微波信号
光学延迟
实现微波相移
控制单元
常用卫星通信天线介绍（一） 原文：寇松江（爱科迪） ★★★★（7020207）添加点图片
天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。 反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。下文对一些常用的天线作简单介绍。 1．抛物面天线 抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。 图1 抛物面天线
抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。 2．卡塞格伦天线 卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。 卡塞格伦天线的优点是天线的效率高，噪声温度低，馈源和低噪声放大器可以安装在天线后方的射频箱里，这样可以减小馈线损耗带来的不利影响。缺点是副反射面极其支干会造成一定的遮挡。
第二章相控阵天线的基础理论 相控阵天线是从阵列天线发展起来的，主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描，亦称电子扫描阵列(ESA)天线。虽然用于相控阵雷达的相控阵天线有多种，但相控阵天线均是由多个天线单元，亦称辐射器构成的。天线单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。在每个天线单元后端都设置有移相器，用来改变单元之间信号的相位关系，信号的幅度变化则通过功率分配/相加网络或者衰减器来实现。在扫描过程中，整个雷达不需要像采用普通阵列天线或者剖物面天线的雷达那样进行机械运动，因此波束指向迅速灵活，且可以实现多波束并行工作，使得雷达具有很强的自适应能力。 在相控阵天线的实际使用过程中，线性相控阵天线平面相控阵天线是较为常见的两种形式。下面分别以这两种形式为例，阐述相控阵天线扫描的基本原理。 2.1相控阵天线扫描的基本原理 2.1.1线性相控阵天线扫描的基本原理 线性相控阵天线广泛应用于一维相控扫描的相控阵雷达中。根据基本的阵列类型，线 性相控阵天线可以划分为垂射阵列和端射阵列。垂射阵列最大辐射方向垂直于阵列轴向，天线波束在线阵法线方向左右两侧进行扫描。相反，端射阵列主瓣方向沿着阵列轴向。由于垂射阵应用最为广泛，因此主要讨论垂射阵。 图2.1是一个由N个天线单元组成的线性阵列原理图，天线单元呈均匀排成一线，途中沿y轴方向按等间距方式分布，天线单元间距为d。每一个天线单元的激励电流为 I i(i =0,1,2,...N -1)。每一单元辐射的电场强度与其激励电流I i成正比。天线单元的方向 图函数用fiG,：)表示。 图2.1 N单元线性相控天线阵原理图 阵中第i个天线单元在远区产生的电场强度为： e丸E i =K i I i fip, ) (2.1) 式中，K i为第i个天线单元辐射场强的比例常数，r i为第i个天线单元至观察点的距离， f i P,)为第i个天线单元的方向图函数，h为第i个天线单元的激励电流，可以表示成为: (2.2) 式中，3i为幅度加权系数，厶B为等间距线阵中，相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值。 在线性传播媒质中，电磁场方程是线性方程，满足叠加定理的条件。因此，在远区观察点P处的总场强E可以认为是线阵中N个辐射单元在P处辐射场强之和，因此有：
一般成品螺旋天线都用导电性能良好的金属线绕成并密封好,其工作原理下： 图1 所示一般天线结构示意图。D是螺旋天线直径，L是螺旋天线长度，ρ是螺距，Ⅰ、Ⅱ是螺旋线上相对应两点。 一般可以认为，电磁波沿金属螺旋线以光速C作匀速运动。 从Ⅰ点到Ⅱ点即进行一个螺旋，所需时间为 t = πD/C 而对螺旋天线而言，其轴向电磁波只运动行进了一个螺距ρ，其轴向等效速率 υ=ρ/t =ρ/C (πD) 这种关系也可用图2形式解释。由图2可知： υ=Csinθ=Cρ/（πD）≤C 由上式可以看出，υ总是小于等于C的。故螺旋天线能使电磁波运动速度减慢，是一个慢波系统，其等效波长λ等效小于工作波长λ。对于螺旋天线而言，应谐振于其1/4等效波长，因而能缩短螺旋天线的几何长度。 对于工作于一定中心频率的通讯机来说，其所需绕的线圈数N可以由下式近似算出：
螺距：υ=L/N 所需金属线长度：ι=NπD 对于一般通讯机可取 L=20~40cm D=10~20mm 下表是对一些常用频率螺旋天线的设计实例，其他频率也可类似设计。 f是工作中心频率； D是螺旋天线直径； L是螺旋天线长度； N是螺旋圈数； ι是所需金属线长度。 以上N、ρ为了实际制作需要均取近似值。 制作时可用直径0.5~1.5mm漆包线或镀银铜线或铝线在直径为D的有机玻璃或其他绝缘材料上绕制，并在棒的两头打上小孔，以利于固定金属线；在棒的底端焊上较粗的金属杆或插头固定在棒上，以利于与机器连接；整个螺旋天线的外面可用橡胶管或其他材料套封，并在顶端盖上橡皮帽或用其他材料密封，这样既美观大方，又防雨防蚀，经久耐用。如果没有上述金属丝，也可采用多股细绝缘导线代替，效果相同，只是绕制时固定较为困难。 以上螺旋天线也可用于各种小型遥控设备及其他类似机器上。 为了比较慢波天线与常规拉杆天线的不同，说明慢波天线尺寸较小的优点，我们可对拉杆天线作一计算。 设定参数如下：
