漫谈卫星地球站天线

前言

▎近年来，随着商业航天产业的飞速发展，全球各类航天器发射活动日益增多，卫星作为全球的通信、导航、遥感的重要组成部分，深刻的改变着人类的生活方式，应用前景被广泛看好。

▎不管是太阳同步卫星、地球同步卫星还是其他航天器，承担卫星测量、控制、数据传输任务的地面站必不可少。我们经常见到的就是天线，直观的印象就是一口“大锅”，它其实是用来发射和接收无线电波的金属抛物面。卫星地面站一般由天伺馈分系统、射频收发信道分系统、调制解调分系统、时频分系统、监控分系统以及其他辅助系统组成。我们今天主要介绍的天伺馈分系统中的天线子系统，它的主要作用是收集由卫星发射的微弱无线电信号以及将包含控制命令和数据的无线电信号发送给卫星，并尽可能去除杂波信号；一般来说，天线口径越大，信号越强，接收质量越好。

为了获得高增益，卫星地面站所采用的天线一般是抛物面天线。抛物面天线是指由抛物面反射器和位于其焦点上的照射器(馈源)组成的面天线。通常采用金属的旋转抛物面、切制旋转抛物面或柱形抛物面作为反射器，采用喇叭或带反射器的对称振子作馈源。抛物面天线是一种单反射面型天线。

卫星地面站的天线广泛采用双反射面天线（主反射面、副反射面），常见的双反射面天线有卡塞格伦天线、格里高利天线、环焦天线。

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卡塞伦格天线

卡塞格伦天线由三部分组成，即主反射器、副反射器和辐射源。主反射面为旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面。通俗来讲，如果把主反射面看成一口“锅”，把副反射面看作是一个“碗”。那么卡塞格伦的“碗”口向上，与“锅”面同向安装。

卡塞格伦天线原理图

特点

卡塞格伦天线相对于抛物面天线来讲，它将馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式，这使天线的结构较为紧凑，制作起来也比较方便。另外卡塞格伦天线可等效为具有长焦距的抛物面天线，而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各点的距离接近于常数，因而空间衰耗对馈电器辐射的影响要小，使得卡塞格伦天线的效率比标准抛物面天线要高。但因为卡塞格伦天线是一个双反射面的天线系统，副反射面、副反射面的支杆以及馈源必然会在主反射面上带来遮挡影响，这使得卡塞格伦天线副瓣抬升、增益降低。

应用

大口径天线（10米以上）使用卡塞格伦天线较多，如下图所示中国遥感卫星地面站、深空探测站等。

中国遥感卫星地面站-昆明7.3米卫星数据接收站

（图片来源：中国科学院空天信息创新研究院官方网站）

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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。与卡塞格伦天线不同的是，它的副反射面是一个椭球面。如原理图所示：副反射面碗口向下，就像倒扣在锅面一样。

格里高利天线原理图

特点

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合。格里高利天线的许多特性都与卡塞格伦天线相似，不同的是椭球面的焦点是一个实焦点，所有波束都汇聚于这一点。卡塞格伦天线的主反射面可以是浅抛物面，也可以是深抛物面，而格里高利天线只能用浅抛物面作为主反射面。当两种主反射面焦距相同时，格式天线的纵向尺寸比卡式天线大。

应用

因其效率较低，在卫星地面站应用较少。

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环焦天线

环焦天线的主反射面为旋转抛物面，副反射面母线为椭圆或双曲线。从平面图来看，副反射面双碗倒扣，就像双手在“比心”。

环焦天线原理图

特点

环焦天线焦点轨迹是一个圆环，环焦天线在卫星地球站天线中有独特的地位，特别是在中小型地面站天线中。用这种天线可以克服作为初级馈源的波纹喇叭所引起的遮挡大于副镜造成的次级遮挡的缺点。

应用

中科天塔固定测控站和机动测控站天线均采用环焦天线。环焦天线有如下优点：馈源安装于副面反射场照射不到的地方，消除了副面反射场对馈源性能的影响，降低了天线的电压驻波比，可以获得较好的圆极化轴比；馈源喇叭与副反射面可以靠得较近，副反射面直径较小，减小了副反射面对天线口径的遮挡。

 中科天塔西安测控站（7.3米天线）

未来的商业航天测控站

未来，商业航天测控地面站将向小型化、高频段、超宽带、多波束趋势发展。小型化主要是天线口径逐步变小，测控设备小型化、模块化，建站将越来越方便快捷；高频段主要是采用X、Ku、Ka波段，甚至采用太赫兹频段来进行测控数传，数据速率将达到百兆或者千兆；多波束是指在未来一副天线可同时测控多颗甚至几十颗卫星，大大提高测控效率。商业航天建设成本、维护保养成本也会越来越低，性价比也越来越高。