方向上的干扰波。三、 接收天线的主要性能卫星接收天线的主要性能包括方向性、增益、效率、阻抗、噪声温度等。1、方向性由于赤道上空的卫星间隔很小， 且卫星电视的转发器频率均是按照国际电联的标准设置的，如果接收天线的波束较宽， 必定会给系统造成同频干扰， 因此要求接收天线的波束必须足够窄。 另一方面，为了保证接收天线能在卫星的正常轨道漂移条件下也能稳定地接收信号，要求接收天线的波束又不能太窄。 因此，就对卫星接收天线的方向性提出了较高的要求。天线的方向性通常采用方向图进行详细表述。方向图是指天线的辐射特性（场强、相位、极化）随空间角度变化的曲线。因此天线的方向图通常有场强方向图、 相位方向图、极化方向图，三者中场强方向图最为重要，其余两种非天线专业技术人员很少用到，所以在不作特定说明时，方向图即指场强方向图。显然，方向图应该是三维的，但实际应用中，为表示方便，只画出水平和垂直平面的方向图。下图为某天线的水平方向图：图中画出了各个角度的场强相对值与角度的关系。 反映了天线集中辐射电磁能量的能力，方向图越尖锐，表示能量辐射越集中。通常方向图曲线中有许多峰，每个峰都代表一个波瓣。0°所对应的波瓣叫做主瓣，主瓣具有相对场强的最大值，即主瓣为最大辐射方向。其他波瓣叫做旁瓣，最靠近主瓣的旁瓣叫做第一旁瓣。方向图的主瓣宽度定义为： 主瓣上辐射功率下降为最大辐射方向功率值的一半， 或相对辐射场强下降为主瓣最大值的 0.707倍（即下降 3dB）时，两点之间的夹角宽度，用φ0.5表示。φ0.5越小，说明天线的能量辐射越集中，方向性越强。旁瓣会导致接收系统受其他卫星或其他通信系统的干扰， 因此需要将旁瓣抑制到尽可能的水平，一般要求最大旁瓣比主瓣增益低 15～20dB。通常，一面设计合理的抛物面天线的主瓣宽度可用下式估算：φ0.5＝70λ／D（度）式中：λ为系统的工作波长； D为抛物面天线的直径例如12GHZ的KU波段1米天线的主瓣宽度约为 1.8°。此外，为表示天线在给定方向上集中辐射功率的能力，引入方向性系数 D0。一个方向性天线的方向性系数 D0定义为：在空间给定某点获得相同辐射功率的条件下，无方向性天线辐射的总功率 P0，与方向性天线在同样位置且主瓣指向这一点所需的总功率P的比值。即：D0＝P0／P方向性系数 D0也可以表示为方向性天线的等效开口面积 A与无方向性天线的等效开口面积λ2／4π的比值。即：D0＝A／（λ2/4π）＝4πA／λ22、天线效率当天线将馈线传输来的电磁功率转换为自由空间电磁波的辐射功率时， 必然存在天线损耗。反之亦然。把天线的辐射功率 PΣ和输入功率PI之比称为天线效率，用 η表示：η＝PΣ／PI显然，天线效率越高，天线损耗越小。3、天线增益天线增益是描述天线方向性和效率的一个重要参数。天线增益定义为：在空间某点获得相同场强的条件下，理想无方向性天线的输入功率Pino与该天线输入功率Pin之比，用G表示。即：G＝ino／Pin＝η（πD／λ）2P式中：η为天线效率；λ为工作波长，单位为米；D为天线直径，单位为米。由天线增益的公式可知：天线的增益与天线的直径的平方成正比，所以增加天线的直径可以增加天线的增益；天线的增益与效率成正比，提高天线效率的措施是天线面和馈源的加工精度。同一个天线，工作频率越高，天线增益就越大。4、天线阻抗天线阻抗是指从天线输入端口向天线看去的输入阻抗，它是天线输入端的电压与电流之比。实际中，常常使用驻波比或反射系数来表示天线与馈线的匹配情况。5、天线的噪声温度天线的噪声可分为内部噪声和外部噪声。内部噪声是指由反射面和馈源损耗所引起的噪声，噪声的降低主要依靠设计生产和安装调试中提高精度来实现。外部噪声是指天线所处环境中进入天线的噪声。通常有大气层和天体所产生的噪声、地面的热辐射噪声等，这些噪声进入天线，提高了天线的等效噪声温度。所以在实际工程设计中，应注意地面站站址的选择，天线的选购。6、频带特性要宽C、KU波段卫星广播电视具有500MHZ带宽，为了能收看到所有的节目，要求天线系统也必须具备良好的500MHZ的宽频带特性。7、极化可调由于卫星转发的电视信号可采用圆、水平、垂直极化方式，如果发射与接收天线的极化方向不匹配，就会影响接收效果，甚至接收不到信号。所以卫星接收天线的极化方式应该和卫星所发射的电磁波极化形式一致，即极化匹配（见本章第四节）。为此要求天线系统线极化和圆极化的变换应方便灵活，以提高天线的适应能力。第二节 卫星接收天线的种类在卫星电视接收系统中，除L波段接收可采用螺旋天线外，其他波段大多采用抛物面天线。本节主要介绍抛物面天线。抛物面天线由馈源和反射面组成，根据反射面与馈源的相对位置不同，可将抛物面天线分为前馈式、后馈式、偏馈式、多波束天线四类。一、 前馈式抛物面天线1、构成前馈式抛物面天线的结构示意图如下：由图可知，前馈式抛物面天线主要是由旋转抛物面和放置在抛物面焦点上的馈源组成。2、工作原理根据几何光学原理， 卫星下行辐射电磁波可以看成是与抛物面轴线平行的波束。 这一组平行于抛物面端口的平行波入射到抛物面， 经抛物面反射后，聚焦到位于抛物面焦点上的馈源，馈源再将电磁波辐射能量转换成高频电流，传输到后续单元。3、特点优点：馈源对空中电磁波的遮挡小、结构简单、成本低、安装调试容易。因此是个人和小范围接收卫星电视节目最常用的天线。但是大口径的前馈式抛物面天线， 具有明显的缺点： 安装调试高频头不方便， 而且高频头位于抛物面焦点处，太阳光有时被聚焦到高频头上，使高频头的温度升高，降低了信号的信噪比，对高频头的可靠性和寿命也有一定影响。所以，在实际工程应用中，当天线口径D<70cm时，通常使用前馈式抛物面天线，口径再大，应采用后馈式结构。二、 后馈式抛物面天线（卡塞格伦天线）1、构成后馈式抛物面天线的结构示意图如下：由图可知，后馈式抛物面天线由旋转抛物面主反射面、 双曲面副反射面和馈源喇叭组成。主反射抛物面的焦点 F与副反射双曲面的虚焦点 F1重合，副反射双曲面的实焦点F2通常在主反射抛物面的顶点附近，而馈源的相位中心与副反射双曲面的实焦点 F2重合。2、工作原理由图知：主反射面、副反射面和馈源三者共轴。 卫星下行电磁波首先被主反射面反射到副反射双曲面上，然后再被双曲面二次反射，并聚焦在位于焦点 F2的馈源上，同相叠加。显然，在后馈式抛物面天线中，馈源和副反射双曲面的组合就相当于普通抛物面天线中安置在焦点F的馈源，所以称之为馈源组合。3、特点优点：采用短焦距物面作为主反射面，所以纵向尺寸小；馈源安装在主反射面顶点的背面，既缩短了馈源与LNA的距离，减少了传输噪声，又可防止阳光直射，特别适合于热带地区使用；天线效率高，相同增益下，比前馈式口径小，对于大型天线来讲造价较低。缺点：结构复杂；二次反射面对一次反射面造成遮挡损失，所以在小口径天线上应用效果反而较差；制造、安装、调试的技术要求高。三、 偏馈式抛物面天线为避免前馈式抛物面天线中位于焦点上的馈源，后馈式抛物面天线上副反射面和支撑架对电磁波的遮挡，常采用偏馈式抛物面天线。其结构示意图如下：偏馈式抛物面天线并非将馈源装偏， 而是在抛物面上非顶点处截取一块曲面作为天线的反射面，馈源的相位中心仍然位于原抛物面的焦点上， 且馈源的最大接收指向偏馈反射面的中心。优点：由于不存在口面遮挡的问题，使天线的旁瓣特性较好（比前馈改善 10dB），噪声系数较小，阻抗不受反射波影响，具有较好的驻波系数，天线效率高（可达 80%以上）。缺点：极化隔离性较差，结构不对称，加工难度大。偏馈式抛物面天线适合小口径天线的场合，特别适合