常用卫星通信天线简介 天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。 反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。下文对一些常用的天线 作简单介绍。 1．抛物面天线 抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。 图1 抛物面天线 抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。 2．卡塞格伦天线
卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。 卡塞格伦天线的优点是天线的效率高，噪声温度低，馈源和低噪声放大器可以安装在天线后方的射频箱里，这样可以减小馈线损耗带来的不利影响。缺点是副反射面极其支干会造成一定的遮挡。 图2 卡塞格伦天线 3．格里高利天线 格里高利天线也是一种双反射面天线，也由主反射面、副反射面及馈源组成，如图3所示。与卡塞格伦天线不同的是，它的副反射面是一个椭球面。馈源置于椭球面的一个焦点F1上，椭球面的另一个焦点F2与主反射面的焦点重
9.0米电动卫星通信天线 WTX9.0-6/4（14/12）型 技术说明书 贵州振华天通设备有限公司（4191厂）
1、概述 WTX9-6/4和WTX9-14/12型卫星通信天线是一种具有四口线极化频谱复用 馈源系统的9米改进型卡赛格伦天线系统。当天线朝天时，天线的轮廓尺寸为φ9m×10.3m。整个天线具有效率高、旁瓣低、使用维护方便、抗风能力强、造形 美观，刚性好，精度高的特点。广泛用于C频段和Ku频段卫星通信地球站。 天线的主反射面均为实体铝板结构，主面直径为9m，副面直径为 1.08m。 立柱式座架的设计允许方位连续转动140o，俯仰从5o~90o连续转动。方位轴和俯仰轴由马达驱动，驱动速度为0.03o/秒和0.1o/秒两种。 馈源系统的极化轴也由马达驱动，驱动速度为 1.5o/秒，转动范围为180o。 步进跟踪系统由室内天线控制单元、室外马达控制器、变频器和信标接收机组成。轴角显示分辨率为0.01o，跟踪精度为0.06o，步进跟踪系统能使天线随时准确地对准卫星。 本天线的外型图见图 1.1。
图1.1 2、天线的主要技术参数 天线主要技术参数与性能指标 项目名称 参数指标 WTX9.0-4/6 WTX9.0-12/14 C波段Ku波段 接收发射接收发射 一、电气性能指标 1．工作频率（GHz） 3.625～4.2 5.825～6.425 10.95～12.75 14.00～14.50 2．增益（dB）50.1 53.2 59.2 60.4 3．驻波≤1.25：1 ≤1.25：1 4．波束宽度(-3dB) 0.513°0.359°0.185°0.159° 5．天线噪 声温度(仰角10°) 37°K57°K (仰角20°) 32°K 48°K 6．G/T值（dB/K）(T LNA=60K) 30 38.4dB/K 7．极化方式四端口或二端口线极化 8．馈源插入损耗(dB) 0.2 0.25 0.40 9．收发隔离度(dB) ≥85 10．交叉极化隔离度(dB) ≥35 11．第一旁瓣(dB) -14 12．广角旁瓣符合CCIR-580-4标准 13．功率容量(KW) 5 1 14．馈源接口CPR－229F CPR－137G WR-75 WR-75 二、机械性能指标 天线口径9000 mm 转动范围方位±70°俯仰5°～90° 跟踪速度0.03°/S 跟踪精度0.06°/S 三、环境特性 1．工作风速35m/s 2．不破坏风速55m/s 3．环境温度－50oC—+60oC 4．雨降10cm/h 5．阳光辐射1000kcal/h㎡6．相对温度0%—100% 7．裹冰 2.5cm 8．使用寿命：8年 抗风能力保精度工作稳态风20m/s，阵风27m/s. 降经度工作稳态风25m/s，阵风30m/s，降雨50mm/h. 保全条件阵风55m/s，天线朝天锁定. 天线重量3500
第三章超声相控阵技术 3.1 相控阵的概念 3.1.1相控阵超声成像 超声检测时，如需要对物体内某一区域进行成像，必须进行声束扫描。相控阵成像是通过控制阵列换能器中各个阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控阵波束合成，形成成像扫描线的技术，如图3-1所示。 图3-1 相控阵超声聚焦和偏转
