认识馈源了解馈源

昵称cVZ45YVi 2014-10-19

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翻开卫星电视书籍,介绍馈源的内容篇幅相当少。而我们在实际卫视接收中,有关馈源技术动手太多,如圆极化接收技术、正馈天线Ku接收技术、偏馈天线C波段接收技术等,这些都与馈源技术有关,多数都要动手自制。如果你掌握了馈源理论,你可任意设计制作;如果对其中部分不不太清楚,你可测量正规成品馈源推测设计原理;懂知甚少或完全不懂就仿制,照抄的也许能用搬了家也许效果不佳。任何设计制作,最后还得试用验正,结合具体情况在实验中纠正设计误差,取得最佳收视效果才是最终目的。在圆极化接收技术中,众所周知是加极化片,加极化片取得最佳收视效果,这里面有学问,这其中包括极化片材质、厚度、最佳长度、极化片几何形壮等。理论上你制作的极化片的波长、介质缩短糸数取值多少恐怕没多少人能准确说清楚。本文及后面的专题文章,试图从理论和实践中把馈源技术说清楚。

抛物面卫星接收天线,是由反射面和馈源两部分组成的,馈源是向抛物面天线提供电磁辐射的初级辐射源,其作用是将高频电流或波导能量转变成电磁辐射能量。简单说馈源的主要功能是将天线收集的信号聚集送给高频头,馈源在接收系统中的作用是非常重要的。它必须尽量有效地汇聚有用信号,并除去杂讯,适配不好的馈源会增加系统噪声。馈源还起着选择极化的功能,馈源配合不好,会出现两种极化信号彼此干扰,这在双极化单输出高频头不加极化片接收圆极化波最明显。馈源工作频段较宽,C频段带宽0.8GMHz,Ku波段带宽2GMHz以上,设计时取值中心介质缩短波长。我也分析过单本振双本振Ku馈源,同一厂商的馈源也没啥差别,说明馈源工作频段还是较宽的。

为了验正以上馈源理论,也曾作过加大馈源盘心想提高增益的做法。6年前用1.5米正馈天线收166E Ku太平洋卫视,用偏馈Ku高频头加波导管收下了两个频点,加大Ku馈源盘直经约9cm收下了4个频点,再加大馈源盘至13cm,也没发现有多大效果,当时用高斯贝尔500型机,讯号强度很难辩别微小增益,如当时有讯噪比机型检测的话,9cm馈源盘估测至少提高了0.3～0.4db。前年一时兴起,决定采用接圈比例增大Ku频段馈源槽数,这种接圈实验作法是用同一只Ku头便于迅速拆接对比又不破坏原馈源结构,保证实验验正精度。原Ku馈源槽为3槽,再增4槽共7槽,可谓是超级馈源了。精心设计制作实验验正,在0.9米偏馈天线上7槽馈源与三槽馈源相比讯噪比反而降低了0.2db,实验加接馈源见图1。实验验正了并不是馈源盘越大增益越高,要与天线匹配馈源大小恰当才有最佳增益。

图1

馈源是由波导管和波纹喇叭两部分组成,现在一体化高频头C频段把高频头和波导管合在一起制造,Ku频段一体化高频头体积较小把馈源合在一起制造。圆波导是馈源的核心部分,其内径为电波通过介质缩短后的一个波长。C频段通常取值在6.3cm左右,Ku频段取值在2.1cm左右,由于C频段和Ku频段波长之比为3:1,同理C频段和Ku频段波导管的直径比也是3:1,由于各生产厂商中心波长介质缩短系数取值有差异,因此波导管径也有所不同。为了取得以上数据,实际测量过几种具有代表性的C频段一体双极化单输出高频头参数(见表1),百昌O.S-222管径最大，普斯PX-1000次之,PBI-1800管径较小,根据波导管径,我们可推算出C频段4GMHz时的介质缩短糸数。从图2看这三种高频头,普斯PX-1000最长,而PBI-1800最短。须指出的是,一体化高频头波导管和高频头连成一体,方便生产和使用,扣除高频头部分,实际波导管长度设计为中心波长1.5λ或2λ(λ缩短波长)左右。便于参考表1最后还列出了标准单极化波导管参数。在高频接收器材设计中,波长(λ)取值很重要,取波长整数或半波(λ/2)及四分之一波长(λ/4)等，主要目的是高频电路阻抗匹配才有较高的接收效率。

图2

常见C频段一体、分体高频头波导管参数表1

高频头型号	管内径(cm)	波导管深度(cm)	波导管深度(cm)	深度/直径比
O.S-222	6.4	0.85	16.3	2.5/1
PX-1000	6.2	0.82	17.4	2.8/1
PBI-1800	5.9	0.78	15.0	2.5/1
单极化波导管	6.1	0.81	13.1	2.1/1

我们再来看波纹馈喇叭,虽然种类较多,但归类只有两、三种,主要是根据天线类型设计制造的,目的是与卫星天线匹配提高卫星天线接收效率,但这些波纹喇叭馈源适用于线极化同样也适用圆极化波。