KU波段的卫星电视接收。四、

多波束天线随着静止广播卫星数目的不断增多和国内有线电视系统的迅速发展， 采用多焦点抛物面天线，即用一个固定天线同时接收多个电视信号。多波束天线就是采用多焦点抛物反射面通过馈源的定向位移， 实现大角度的波束扫描。这种广角特性是有球形曲面的对称性形成的。 多波束工作是借助沿焦点曲面安装的多个馈源实现的。其结构示意图如下：多波束天线反射器的焦点分布在一个曲线 AA上，在此曲面上安装多个馈源用于多波束接收。波束的轴线与各馈源的轴线重合， 且有基本相同的增益和方向图。 这种天线的每个馈源使用的反射面只是总反射面的一部分。多波束天线的焦点不在一点上， 因此天线效率不如单波束天线好； 同时多波束天线的制造、安装和调试需要有精度和复杂的技术。第三节 馈源一、 馈源的作用和基本组成1、作用在卫星电视接收系统中，馈源作为天线的初级辐射器，是天线的心脏，对天线系统起着至关重要的作用。馈源作为天线的能量转换器， 它的作用是将被天线反射面收集的电磁波转换为适合进一步传输的某种方式电磁波。具体一方面对经反射面反射来的电磁波进行整理，使其极化方向一致；另进行阻抗变换，使馈源中由圆波导传播的电磁波变换为高频头中由矩形波导传播的电磁波，从而提高天线效率。2、基本组成馈源由馈源喇叭、极化变换器、阻抗变换和过渡部分组成。馈源喇叭 极化变换器 圆矩波导转换器⑴馈源喇叭矩形波导阻抗为 600Ω，而自由空间的阻抗为 377Ω，如果简单的将矩形波导辐射口放置在抛物面天线的焦点，则阻抗不匹配， 竟产生很大的反射损耗， 形成驻波。若增大波导的各边，形成喇叭，矩形波导阻抗就降低，实现阻抗匹配。因此，馈源喇叭是将开口波导终端逐渐张开而形成的，可以通过改变口径来获得必要的方向图。馈源喇叭是馈源的接收或辐射部分，一般是圆口径并带有波纹槽。⑵极化变换器为解决卫星电视节目日益增多，频道拥挤，邻频干扰的问题，采用极化隔离的方法，即让卫星电视信号采用不同的极化方式，因此地面接收时馈源应相应选择不同极化方式。极化变换器的作用是将线性极化波转换为圆极化波，或将圆极化波转换为线性极化波，以实现极化匹配。⑶阻抗变换和过渡部分波导型的馈源为获得旋转对称的方向图，常采用圆波导，而高频头的输入端是标准输入矩形波导口，因此要求在馈源的输出端加一过渡段将矩形口和圆形口连接起来，