3.2 相控阵工作原理 相控阵超声成像系统中的数字控制技术主要是指波束的时空控制，采用先进的计算机技术，对发射/接收状态的相控波束进行精确的相位控制，以获得最佳的波束特性。这些关键数字技术有相控延时、动态聚焦、动态孔径、动态变迹、编码发射、声束形成等。 3.2.1相位延时 相控阵超声成像系统使用阵列换能器，并通过调整各阵元发射/接收信号的相位延迟（phase delay），可以控制合成波阵面的曲率、指向、孔径等，达到波束聚焦、偏转、波束形成等多种相控效果，形成清晰的成像。可以说，相位延时（又称相控延时）是相控阵技术的核心，是多种相控效果的基础。 相位延时的精度和分辨率对波束特性的影响很大。就波束的旁瓣声压而言，文献研究表明，延时量化误差产生离散的误差旁瓣，从而降低图像的动态范围。其均方根（RMS）延时量化误差与旁瓣幅值之比为 （式3-1） 式中，； N-----阵元数目； μ----中心频率所对应一个周期与最小量化延时之比。 图3-2示出了延时量化误差引起的旁瓣随N、μ变化的关系曲线。早期的超声成像设备如医用B超中，由LC网络组成多抽头延迟线直接对模拟信号进行延迟，用电子开关来分段切换以获得不同的延迟量。这种延迟方式有两大缺点：①延迟量不能精细可调，只能实现分段聚焦，当聚焦点很多时需要庞大的LC网络和电子开关矩阵；②由于是模拟延迟方式，电气参数难以未定，延时量会发生温漂、时漂、波形容易被噪声干扰。
第三章超声相控阵技术 3.1相控阵的概念 3.1.1相控阵超声成像 超声检测时，如需要对物体内某一区域进行成像， 必须进行声束扫描。相控阵成像是通 过控制阵列换能器中各个阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收） 声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相 控阵波束合成，形成成像扫描线的技术，如图 3-1所示。 图3-1 相控阵超声聚焦和偏转
3.2相控阵工作原理 相控阵超声成像系统中的数字控制技术主要是指波束的时空控制， 采用先进的计算机技 术，对发射/接收状态的相控波束进行精确的相位控制，以获得最佳的波束特性。这些关键 数字技术有相控延时、动态聚焦、动态孔径、动态变迹、编码发射、声束形成等。 3.2.1相位延时 相控阵超声成像系统使用阵列换能器，并通过调整各阵元发射 /接收信号的相位延迟 （phase delay ）,可以控制合成波阵面的曲率、指向、孔径等，达到波束聚焦、偏转、波束 形成等多种相控效果，形成清晰的成像。可以说，相位延时（又称相控延时）是相控阵技术 的核心，是多种相控效果的基础。 相位延时的精度和分辨率对波束特性的影响很大。 就波束的旁瓣声压而言， 文献研究表 明，延时量化误差产生离散的误差旁瓣，从而降低图像的动态范围。其均方根（ ,r . / \ 诙爲 式中， 一-—— N-----阵元数目； 尸--中心频率所对应一个周期与最小量化延时之比。 图3-2示出了延时量化误差引起的旁瓣随 N 、□变化的关系曲线。早期的超声成像设备 如医用B 超中，由LC 网络组成多抽头延迟线直接对模拟信号进行延迟， 用电子开关来分段 切换以获得不同的延迟量。这种延迟方式有两大缺点：①延迟量不能精细可调，只能实现分 段聚焦，当聚焦点很多时需要庞大的 LC 网络和电子开关矩阵；②由于是模拟延迟方式，电 气参数难以未定，延时量会发生温漂、时漂、波形容易被噪声干扰。 RMS ）延 （式 3-1）
相控阵天线的基本原理介绍 相控阵天线是目前卫星移动通信系统中最重要的一种天线形式，由三个部分组成：天线阵、馈电网络和波束控制器。基本原理是微处理器接收到包含通信方向的控制信息后，根据控制软件提供的算法计算出各个移相器的相移量，然后通过天线控制器来控制馈电网络完成移相过程。由于移相能够补偿同一信号到达各个不同阵元而产生的时间差，所以此时天线阵的输出同相叠加达到最大。一旦信号方向发生变化，只要通过调整移相器的相移量就可使天线阵波束的最大指向做相应的变化，从而实现波束扫描和跟踪。相控阵天线有相控扫描线天线阵和平面相控阵天线。图一 图一 N单元相阵 远区观察点P处的总场强可以是认为线阵中N个单元在P点产生的辐 射场强叠加：
图二线性相控阵天线 这一天线阵的方向图函数为： 图三平面相控阵天线 相控阵在快速跟踪雷达、测相等领域得到广泛的应用，它可以使主瓣指向随着通信的需要而不断地调整。相控阵为主瓣最大值方向或方向图形主要由单位激励电流的相对来控制天线阵。通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位改变方向图形状的天线。控制相位可以改变
