卫星测试科普（九）：卫星天线及测试科普（相控阵抛物面全向等）

赋明通

在无垠的宇宙中，卫星作为穿越星空的信使，承载着地球与太空之间的信息桥梁。载有天线阵的探测器在地面系统的指挥下，已经访问了太阳系的行星背后。探测器用厘米波发回的照片和数据，其信号单程就经历了五个多小时，而这一切通信的基石，正是卫星天线！

从本期开始，我们将正式探索守卫太空的听诊器-卫星天线及天线测量系统。在射频工程领域，绝大多数参数都与频率有关，每个设备都有随频率变化的特性，卫星天线是用于发送和接收卫星信号的关键设备。

常见的卫星天线类型有：相控阵天线、抛物面天线、全向天线、口径阵列天线、波导槽天线、微带天线等。
抛物面天线简介

抛物面天线是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。

抛物面天线主要由基座、支撑件、天线紧固框架结构以及天线反射面板组成，就像是一口巨大的银色“锅”，优雅地捕捉着来自遥远卫星的微弱信号。它的表面平滑如镜，利用抛物面的完美曲线，将接收到的信号像聚光灯一样集中到焦点处的馈源上，让信号强度瞬间倍增。因为馈源所接收的卫星信号的功率可以认为是所有平行照射到曲面上的卫星信号功率之和。

抛物面天线安装在伺服转台上，转台能够在电机驱动下在方位、俯仰、极化三个自由度上转动。通过转台的转动，可以使得抛物面天线的轴线对准卫星，保证全部入射信号汇集到焦点。天线的增益跟曲面的面积相关。曲面的面积越大，入射到曲面上的卫星信号就越多，汇集到曲面焦点的信号功率就越强，天线对卫星信号的放大倍数（增益）也就越大。这种天线不仅是卫星通信和卫星电视接收的得力助手，还是天文观测不可或缺的工具，让人类能窥探宇宙深处的秘密。

抛物面天线对星：如果抛物面天线没有对准卫星，即使有卫星信号照射到面上，信号路径就不和轴线平行，就不能保证全部入射信号汇集到焦点上。为了达到抛物面天线放大卫星信号功率的目的，抛物面天线的轴线必须对准卫星。

相控阵天线简介

首先，我们先来理解，什么是“阵”：广义上，阵由很多个单阵子组成。单阵子就是我们理解的单个天线，每个天线都有自己的方向图（描述天线在不同方向辐射能力）。

相控阵：即相位补偿(或延时补偿)基阵，是利用电子元器件控制阵列天线上的信号相位分布，实现波束指向电扫描的雷达系统。

相控阵：相位+控制+天线阵列。相控阵雷达无需机械转动天线，即可在指定空间范围内灵活指向波束。

相控阵天线由多个天线单元组成，每个单元具有独立且完整的功能，按一定的规则排列在一起，形成大的阵面后可实现更大的天线增益，从而实现快速入网和高速数据通信。

相控阵天线是一种具有电子转向功能的天线阵列，不需要天线进行任何物理移动，即可改变辐射信号的方向和形状。其基本原理是两个或多个辐射信号出现依赖相位的加。当信号同相时，它们会结合在一起，形成一个幅度相加的信号。当信号反相时，它们会相互抵消。

相控阵天线包括多个发射器，用于高频射频应用中的波束成形。相控阵天线中的发射器数量可以从几个到几千个不等。使用相控阵天线的目的是利用两个或多个辐射信号之间的建设性干扰来控制发射波束的方向，这在天线界称为“波束成形”。相控阵天线通过调整发送到阵列中每个发射器的驱动信号的相位差来实现波束成形。因此，不需要天线进行任何物理移动，就可以控制辐射方向，使其指向一个目标。

相控阵天线系统的主要组成部分包括:天线单元及阵面、T/R 组件、波束形成（馈电）网络、电源、波控以及结构与热控组件。它具有多波束、实时切换、无惯性跟踪等特点。相控阵天线是卫星通信系统的核心部件，卫星配置相控阵天线在覆盖能力、波束切换、通信容量、通信延迟、频段支持、灵活性、抗干扰能力、能效提升以及成本优化等方面均表现出显著优势，在卫星通信系统空间段和用户终端都有应用，包括星间数据链通信、北斗卫星导航系统、地面“动中通”通信系统、无人机通信控制系统、地面导航等平台。