以完成圆波导中电磁波到矩形波导中电磁波的良好传输，从而实现极化匹配和阻抗匹配。矩圆过渡波导段一般采用几个阶梯过渡的变换器，来减小不连续性，来减小驻波，把圆波导的特性阻抗变换为矩形波导的特性阻抗，实现阻抗匹配。二、 馈源的类型根据天线结构的不同， 可选择的馈源可分为两大类： 前馈型馈源和后馈型馈源。 前者适合前馈式抛物面天线使用，常见的有环形槽馈源（波纹槽馈源），后者适合后馈式抛物面天线使用，常见的有阶梯喇叭、变张角喇叭、圆锥介质加载喇叭和圆锥波纹喇叭。1、前馈型馈源前馈型馈源通常都使用环形槽馈源，其结构如图所示：环形槽馈源由带环形槽的主波导、介质移相器和圆矩波导变换器三部分组成。主波导是一直径为（ 0.6～1.1）λ的一段圆波导，在圆波导上套有一个具有 3～4圈环形波纹槽的空心圆盘。 正确设计波纹槽的槽深 h和槽宽ω以及主波导的直径， 可在口面处形成轴对称的波束和固定的相位中心， 降低旁瓣的电平，从而对抛物面形成均匀的照射，使能量的泄漏减小。一般设计时，槽宽 ω≤λ／4，槽深h为λ／4～λ／2，槽的形状有三角形、矩形和梯形。介质移相器是由移相介质片按一定方向插入在圆波导中构成， 当传输电波经过介质片时，改变一定的相移量，从而使电波完成极化的变换作用。圆矩波导变换器是一段具有几个矩形阶梯的， 由圆波导向矩形波导过渡的过渡波导段，通过它起到阻抗匹配及电波模式转换的作用。2、后馈型馈源⑴角锥和圆锥喇叭将矩形波导水平或垂直方向扩展而成的角锥喇叭， 用于接收水平或垂直的线性极化电磁波。角锥喇叭也可将波导向互相垂直的两个方向扩展， 则能同时接收方向极化电磁波，然后在后续的馈源波导中用极化分离器将水平和垂直的极化分成两路， 进入各自的低噪声放大器。将圆波导辐射器的开口逐渐张开， 成为圆锥喇叭，的其结构是旋转对称的。 由于它是圆波导扩展而成， 因此既可以接收水平和垂直线极化电磁波， 又可以接收左、右旋圆极化电磁波，然后在后续波导中将其分开。角锥喇叭和圆锥喇叭如下图所示：⑵阶梯喇叭、变张角喇叭、圆锥介质加载喇叭阶梯喇叭、变张角喇叭、圆锥介质加载喇叭是靠在喇叭内壁适当位置造成台阶、张角变化或加介质环，来获得良好的特性。其外形如图所示：阶梯喇叭和变张角喇叭的内壁有几处不连续，在不连续处，喇叭截面的尺寸不同。圆锥介质加载喇叭则是在普通圆锥喇叭加装一段介质环构成。它们结构简单、加工方便，因此得到广泛应用。⑶圆锥波纹喇叭把普通圆锥喇叭的内壁加工成一环一环的环形槽， 就成为圆锥波纹喇叭，如图所示：圆锥波纹喇叭的长度至少为两个波长， 每个波长内有 5个或更多的槽。通过对槽深h、槽宽ω和槽距P的设计，可获得宽频带、低旁瓣电平、高效率、交叉极化分量小等良好特性。一般设计时，槽宽 ω≤λ／4，槽深h≈λ／4～λ／2。圆锥波纹喇叭和普通圆锥喇叭一样， 可以接收线极化波和圆极化波。第四节 极化与极化调整一、 极化的概念1、极化通常是指在与电波传播方向垂直的平面内，电磁波瞬时电场矢量的方向，所以电场矢量的方向即为电磁波的极化方向。电磁波的电场矢量的端点轨迹，就称为极化。XOY平面是与电波传播方向垂直的平面，该平面内的电场矢量均可以用EX和EY两个分量来表示，如下图：E＝EXIX＋EYIY式中：EX、EY是在X、Y上的分量IX、IY是X、Y两个方向的单位矢量