天线方向图最大值的指向，以达到波速扫描的目的。在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状。用机械方法旋转天线时，惯性大、速度慢，相控阵天线克服了这已缺点，波速的扫描高。它的馈电相一般用电子计算机控制，相位变化速度快，即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。这是相控阵天线的最大特点。 一般相控阵天线应对每一辐射单元的相位进行控制。为了节省移相器和简化控制线路，有时几个辐射单元共用一个移相器。相控阵天线的关键器件是移相器和天线辐射单元。移相器分连续式移相器和数字式移相器两种。连续式移相器的移相值可在0°～360°范围内连续变化，数字式移相器的移相值是离散的，只能是360×(1/2)^n的整数倍，移相器应保证在一定的频率范围内获得所需要的移相值。天线辐射单元的设计应使一定移相范围内和一定频率范围内的输入阻抗的变化尽可能小，以保证发射机正常工作，防止由于射频信号的多次反射而出现寄生副瓣和方向图中出现凹点的现象。相控阵天线的馈电方式分传输线馈电和空间馈电两种。在传输线馈电方式下，射频能量通过波导、同轴线和微带线等微波传输线馈给辐射单元。在空间馈电方式下，发射机产生的射频能量通过辐射装置辐射至自由空间，传输一段距离后由一个接收阵接收，接收阵的每个单元或一组单元所接收到的信号，经过移相器移相后再馈给发射阵的发射单元并辐射出去。 相控阵天线阵列本身的设计主要是幅度、相位分布设计和单元阻
2017年第4期信息通信2017 (总第172 期）INFORMATION & COMMUNICATIONS (Sum. N o 172) 用于K u频段低速卫星通信的阵列天线设计 徐永杰,高时汉 (广州海格通信集团股份有限公司，广东广州M0663) 摘要:根据装载平台的迫切需求，研制了一种工作在K u频段的、高效率、低剖面、适应于低速卫星通信的阵列天线，该阵 列天线采用角雉喇》八、正交模搞合器和波导功分器组阵的方式，并集成了 BUC和LNB。由该天线阵列构成的动中通系 统不仅满足小型平台机动应用的通信需求,也可对我国现有的中高速卫星通信网形成必要的补充。 关键词:K u频段;低剖面；阵列天线;动中通 中图分类号:TN965 文献标识码:A文章编号：1673-1131(2017)04-0173-04 Des^n of a Array Antenna at Ku-band for satellite commumcations With Low data rate communicatioiis Xu Yongjie, Gao Shihan (GuangZhou Haige Communications Group Incorporated Company,GuangZhou510663) Abstrate ：In this paper,a high efficiency,low profile antenna array at Ku-band for satellite communications With Low data rate communications is described,which is based on horn antennas,the Orthomode Transducer and waveguide power divider struc-ture and integrated with LNB and BUC.The Satcom on the Move composed of t he array antenna not only meet the needs of small mobile communications platform,moreover,it is necessary of supplement the existing high date rate satellite communications. Key words ：Ku band;low profile；array antenna；Satcom on the Move 〇引言 随着卫星通信的发展，在小型水面舰艇、运输车队以及机 械化部队的装甲车等具有通信需求的装载平台配置用户地球 站时，面临小塑装载平台的限制，急需更小型天线系统的用户 站装备；同时，在原有固定使用模式的基础上，机动武器平台 对用户站进一步具有动中通的通信需求。在此类需求的基础 上，需要对原有型谱中用户站及天线进行更小型化设计，支持 动中通应用的卫星终端站型。 基于以上需求，本文设计了一款K u频段小型化天线阵, 利用该天线阵组成的动中通天线配合卫星终端安装在水面舰 艇上，通过K u频段透明转发器和中心站通信，可实现在卫星 波束覆盖下的低速话音、基于IP协议数据交互、短信交互等功 能;也可以安装在运输车队和机械化部队的装甲车上，不仅满 足小型平台机动应用的通信需求，也可以对我国现有的中高 速卫星通信网形成必要的补充。 1天线组成 天线是用户站等站型设备的重要组成部分。本文设计的 天线阵列集成了平板阵列天线、上变频器(BUC)和下变频器 (LNB)等部分，用于构建无线传输通道。如图1虚线框中所示。 