①前馈形馈源:用于前馈(正焦)天线大多使用平面喇叭源或(又称环形馈源),C频段和Ku频段式样相同,Ku频段波纹喇叭可理解为C频段波纹喇叭的缩小版(缩小比例1:3)。C频段波纹喇叭(馈源盘)与波导管为分体式,Ku频段由于体积较小设计为一体式。以C频段馈源盘为例(图3),有单槽、双槽、三槽馈源盘,通常合理使用和减少遮挡面积,小型天线用小型馈源盘,大型天线用大馈源盘。精度相当好的1.2米以下正焦天线,还可省去馈源盘,实验验正小型正馈天线馈源增益与遮当部分刚好抵消,有无馈源盘对信号无影响(图4),可见馈源盘的增益随天线精度的提高而减弱。普通C频段天线所配馈源,馈源盘与馈源筒配合可调整天线张角,通常焦径比0.38的天线,馈源筒伸出馈源盘1cm(同理Ku频段正馈源波导管应伸出0.3cm),现在多数天线馈源盘与支杆天线固定,这就要看天线生产厂商的焦点精度了,不然照顾天线焦点满足不了馈源张角。这里顺便谈一下馈源盘增益,就普通C频段天线馈源盘搭配合理馈源张角正确,视天线精度差异一般可提高增益0.5db左右,相反就会提高天线噪声最高可这达20°K,损失了部分天线增益。合理搭配对提高卫星接收糸统载噪比有好处。对波纹馈源设计,波纹槽宽W≤λ/4、槽深h为λ/4～λ/2,按其用途,槽的形壮有三角形、矩形和梯形等。如果仔细观察馈源槽宽,发现并非是等距的,宽窄不同的槽距设计有利于提高工作宽段内高低频率的幅频特性增益接近。近年来有些非正规高频头厂商为降低成本,高频头外壳用铁质,馈源盘的槽深用λ/8设计,这种高频头效率多高能用多久就很难说了。

图3

图4

②圆锥形馈源:我们常见的圆锥形馈源主要用在偏馈天线上,偏馈天线上的Ku高频头就是圆锥形馈源(图5),是根据偏馈天线张角(约70°)设计制造的,馈源内喇叭口张角也是在70°左右。另外有部分发烧友受地形限制,用小型偏馈天线接收C频段高场强卫星节目,也用到偏馈天线C频段圆锥喇叭馈源,不知何人何时把它叫高效馈源,其实也并不高效。设计原理可视为偏馈Ku频段圆锥形馈源的3倍放大版,与偏馈天线张角对应匹配接收,为适应C波段收视需要,作了部分修正改进,见图6。

图5

图6

③后馈型馈源:后馈型馈源其实也属于圆锥形馈源类(图7),配合锥形聚焦反射源,与偏馈天线圆锥形馈源喇叭张角有所不同,设计在30°左右。主要用在商用大型(4.5米以上)天线上。一般收视也用不上它。

图7

前些年的查帕尔极品电动馈源,精良的设计与接收机配合可实现C/Ku、线极化圆极化自动转换接收。但现在生产的数字接收机,也没相应的驱动电路和接口了,作为收藏的古董最适合。

在卫星电视接收中,正确选择馈源很重要。在圆极化接收中,用线极化馈源不正确加极化片理论上会损失3db的天线增益;偏馈Ku馈源用在正馈天线接收,会损失3db的天线增益;偏馈天线接收C波段,C波段馈源筒不配高效馈源,会损失3db天线增益。在馈源技术中这个损失3db增益的概念,相当于只用了天线面积的一半。在研究馈源中发现,这只是一个理论数据,实际发现在上述馈源失配的情况下,有效收视信号略大于天线面积的一半,即增益损失小于3db。

本文最后介绍点不常用馈源,随一体高频头技术的发展,部分馈源也将走入历史,但在卫星电视接收中也曾作出过不可磨灭的贡献。

①单极化C频段馈源:表1中的单极化波导管就是它(图8),与单极化高频头法兰连接使用,馈源筒内在高频头接口端设计有圆矩过度区域。与低噪声高频头配合,增益普遍优于双极化一体高频头,有部分发烧友在偏馈天线收视C频段还时而用到它。

图8

②双极化C频段馈源:现在个体接收多用一体双极化单输出高频头,而在集中收转或多用户接收中普遍使用双极化馈源,即用两只单极化高频头配合双极化馈源相互垂直同时接收广播卫星转发的水平极化波和垂直极化波,就须用双极化馈源。在工程系统接收中最常见,目前新系统通常用双极化双输出或双本振高频头取代双极化馈源。常见有两种类型,一种馈源的两个法兰盘位于一个平面上,主、副腔体波导传送用1/4波长金属条输送,见图9。而另一种馈源的两个法兰盘位于相互垂直的平面上,波导传送为腔体幅射,见图10。