Y由图知：EYEX＝acosωtEY＝bcos（ωt－φ）α式中：a、b为两个分量的振幅OXφ为X和EY的相位差EXE有下列两种情况分别讨论如下：EX和EY同相或反相，故φ可取φ＝0°∴E＝EX2＋EY2＝a2＋b2cosωttgα＝EY／EX＝b／a表明当两分量同相或反相时，合成场的幅度是变化的，而方向保持不变。这种情况称为线极化波。a＝b、φ＝90°E＝EX2＋EY2＝atgα＝tgωt表明合成场的幅度是一常量，不随时间变化，而方向随时间变化。这样合成场矢量端点随时间变化的轨迹是一个圆，称为圆极化波。圆极化波常用左、右旋来描述它的旋向。2、水平和垂直极化波的判断电场矢量投影在与传播方向垂直的平面上的轨迹为直线， 称为线极化。通常把线极化分为水平极化和垂直极化。当线天线垂直于地面放置时， 其辐射波中的电场方向也垂直于地面， 极化方向也与地面垂直。换句话说，即电场矢量的轨迹为一条垂直于地面的直线， 所以称之为垂直极化波。当线天线平行于地面放置时， 其辐射波中的电场方向也平行于地面， 极化方向也与地面平行。即电场矢量的轨迹为一条平行于地面的直线，所以称之为平行极化波。对于来自卫星转发器的电磁波， 如果电磁波的电场矢量方向与卫星运行轨道平面垂直，即为垂直极化波； 如果电磁波的电场矢量方向与卫星运行轨道平面平行， 即为水平极化波。线极化波示意图如下：3、左旋和右旋圆极化波的判断如果电场矢量描绘出的轨迹，沿电磁波传播的方向看过去，构成一个顺时针旋转的圆，则称为右旋圆极化波（简称右旋极化波）。显然右旋圆极化波满足右手定则。如果电场矢量描绘出的轨迹，沿电磁波传播的方向看过去，构成一个逆时针旋转的圆，则称为左旋圆极化波（简称左旋极化波）。显然左旋圆极化波满足左手定则。左、右圆极化波示意图如下：4、极化波的分解与合成两个等幅的线极化波可以合成为一个圆极化波， 其条件是传播方向一致， 且二者在空间正交，两线性极化波之间有90°相差。同理，一个圆极化波可以分解为两个等幅正交的线极化波。一个线极化波可以分解为两个旋转方向相反的圆极化波。同理，两个旋转方向相反的圆极化波可以合成为一个线极化波。二、 天线的极化和频率复用技术1、天线极化天线极化：在主波束轴线上所辐射电磁波的极化，即为电场矢量的方向。天线的极化形式可分为线极化天线和圆极化天线。对于任何可逆天线系统， 辐射和接收时的极化相同， 所以某种特定的天线只能接收相同极化状态的电磁波， 即接收天线必须有与发射天线相同极化且旋向相同的特性， 以实现极化匹配，才能接收全部能量。若部分匹配，如用线极化天线接收圆极化波， 或用圆极化天线接收线极化波， 信号要衰减3dB。这是由于只能接收到分解成的两个正交分量中的一个分量。无论是线极化还是圆极化天线都不能接收它们自己的正交分量。 即水平极化天线接收不到垂直极化波，反之亦然；右旋圆极化天线接收不到左旋圆极化波，反之亦然。接收天线和发射天线极化匹配情况与接收功率的关系见下表：发射（或接收天线）接收（或发射天线）接收功率垂直（或水平）极化垂直（或水平）极化1垂直（或水平）极化水平（或垂直）极化0线极化（或圆极化）圆极化（或线极化）1/2左旋（或右旋）圆极化左旋（或右旋）圆极化1左旋（或右旋）圆极化右旋（或左旋）圆极化02、频率复用技术利用接收天线的极化应和卫星转发器发射天线的极化相匹配的特点，人们提出了频率复用技术。频率复用技术的依据是：右旋圆极化天线只能发射或接收右旋圆极化波，左旋圆极化天线只能发射或接收左旋圆极化波，不同的极化旋向不能互相接收。这样不仅可以降低卫星广播电视系统之间的相互干扰，而且可以有效利用频率资源和卫星轨道。利用卫星转发器发射天线的馈源系统，可以使发射天线只发射出左旋或右旋的圆极化波，就可以实现频率复用。即：两个不同的节目信号，虽然使用共同的频道，却使用不同的极化方式，它们被各自相同极化形式的接收天线所接收，因此一副天线可以传送两套节目。但由于天线本身固有的缺陷以及加工过程中不可能达到理想的程度，极化天线在接收特定的极化波的同时，也能接收异形的极化波。为此对天线提出了极化鉴别度的要求。它要求天线在正对卫星的方向上，要有抗拒不同极化波的能力，至少应衰减25～30dB，即约310～1000倍。3、圆极化波的优点卫星电视广播系统采用圆极化的形式，除了具有频率复用技术的优点外，另一个优点就是它适合卫星转动的情况。因为卫星的自转是圆运动，对圆极化来说是不会改变极化方向的，而对于线极化天线就会有所影响，降低接收图像的质量。此外，圆极化波在穿过雨雾层和电离层时，引入的损耗小。三、极化变换器的结构和原理1、极化变换器的结构90的两个线极化波合成的，极化变由于圆极化波是由两个正交、等幅、相位相差换器的作用就在于用移相器使其中的一个线极化波改变相位。只需将圆极化波中超前（或滞后）90°的线极化波移相，使滞后（或超前）90°，那么两个线极化波将变成同相，合成后成为一个线极化波。合成后的线极化波，空间取向与原来的两线性极化波相差45°，与移相器的空间位置也相差45°。因此，极化变换器的实质就是：消除或增加90°的相位差，所以也称为移相器。一般前馈天线馈源多采用45°介质片移相器，后馈天线多采用螺钉移相器。其结构示意图如下：2、移相器的工作原理移相器的工作原理如下：在圆波导内与矩形波导宽边成 45°角的方向上装上一个介质片（或一排螺钉） ，利用电磁波在空气和介质（或螺钉）中传播的速度差，选择合适的介质片长度 （或螺钉排的长度和插入深度）使相位恰好延迟 90°，就可获得为矩形波导中传输所需要的，与宽边垂直的线极化波。从而实现从圆极化波至线极化波或线极化波至圆极化波的极化转换。四、 极化变换器的调整对于前、后馈天线接收各种极化波，极化器和波导宽边的位置（从高频头的矩形波导口向着馈源的方向看过去）如下图所示：圆形波导由于旋转对称，对电磁波的极化形式没有选择，而矩形波导只允许与其宽边垂直的电场通过，所以波导的宽边必须与电磁波的极化方向垂直。由于卫星下行的电磁波被接收天线的反射面反射后，电磁波的极化方向将发生改变，因此右旋圆极化入射波经一次反射后成为左旋圆极化反射波。所以，当接收右旋圆极化波时，前馈馈源的移相器应放置在接收左旋圆极化波的位置，即135°～315°的位置。而在后馈馈源中， 因经过主、副反射面两次反射， 所以右旋圆极化波仍为右旋圆极化波，所以移相器应放置在接收右旋圆极化波的位置，即 45°～225°的位置。对于接收左旋圆极化波，可根据上述原理将移相器放置在相应位置。对于接收水平或垂直线极化波， 不论是前馈天线还是后馈天线， 只需将矩形波导的宽边与电磁波的极化方向垂直即可。 即接收垂直线极化波时， 矩形波导的宽边与地面平行；接收水平线极化波时，矩形波导的宽边与地面垂直。第五节 卫星接收站的方位角和仰角处于地球表面不同地理位置的卫星接收站接收卫星信号时，抛物面天线指向卫星的方向不同。为了表示卫星天线的指向，我们在水平和垂直两个互相垂直的平面内分别引入方位角和仰角的概念。方位角，指位于地球表面的卫星接收站到卫星的连线到地平面的投影， 与接收站向正南方画的射线之间的夹角， 通常用φ表示。处于北半球的接收站， 卫星方向偏西时取正值，偏东时取负值。仰角，指接收站和卫星的连线与地平面之间的夹角，通常用θ表示，取值范围为0～90°。方位角与仰角的示意图如下：图中S为卫星所在位置，其轨道位置经度为α0，S＇为卫星的星下点，O为地球中心，OS＇为地球半径R。P为接收点，其经度为α1，纬度为γ。α为接收站与卫星轨道的经度差α＝α1－α0（2—1）接收站的方位角、仰角是接收站经纬度和卫星经度的函数。在三角形△SOP中，OP＝R，OS＝h＋R,根据余弦定理可得：d＝R2＋(R＋h)2－2R(R＋h)cosβ（2—2）在球面三角形△S＇AP中，∠A＝90°，根据球面直角三角形余弦定理可得：cosβ＝cosαcosγ（2—3）将（2—3）代入（2—2）式，可得接收站到卫星的直线距离：d＝R2＋(R＋h)2－2R(R＋h)cosαcosγ（2—4）接收站天线的仰角可由下图求得。在直角三角形△SBP中，tanθ＝BP／SB＝(OB－R)／SB分子分母同除以 OS得：tanθ＝[(OB－R)／OS]÷（SB／OS）＝{cosβ－[R／(R＋h)]}／sinβ将R=6370Km，h=35786.04Km代入得：tanθ＝（cosβ－0.15126695）／sinβ在球面三角形△ S＇AP中，根据球面直角三角形余切定理可得：