图1用户站设备组成图 2喇叭阵列天线设计 喇机平板阵列天线由于体积小、效率高、低剖面和重量轻，在无线通信系统中得到了广泛的应用。Starling、ERA、Raysat、Trao Star等公司设计的平板阵列天线促进了国内平板天线的发展，但 这些平板天线结构与用户站设备给出的结构形式不匹配。根据 结构要求，本文设计了方形喇叭阵列天线，采用波导喇叭作为天 线的基本辐射单元，利用变形T型结，实现馈电网络的设计，组 成了 3元天线子阵，利用子阵技术，设计出3X20元阵列天线。 天线阵列指标为： 工作频率:RX12.25GHz?12_75 GHz TX 14.0GHz?14.5 GHz 天线口径:等效0.3米； 天线增益:大于30.5dBi; 天线高度:小于60mm; 双端口驻波比:<1.5; 双端口隔离度:>55dB; 极化形式:线极化； 天线带宽:收发双频带带宽均为0.5GHz。 2.1辐射单元设计 喇叭单元是波导阵列天线常用的基本天线单元。喇叭天 线单元剖面如图2所示。 根据图2可得出下列几何关系式[1]: 0 L… cos-= -(1) 2 L+a I= —(￡T 常用卫星通信天线介绍（一） 寇松江 (爱科迪信息通讯技术有限公司，北京，100070) E -mail: 天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。反射面型天线的特 点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。 反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段 天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。下文对一些常用的天线 作简单介绍。 1．抛物面天线 抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图 1所示。发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。由于 馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。接 收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。 图1 抛物面天线 抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。 2．卡塞格伦天线 卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。 导读 任何无损检验方法(NDT)的可信度很大程度上取决于人员因素。进行相控阵超声检验的人员应经过培训并取得相应的资格。通过检验人员的技能、教育经历、培训经历，NDT检验人员来证明自己能够根据工艺和设备（相控阵超声设备，扫描仪，探头，软件，分析分布图和报告）的特殊要求进行操作。检验人员应熟悉应用于特殊零件的相控阵技术的基本特性。应客户要求，关于R/D技术原理的第一本书出版了：相控阵技术应用简介：R/D技术指南。该指南用大幅篇章介绍了基本的超声测试，数据评定和扫查方式，相控阵探头以及应用，适合广大读者使用，该指南包含大量实用信息堪称为实用手册。该指南可通过登陆我们的网站使用e-mail订购。 相控阵技术指南手册可视为NDT从业人员使用基本相控阵超声技术的备忘录。它面向日常的操作，针对技术秘诀，介绍操作方法（工艺规范，标定，特征描述，重新启动，解决检验的问题）。关于其大小，该手册设计为口袋书籍。为使该手册能适应现场条件，我们采用防水抗扯的合成纸印刷该书，且封面和装订都十分牢固。 相控阵技术指南手册包括： ·第一章“相控阵超声技术——基本特性“ 详述了PAUT（相控阵超神探伤的缩写）原理，介绍了主要硬件设备和相控阵声束组成类型和运动形式（线性，方位角型，深度型，平面型和3-D型）。 ·第二章“相控阵探头——基本特性“ 详述了用于日常检验的PA（相控阵的缩写）探头及其主要特性。范例介绍时使用的是大多数场合最常用的探头类型，即1-D平面线性阵探头。 ·第三章“聚焦法则“——常用范例 介绍了线性阵探头如Tomoscan ⅢTM PA探头（TomoView TM 2.2R9）和OmniScan○R PA探头定义聚焦法则的基本步骤。 ·第四章“扫查方式，观察，和分布图” 介绍了Tomoscan ⅢTM PA探头（TomoView TM 2.2R9）和OmniScan○R PA探头评定（A-扫查法，S-扫查法，B-扫查法，C-扫查法和D-扫查法）的主要数据，基本分布以及扫查方式。特殊场合下推荐的分布图也进行了说明。 ·第五章“超声束设置，标定和定期检查” 介绍了关于超声束设定调节，设备标定和现场定期检查的基本范例。 ·第六章“使用表格，图表和公式” 该章是实用公式的总结，如：斯涅尔定律，近场长度，波长，声束宽度，半角声束传播速度。书中特别强调了实用不同方法测量缺陷尺寸。