全向天线简介

从字面上看，全向天线是一种向所有方向均匀辐射的天线。但实际上，"全向"一词需要结合通信应用场景来理解。例如，对于自由空间中的天线(如低地球轨道卫星上的天线)，可能希望它在三维空间中向所有方向均匀辐射，而对于地面高频站，人们则希望它在方位角(水平面)周围的所有方向(360°)均匀辐射。

天线工作频率

无论是哪种天线，它们总是在一定频率范围内有效工作的。天线在中心频率附近通常具有最佳的辐射模式、增益和方向性，能够更有效地辐射或接收电磁波。

天线的辐射方向性

天线的辐射方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力，其特性曲线通常用方向图进行表示。方向图中通常有两个瓣或多瓣，最大的瓣称为主瓣，其余的称为副瓣。主瓣越窄，则表示天线方向性越好，抗干扰能力越强。
测试天线性能的重要参数

天线是无线电设备的重要组成部分。天线性能的好坏直接影响无线电设备的性能。测试天线性能的重要参数如下：

其中，增益是天线最重要的参数之一，是天线在指定方向上的辐射强度与同样的输入功率各向同性辐射时的辐射强度之比，增益的衡量单位是分贝，通常用dBi表示，其中“i”代表“各向同性”。增益体现在方向图上，主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。此外，还有一些最重要的天线参数，如回波损耗、S11和VSWR（电压驻波比）等。
天线测试仪器

随着卫星通信产业的发展，天线作为卫星通信系统中的关键组件，也在不断创新和进步先进的天线测量系统、近远场变换技术也是必不可少的。天线测量技术可通过实际测量评估及时修正优化实验仿真的数据，一定程度上弥补仿真技术的局限性。

卫星天线的测试就像是为天线进行一次全面的“体检”与验证，确保卫星天线在轨期间能准确无误地传输信号。天线测试方案通常在微波暗室进行，涉及到近场测试、紧缩场测试和远场测试等不同的测量方法。

在天线测量系统中，最核心的是矢量网络分析仪，它扮演着“听诊器”的角色，能够测量天线的反射系数、驻波比、增益等关键参数，同时分析天线在不同频率下的响应，完成幅度相位方向图的多频点测试，为天线的性能绘制一幅精细的“肖像”，给工程师提供详尽的数据支持，让每一个细微的变化都无所遁形。正是有了天线测量系统的守护，卫星天线才能在浩瀚的宇宙中，成为连接地球与未知世界的可靠信使。

在天线测量系统中，还会用到矢量信号分析仪、信号源及高速数字实时示波器：

矢量信号分析仪不仅能和矢量网络分析仪、矢量信号源强强联动，深入“体检”卫星载荷的元件、组件及子系统，还能在更高频率和更宽带宽下监测卫星接收机中的干扰信号，比如利用实时频谱分析（RTSA）测量能力，捕获持续时间非常短的间歇信号。矢量信号分析仪适用于卫星有效载荷、系统、转发器与功放等组件研发、生产过程的测试。包括多载波群时延测量、噪声功率比测量、矢量信号数字解调EVM测量、卫星地面站载波监测等。

天线测试中，信号发生器负责生成和仿真出各种标准、精确、稳定的信号来测试电路或系统的响应能力，就像药剂师确保药物成分、剂量都符合标准那样。比如在卫星元件/组件和有效载荷的重要测试项目中，利用微波信号发生器生成多载波连续波信号（MCCW）来模拟带宽信号，亦或是自定义波形生成ARB、OFDM、AWGN等。

高速数字信号与总线测试：卫星通信需要高效、快速地传输大量数据，高速信号的质量至关重要，要想捕捉并分析载荷高速信号的每一个细微变化，做出深度的信号“诊断”，满足Ku波段及以上信号分析的核心测试设备-数字示波器必不可少，高速数字实时示波器是卫星高速信号测试的利器！

此外，玖锦科技可提供一站式的天线微波暗室交钥匙工程，具备方案解耦能力。根据测试指标和场景的不同，天线测试由包含远场、近场、紧缩场等等不同类型的测试方案。

在这里也做个预告，我们后续的3-4期内容，将为大家逐一介绍近场、远场、紧缩场等不同场景下的卫星天线测试方案，欢迎大家关注。

本期关于天线的基础知识就和大家聊到这里，谢谢大家！