（2—5）sinγ＝tanαcot所以： tanφ＝tanα／sinγ在实际工程应用中，根据接收站的经、纬度和卫星的经度，首先通过（出经度差α，代入（2—6）求出天线的方位角 φ；根据（2—3）求得

（2—6）2—1）计算cosβ，再代入（2—5）求出天线的仰角 θ。例：设需要在西安建立一个卫星接收站，接收原 IS5号卫星转发的 C波段信号。该卫星位于 66°E，西安的地理位置是东经 108.93°、北纬 34.25°（即108.93°E、34.25°N）。求天线的方位角、仰角和接收距离。方位角φ＝arctan[tan( 108.93°－66°)]／sin34.25°＝ 58.82°仰角θ＝arctan[cos34.25°cos( 108.93°－66°) －0.15126695] ／sin{arccos[cos34.25°cos(108.93°－66°)]}＝29.70°距 离

d＝

35786.04

1＋0.4199929[1－cos34.25°cos(108.93°－

66°)]

＝38649km第三章

高频头与功率分配器第一节

高频头的作用和组成高频头是低噪声高频放大器和下变频器的合称，英文缩写为天线上的馈源安装在一起，属于卫星接收系统的室外单元。

LNB。高频头与接收一、

高频头的作用高频头的作用主要有以下两个方面：1、放大信号由于卫星接收天线馈源收集到的电磁波信号经过远距离传输已非常微弱， 必须先进行放大。高频头采用多级场效应管放大器， 具有较低的噪声系数和较高的增益， 从而有利于提高接收系统的信噪比。另一方面，高频头还将混频器输出的第一中频信号放大， 然后通过电缆线传送给室内单元。2、下变频高频头将天线接收到的高频信号通过变频器变换为第一中频， 以避免因信号频率太高而造成的馈线损耗过大以及高频辐射严重的现象。对于卫星地面接收系统， 卫星接收信号要经过两次降频处理， 而高频头实施的是第一次降频，所以将高频头输出的信号称为第一中频信号。二、 高频头的组成高频头的组成框图如下图：波导微带低噪声镜频第一前置第电缆室内抑制转换头放大器混频器一中放单元滤波器第一本振