表格，公式，图表都可以作为一些参数的速查工具：折射角，等效延迟和反射体尺寸。 ·附录A：“单位转化” 提供了本手册所使用到的单位与公-英制单位的转化。 ·附录B：“支持和培训” 通过R/D技术网站，你可以寻找或提供关于本手册的相关附加信息。 ·“参考文献” 列出了支持和扩充本手册构想的基本资料。本手册编制成一本开放式的对话式手册。对于特殊操作，我们增加了提示，重要标注，注意事项和警告标志等。 正如R/D技术的CEO（首席执行官）和主席在扉页中提到的，我们欢迎您参与进来，提出意见，进行评论，提出设想，从而促进本书第二版的进一步完善。 浅述相控阵天线波束控制的基本原理及波控系统的任务 摘要现阶段我国科学技术发展速度的不断加快，为天线波束研究水平的逐渐提升提供了重要的技术支持。实践过程中为了实现天线波束的定向控制，需要充分地发挥出相控阵天线波束控制优势，并了解其基本原理及波控系统的任务，优化该系统实践应用中的服务功能。基于此，本文就相控阵天线波束控制的基本原理及波控系统的任务展开论述。 关键词相控阵天线波束；控制；基本原理；波控系统；任务 结合当前的形势变化，注重相控阵天线波束控制的基本原理及波控系统的任务分析，有利于提升天线波束实践应用中的控制水平，最大限度地满足雷达扫描的实际需求，从而为雷达扫描技术所需的波控系统性能优化提供科学保障。因此，需要加强天线波束控制的基本原理分析，提高对其相关的波控系统任务的正确认识，使得天线波束应用成本得以降低。 1 相控阵天线波束控制的基本原理分析 实践过程中结合相控阵雷达的要求，注重天线波束控制方式的合理使用，有利于保持良好的雷达扫描效果，丰富其所需的扫描技术内涵。因此，需要根据实际情况，从不同的方面入手，加强相控阵天线波束控制的基本原理分析，从而为其使用中实际作用的充分发挥提供保障。具体表现在以下方面： 借助计算机网络与信息技术的优势，结合相控阵天线波束的功能特性，在其控制作用发挥中需要确定相应的空间位置，并了解其跟踪情况，最终通过计算机三维空间的动态模拟分析作用，得到所需的相控阵天线波束在雷达扫描控制中的方位角与仰角初始值，并对相控阵雷达阵面中的天线元对应的相位值进行分析。此时，为了达到移相的目的，需要注重性能可靠的移相器使用，并处理好波控系统运行中产生的波控码。当这些举措实施到位后，有利于实现相控阵天线定向，确定相应的波束方向。 （2）在确定天线元所对应的相位值过程中，需要在单元集中配相法與初始向量计算方式的共同作用下予以应对，且在行列分离方法的作用下，确定相控阵天线波束控制中所需的平面阵列。当天线元所对应的相位值确定后，则可通过计算机系统的作用，得到相应的点阵相位值。 基于相控阵天线波束控制下的雷达扫描，在保持其良好的移相器计算位数作用效果过程中，可借助虚算方式的优势，确定移相位数，确保移相器应用有效性[1]。 2 实践中的相控阵天线波控系统的设计分析 为了实现对雷达扫描过程的科学控制，保持其扫描技术良好的应用效果，则 浅谈卫星通信天线系统综合防雷设计 1 概述 卫星通信天线是卫星通信基站的重要组成部分。卫星通信基站的卫星天线一般架设在建筑物楼顶上，相对周围环境而言，目标比较突出，从而导致雷击概率增多，通信基站常常遭受雷害，导致通信设备损坏、系统瘫痪。 雷击的危害主要有四个方面：1、直击雷；2、雷电波侵入；3、感应过电；4、地电位反击。以上四方面中雷电对卫星通信天线系统的危害主要以雷电波侵入、感应过电压与地电位反击三者居多，这三者统称为雷电电磁脉冲。据有关统计资料，直击雷的损坏仅占15%，而雷电电磁脉冲的损坏占85%。因此，对雷电电磁脉冲的防护是防雷系统设计的重点。 2 设备组成 本次卫星通信天线防雷系统的设计以3.0米环焦通信卫星天线为设计对象，卫星通信天线系统包括室外部分设备、室内部分设备、以及室内及室外设备之间的连接电缆。 室内设备包括伺服控制单元（简称ACU）、伺服驱动单元（简称ADU）、信标接收机。 室外设备为卫星天线，包括天线头、天线座、方位俯仰极化电动机、方位俯仰传感器、方位俯仰极化限位开关、倾角仪等。 室内及室外设备之间的连接电缆包括强电电缆及弱电电缆。 3 防雷等级分类计算 卫星通信天线一般架设在建筑物的楼顶，在卫星通信天线系统防雷设计时，首先是要确定建筑物的防雷等级，从而进一步分析确认卫星天线系统的防雷设计的相关指标参数。《建筑物防雷设计规范》(GB50057－97 2000)中，对建筑物防雷等级的划分，除了由建筑物的功能定性外，第二、三类防雷建筑，还取决于建筑物的预计年雷击次数N。 建筑物年预计雷击次数应按下式计算： N = k * Ng * Ae （1） 式中：N ──建筑物年预计雷击次数（次／a）； k ──校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：位于旷野孤立的建筑物取2；金属屋面的砖木结构建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5； Ng ──建筑物所处地区雷击大地的年平均密度［次／（km2·a）］； Ae──与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。 