直流稳压电源1、波导/微带转换器将波导传送来的微波信号耦合给微带线， 从而将天线接收到的信号馈送给高频头电路。2、低噪声、宽频带放大器放大天线所接收到的微弱的卫星信号。3、镜频抑制滤波器用来抑制外界镜频干扰信号。4、第一混频器和第一本振将卫星微波信号下变频为第一中频。5、前置一中放放大第一中频信号，以补偿电缆传送信号的损耗。6、直流稳压电源电缆线在将高频头输出的第一中频信号送给室内单元时，又由室内单元向高频头馈电，提供高频头所需电源。三、 基本要求卫星接收天线所接收的微弱信号首先是由高频头处理；此外，高频头长期工作在室外，工作环境比较恶劣。所以正确选择高频头，不仅可以保证系统获得高质量信号，还能保证接收时稳定可靠。对高频头性能的基本要求主要有以下几方面：1、噪声温度低噪声系数是指高频头整体的等效噪声，即将整个电路产生的噪声等效为在输入端的一个噪声源，通常用噪声温度表示。接收系统的内部噪声温度越低， 则接收微弱信号的能力越强， 图像质量越好。噪声温度低时，保证相同图像质量所需要的天线口径可减小， 天线造价就会下降。因此，降低高频头噪声是降低卫星电视接收站成本的重要方法。所以，噪声温度应尽量低。对C波段，高频头的噪声温度一般有 35K，30K，28K和25K。2、功率增益高室外单元的主要任务之一就是将输入的微弱信号放大到室内单元所需的电平。所以，设计室外单元增益时应考虑带通滤波器、 第一混频器和高频同轴电缆的损耗。 通常低噪声放大器功率增益可达到（ 40～50）dB，第一混频器的损耗为（－ 10～－60）dB，第一中放的增益为（ 20～25）dB，高频电缆的损耗为（－ 8～－20）dB，故室外单元总增益约为（55±4）dB，通常应大于 45dB。3、本振频率特性好第一本振的本振频率特性包括：第一本振频率的标称值，第一本振频率的稳定度，第一本振频率的泄漏。在室外单元从（－ 40～＋50）℃的工作温度范围里，要求第一本振频率稳定度为－4设本振 fs＝5170MHZ，允许最大频率漂移 f＝±2MHZ，则频率稳定度为 f／fs7.7×10－4。4、输入输出电压驻波比小驻波比过大，输入输出端阻抗不匹配加重，导致载噪比降低，放大器增益不稳定。对室外单元输入端驻波比的较低要求为 2.5～3.5，一般要求≤1.3，相当于回波损耗（－7～－5）dB；对于输出端，驻波比的一般要求为 1.5～2.5，相当于回波损耗（－14～7）dB。5、工作频段内幅频特性好幅频特性是指输入电平恒定，输入信号频率变化时，输出端电平变化的特性。主要包括通频带、功率增益、增益波动及增益斜率。通频带要求高频头的输入频段与卫星下行频段一致， 输出频段与卫星电视接收机的输入频段一致，高频头的输入输出频段的带宽一致。功率增益指高频头的输出功率与输入功率之比。增益波动指在第一中频输出的频段内，最大增益与最小增益之差。增益斜率指在第一中频输出的频段内，单位频段内增益的变化率。6、镜象干扰抑制比高该指标表示的是高频头抑制镜频信号的能力。