相控阵天线方向推导及仿真 1、推导线阵天线方向图公式 一个接收线阵，由等间距为d 的N 个各向同性单元组成，那么在θ方向，相 邻单元接收信号的相位差为Ф=2πd λsinθ，线阵排列情况如图1所示。 图1 线阵排列示意图 因为天线辐射方向图可以由天线上各种各样电流源辐射的单独贡献进行矢 量叠加而得出，故各单元电压和为： E a =sin (ωt )+sin (ωt +?)+sin (ωt +2?)+?+sin?[ωt +(N ?1)?] 将等式两边同时乘以2sin?(? 2)，根据积化和差、和差化积等相关数学公式，可得到如下公式： 2sin (?2)E a =cos (ωt ??2)?cos (ωt +?2)+cos (ωt +?2)?cos (ωt ?32 ?) +?+cos (ωt +2N ?32?)?cos?(ωt +2N ?1 2?) 整理得，2sin (? 2)E a =cos (ωt ?? 2)?cos (ωt + 2N?12 ?) ??=2sin?(ωt + N ?12?)sin?(N 2 ?) 最终得到场强方向图，E a =sin?[ωt +(N ?1)?2?]sin?(N?2?) sin?(?2?) 平方归一化后，得到辐射方向图（阵列因子）： |G a (θ)|=sin 2[Nπ(d λ)sinθ] N 2sin 2[π(d λ )sinθ] 上式中，当(d λ)sinθ=0,±1,±2,···±n 时|G a (θ)|取得相等的最大值，但是我们 只期望看到(d λ)sinθ=0的情况，取其他值产生的栅瓣是我们所不想见到的，为避免这种情况，特令d <λ。 前面的公式中认定主瓣指向为0°，当主瓣指向θ0方向时，则各向同性单元 线阵的归一化辐射方向图为： G (θ)=sin 2[Nπ(d λ)(sinθ?sinθ0)] N 2sin 2[π(d λ )(sinθ?sinθ0)] 此时，由于?2≤sin (θ)?sin (θ0)≤2，故防止产生栅瓣的条件为d <λ2?。 当来波方向与主瓣指向相近时sinθ?sinθ0很小，有： sin 2[π(d λ)(sinθ?sinθ0)]≈[π(d λ )(sinθ?sinθ0)]2 这时的辐射方向图是sin 2μμ2?的形式，式中μ=(d λ)(sinθ?sinθ0)，当μ=±0.443π时，天线方向图被衰减到最大值的一半，又因为sinθ?sinθ0项可以写成 sinθ?sinθ0=sin (θ?θ0)cos (θ0)?[1?cos (θ?θ0)]sin (θ?θ0) 当θ0很小时，方程右边第二项可以忽略，所以sinθ?sinθ0≈sin (θ? θ0)cos (θ0)。最终我们可以得到天线的半功率波束宽度为θB ≈0.886λ Ndcosθ0 （rad ）。 2、电子扫描阵列天线方向图仿真 ·1、不同参数情况下的栅瓣现象及分析 由前面的分析可知，归一化后的天线方向图可以表示为： G a (θ)= sin 2(Nπd λ (sin θ?sin θ0)) N 2sin 2(πd λ (sin θ?sin θ0)) 其中d 表示天线长度， N 表示天线阵元个数，λ表示信号波长。 当πd λ(sin θ?sin θ0)=0,±1,±2,?,±n,???n ≥1,n ∈Z 时，G a (θ)的分子、分母均为0，由洛毕达法则可知，当sin θ?sin θ0=±n λ d 时，G a (θ)取最大值1，其中sin θ?sin θ0=0，即θ=θ0时，是主瓣，sin θ?sin θ0=±n λ d 的解对应的是 一款Ku频段卫星通信车载天线的设计 京微 antenna123@https://www.doczj.com/doc/c59544455.html, 1.简介 车载静中通天线在车顶上工作，为了展开、收藏的方便，通常使用偏置型抛物面天线。在静中通产品中，单偏置天线和双偏置天线的使用都比较普遍。 笔者更偏爱双偏置天线。主要原因有： y可以获得更好的交叉极化隔离度 因而可以使用更大的功放，特别适合于SNG的使用。 y结构紧凑，有利于设备的小型化 更适合在小型车辆上使用。 y BUC后置，馈线损耗小 y天馈系统的设计余量大，天线的电性能更好 2.天线设计 本文设计了一款1.2m Ku频段车载天线，天线类型为双偏置型Gregorian天线。工作频率Rx：10.7～12.75GHz，Tx：13.75～14.5GHz。 天线辐射口径1.2m，物理口径1.2m×1.325m。天线长度975mm。如图1所示。 使用以前设计的馈源照射该天线[1]。 图1 双偏置Gregorian天线 3.测试结果 本文给出了发射频段13.75～14.5GHz 的测试结果。（发射频段为入网强制性测试） （1） 天线增益 天线效率68％。 