当高频头工作在线性范围时，

输入幅度相等的带内信号和镜频信号，两者在输出端的电平比即为镜象干扰抑制比。通常要求镜象干扰抑制比大于

40dB。第二节 高频头的电路组成一、 低噪声放大器1、低噪声放大器一般采用 3～5级级联放大，增益可达 40～45dB。由于C频段和KU频段的频带宽度均为500MHZ，包括24个频道。因此，该放大器应为宽带微波放大器。通常对前两级按低噪声放大器要求设计，主要采用高电子迁移率晶体管HEMT器件；对后两级按高增益要求设计，主要采用砷化镓场效应晶体管GAs—FET器件。以a同时满足低噪声和高增益的要求。低噪声放大器如图所示：2、微带阻抗匹配线由于高频头工作在微波波段，频率非常高，采用一般集中参数元件的电感、电容已不能满足要求，所以使用微带传输线构成微波耦合电路。微带就是在采用蒸发镀膜技术， 在介质板上镀上一定尺寸的金属带状线， 如图所示：电磁波在微带线与衬底接地导体间的介质中传输，就如同在传输线中传输一样。级与级之间采用隔直流电容耦合，各级放大器的输入输出端采用一定长度的微带线来实现阻抗匹配，以获得最大的功率增益和较小的噪声系数。具有微带阻抗匹配线的单级放大器及其等效电路如图所示：GaAs场效应管优良的高增益、宽频带、大动态范围、低噪声等性能和微带电路的体积小、效率高等特性保证了低噪声放大器的优良性能和较高的性能价格比。典型的低噪声放大器的噪声温度在 C波段约为（20～40）K，增益约为（40～50）dB，输入输出电压驻波比 VSMR＜1.5。二、 下变频器1、基本工作原理下变频器的作用是将低噪声放大器输出的下行微波信号，变换为所需的第一中频频率，变频后的带宽不变。之所以要将接收到的信号进行下变频，主要原因有以下三点：⑴便于信号的放大由于微波信号的频率很高，直接放大，每一级放大器的增益很小（约 8～10dB），若要达到几十分贝的增益， 需要多级放大器级联， 不仅成本高，而且高频分布参数影响严重，放大器工作状态极不稳定。通过变频技术，将信号频率降至相对较低的中频后再放大， 一方面每级放大器的增益得以提高，另一方面可以减小高频分布参数的影响。⑵有利于提高选择性在微波波段，由于选频回路品质因数Q值不高，所以选择性差；而在中频进行选频放大时，因Q值较高，通频带较窄，有良好的选择性，能够有效的减少其他信号的干扰。⑶有利于简化电路，降低成本如果不对微波信号进行变频处理，对后续电路的高频特性指标要求非常高，增加了元器件设计、制造的复杂程度和费用。下变频器主要由混频器、本机振荡器和选频滤波电路组成。组成框图如下：混频器信号入非线性选频滤波中频出fs元件电路fg本机振荡器其工作原理简述如下：卫星天线接收的卫星高频信号（频率为 fs）与本振信号（频率为 fg），利用非线性元件的频率变换作用，将产生各种频率成份，其中有和频（fg＋fs）、差频（fg－fs）以及各种谐波分量（ffg±ns），通过输出端的选频滤波器选出所需要的差频信号，即第一中频信号。注意：下变频器只是将高频载波频率变换为中频载波频率，而调制基带信号本身的频谱和相对幅度并没有改变。2、第一本振⑴性能要求本机振荡电路的任务是提供产生差频信号所需要的本振信号，对第一本振的基本要求是：确定的本振频率本振频率是根据卫星接收频段和变频方式决定的。变频方式有高本振和低本振两种形式。高本振指本振频率fg比信号频率fs高出一个中频fIF，即fg－fs＝fIF；低本振指本振频率fg比信号频率fs低一个中频fIF，即fs－fg＝fIF。实际使用时，为了有效抑制镜频干扰，多采用高本振。例如：对C波段（3.7～4.2GHZ），选用高本振

fg＝5.17GHZ，则

C波段的最低频率fsmin＝3.7GHZ，下变频为：fIF＝5.17－3.7＝1.47GHZ＝1470MHZC波段的最高频率 fsmax＝4.2GHZ，下变频为：fIF＝5.17－4.2＝0.97GHZ＝970MHZ这样，C波段的信号经过变频成为第一中频信号，信号的频率范围转换为970～1470MHZ，而变频前后信号的带宽保持不变。频率稳定度高振荡器中影响频率稳定度的主要因素是选频谐振器的Q值，Q值越高，频率稳定度就越高；其次选频谐振器的温度系数和电路的温度系数也是影响频率稳定的关键。高频头通常采用介质谐振器作为谐振回路，其振荡频率稳定度高，频率的最大漂移可控制在±2MHZ内。合适的输出功率本振信号通常要求有10mW左右的功率。如果输出功率太小，则会增加变频损耗和加大非线性失真；如果输出功率太高，则会降低频率稳定度。受温度影响小高频头长期工作在室外， 环境温度变化大，因此要求本机振荡在（－ 30～＋50）℃之间均保持性能良好。⑵介质振荡器①介质谐振体介质谐振体在高频头的本振电路中广泛使用， 因采用复合陶瓷材料而具有高品质因数Q和高介电常数 ε。高ε的介质材料，能使电磁波在介质表面产生完全或近似完全的反射， 从而使电磁能量在介质内部振荡，只有极少能量泄漏到介质外。介质谐振体形状有矩形、 圆形和环形几种， 在电路中用 DR符号表示。介质谐振体大多数被制成一陶瓷小圆片， 固定印刷在电路基板上， 对微带耦合过来的电波进行谐振。介质谐振体的电路原理和结构如下图所示：介质谐振体具有频率稳定度高、微波能量泄漏小、体积小、结构简单、价格低廉等优点。介质谐振体的谐振频率取决于介质的类型和尺寸。②介质振荡器介质振荡器由正反馈放大器和介质谐振体组成。 常见电路有：反馈介质振荡器、 输出加载带阻型介质振荡器。反馈介质振荡器在电路中介质谐振体是作为振荡电路的反馈元件。场效应管漏极 D的输出信号通过微带线1时，能量耦合到介质谐振体 DR，介质谐振体又与栅极输入端的微带线 2耦合在一起，形成正反馈振荡。振荡频率与介质谐振体 DR有关。当振荡频率等于介质谐振体的固有频率 f0时，正反馈最强，振荡频率为 f0。此时，由介质谐振器构成的正反馈网络相当于一个选频回路。反馈介质振荡器的电路图如图所示：输出加载带阻型介质振荡器输出加载带阻型介质振荡器的电路图如图所示：微带线L2、L3与C1组成正反馈网络以满足振荡条件。振荡信号经隔直电容C2输出。介质谐振体DR位于微带线L4附近，构成一个带阻滤波器，作为振荡器负载的一部分。介质谐振体对振荡频率有强烈牵引作用，使振荡频率由介质谐振体决定。具体稳频原理如下：当振荡频率为介质谐振体的固有频率f0时，谐振体等效为在输出电路中串入一个电阻，对振荡频率不产生影响。当振荡频率偏离了介质谐振体的固有频率f0时，谐振体等效为在一个电感，使振荡频率向f0靠近。输出加载带阻型介质振荡器的主要优点是：频率稳定度高，温度对振荡频率的影响很小。3、第一混频器混频器的任务是将低噪声放大器送来的卫星电视信号与本振信号混合，差频出第一中频信号。⑴混频器电路采用微带结构的二极管平衡式混频器的电路图如图所示：低噪声放大器输出的信号和第一本振信号分别从 A和B加入。臂长均为 λ/4的微带L1组成微带电桥，卫星信号与本振信号的叠加由其完成。混合后由输出端口 C和D分别加至二极管 VD1、VD2上，利用其非线性实现混频功能。然后经过低通滤波器后输出中频信号至前置第一中放。 低通滤波器由图中的高频短路块 （λ/4微带线L2、L3）的和高阻抗的电感组成， 其作用是将卫星信号、 本振信号及镜频信号滤除， 而让中频信号通过。⑵混频原理混频器的等效电路如图所示：卫星信号fs从电桥的A端输入，由于信号经过一个λ/4的微带臂就会产生90°的滞后，所以信号从电桥的C、D端输出时，D端的fs信号要滞后C端的信号90°。本振信号从

fg电桥的

B端输入，从电桥的

C、D

端输出时，

C端的

fg信号要滞后D端的信号

90°。在二极管VD1、VD2上各分得 fs和fg的一半功率。经过混频二极管的非线性作用，两信号产生和频、差频和谐波分量。再经过微带线一中频信号，而将其他频率滤除，实现下变频。

L2、L3组成的滤波回路，选通出第A、B端对信号源来说是相互隔离的。 fs从A端输入，沿桥臂分两路到达于两路信号到达 B端时相位相反而相互抵消， 故B端对A端输入的卫星信号端。同理， A端对B端输入的本振信号 fg是隔离端。

B端，由fs是隔离三、 第一中频放大器1、作用第一中频放大器的作用是将混频输出的微弱中频信号进行放大，以补偿由混频器、滤波器和高频连接电缆所造成的损耗。2、性能要求⑴频带足够宽我国选用的第一中频为0.97～1.470GHZ,要求有500MHZ的中频带宽，且在频带内的增益波动要小。⑵增益足够高为满足卫星电视接收机接口电平的需求， 要求第一中频放大器的增益为 20～30dB。⑶工作点受温度影响小高频头因安装在室外，环境温度变化大，要求放大电路工作稳定，以避免温度变化时，工作点偏移产生的非线性失真或噪声系数增大。3、电路分析下面简单分析几种典型的第一中频放大器。⑴三极管阻容耦合放大器由电阻、电容和低噪声晶体三极管组成的中频放大器，如图所示：电路中没有采用调谐回路，以满足宽频带的要求。三级放大器均为共射极放大，R1C2、R4C4、R8C6为各级正电源退耦电路，以防止电源内阻引起的自激振荡。输出端，为减小输出电压驻波比，便于和室内单元连接，放大器末级输出端用电阻构成π型衰减网络，以实现阻抗匹配。电路中的阻容元件均选用无引线的片状元件，即缩小了电路尺寸，又可减少高频分布参数的影响。⑵微带中频放大器微带中频放大器由两级场效应管放大器构成，如图所示：级与级之间均有隔直流耦合电容，分别是 C5、C6、C7。输入微带 L1为Γ形，用来实现信号源和场效应管输入阻抗的匹配；

微带

L2为

T形，起级间匹配作用；微带 L3为串联阻抗变换器，用来完成场效应管输出端与连接电缆的匹配。电路中Eg为场效应管提供负的栅极电压， ED为漏极电压。C1～C4为电源滤波电容。为防止电源和滤波电容对信号的旁路，在供电回路中接入 λ/4的偏压引入线 L4～L7，其作用等效为电感元件。 为减少该线段占用电路板的长度， 偏压引入线通常用弯折形状。⑶微波集成中频放大器为提高电路工作的可靠性和缩小高频头的电路尺寸，

采用集成电路完成第一中频放大。MW0270

集成电路是美国

Motorola

公司生产的单片微波集成电路，

其电路原理图，如图所示：MW0270集成电路采用微带金属封装，有4个引脚。集成电路1脚为中频信号输入端，3脚为放大后中频信号的输出端。2、4脚接地。集成电路供电是由12V正电源通过电阻R和电感L加至3脚。C1、C2是隔直流耦合电容。MW0270集成电路结构简单，外围元件少，放大器无需调整，工作频率高，而且频带宽，增益高，噪声低，适合用于C、KU频段卫星电视的第一中频放大。四、镜频抑制滤波器1、镜频干扰的原因镜频干扰是指外来杂波与本振信号fg作用后产生的差频也恰好等于中频fIF的干扰。’fs对称，如图所示：镜频信号频率fs对本振信号而言，在频率轴上与卫星信号频率在采用高本振的变频电路中，卫星信号频率fs比本振信号fg低一个中频fIF，而镜频信号频率比本振信号fg高一个中频fIF。当fs、fs’同时输入到混频器时，除了产生正常的中频fIF＝fg－fs外，镜频杂波与本振混频也产生第一中频’’’’fIF＝fs－fg。由于fIF和fIF同频，所以fIF无法被混频器之后的带通滤波器滤除，于是出现镜频噪声干扰。2、抑制镜频干扰的措施抑制镜频干扰主要采用以下两个措施：⑴选用较高的中频频率（＞970MHZ），使镜频信号远离接收信号的频率，使其落在接收频段之外。⑵提高变频前级电路的选择性，抑制接收频段以外的杂波干扰。低噪声放大器是一个宽带放大器，没有调谐回路，故对接收信号没有选择