频率（GHz ） 13.75 14.00 14.25 14.50 Gain(dBi) 43.2 43.3 43.5 43.6 （2） 交叉极化 1dB 交叉极化隔离度≥35dB 。 频率（GHz ） 13.75 14.00 14.25 14.50 XPD (dB) （1dB BW ） HP 40.5 41.5 36.1 35.1 VP 40.6 36.0 41 37.5 （3） 旁瓣特性 满足ITU-R S.580-6、Eutelsat EESS502的要求。 图2 14.25GHz HP 方向图 常用卫星通信天线介绍 天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。 反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。下文对一些常用的天线作简 单介绍。 1．抛物面天线 抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。 图1 抛物面天线 抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放 重量带来的结构不稳定性必须被考虑。 2．卡塞格伦天线 卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。 卡塞格伦天线的优点是天线的效率高，噪声温度低，馈源和低噪声放大器可以安装在天线后方的射频箱里，这样可以减小馈线损耗带来的不利影响。缺点是 副反射面极其支干会造成一定的遮挡。 技术讲座 超声相控阵技术 第一部分 基本概念 李 衍 (江苏太湖锅炉股份有限公司,江苏无锡 214187) 摘 要:超声相控阵技术是当今工业无损检测极富挑战力的一项新技术。本篇概述有关超声相控阵的基本原理和相控阵时间延迟的基本概念。 关键词:超声波;相控阵;时间延迟 中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:1671-4423(2007)04-24-05 1 引言 相控阵超声波检测作为一种独特的技术得到开发和应用,在21世纪初已进入成熟阶段。上世纪80年代初,相控阵超声波技术从医疗领域跃入工业领域。80年代中期,压电复合材料的研制成功,为复合型相控阵探头的制作开创新途径。90年代初,欧美将相控阵技术作为一种新的无损评价(NDE )方法,编入超声检测手册和无损检测工程师培训教程。自1895年至1992年,该技术主要用于核反应压力容器(管接头)、大锻件轴类,及汽轮机部件的检测。 压电复合技术、微型机制、微电子技术、及计算机功率(包括探头设计和超声波与试件相互作用的模拟程序包)的最新发展,对相控阵技术的完善和精细化都有卓著贡献。功能软件也使计算机能力大大增强。 相控阵超声波技术用于无损检测,最先是为动力工业解决下列检测问题:①要用单探头在固定位置检出不同位置和任意方向的裂纹;②要对检测异种金属焊缝和离心铸造不锈钢焊缝提高信噪比和定量能力;③要提高声束扫查可靠性;④要对难以接近的受压给水反应器或沸水反应堆部件进行检测;⑤要缩短在用设备维修检测时间,提高生产效率;⑥要检测和定量形状复杂的汽轮机部件中的应力腐蚀小裂纹;⑦要减少在用检测人员射线吸收剂量;⑧要对一些临界缺陷(不论缺陷方向)提高检 测、定位、定量和定向精度;⑨要对“合乎使用”(或称“工程临界评定”或“寿命评价”)检测提供易于判读的定量分析报告。 在其他工业领域,如航空航天、国防、石油化工、机械制造等,对超声无损检测也都有类似的改进和强化需求。一般都集中在相控阵超声技术的一些主要优点上,即:①速度快:相控阵技术可进行电子扫描,比通常的光栅扫描快一个数量等级;②灵活性好:用一个相控阵探头,就能涵盖多种应用,不象普通超声探头应用单一有限;③电子配置:通过文件装载和校准就能进行配置,通过预置文件就能完成不同参数调整;④探头小巧:对某些检测,可接近性是“拦路虎”,而对相控阵,只需用一小巧的阵列探头,就能完成多个单探头分次往复扫查才能完成的检测任务。 十年前,相控阵超声技术在工业上已锋芒毕露。便携式相控阵探伤仪的推出,更是倍受青睐:仪器可单人现场操作,数据实时传送、远程分析。最近,国内大专院校和研究所及电子仪器设备制造公司,也在投注力量,加速研制,使国产相控阵仪器早日问世。 2 超声相控阵原理 2.1 概述 超声波是由电压激励压电晶片探头在弹性介质(试件)中产生的机械振动。工业应用大多要求使用0.5M Hz ～15M Hz 的超声频率。常规超声检测多 第31卷第4期2007年8月 无损探伤N D T V ol.31N o.4 Aug us t.2007常用卫星通信天线介绍
相控阵技术
浅述相控阵天线波束控制的基本原理及波控系统的任务
浅谈卫星通信天线系统综合防雷设计
相控阵天线方向图推导及仿真
一款Ku频段卫星通信车载天线的设计
常用卫星通信天线介绍
超声相控阵技术第一部分基本概念_李衍
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