室外八木天线的原理和特点

图11-2　偶极型天线和折偶型天线示意图

接收地面无线电视信号和卫星电视信号时都要用室外天线。接收地面无线电视信号常用偶极型天线和八木天线。

（一）偶极型天线

偶极型天线具有定向性，是由两个L状金属（多为铝或铜）条并放成T状而成。T型的水平部分长度为波长的1/2，波长若为12.5cm，则T型水平部分长度应为6.25cm。

偶极型天线属线型天线，如图11-2所示。图中，左为线型天线中的偶极型天线，右为折偶型天线。

偶极型天线的输出阻抗为75Ω，折偶型天线的输出阻抗为300Ω。

（二）八木天线

八木天线也属线型天线。八木天线由一受激单元、一反射单元和一个或多个引向单元构成。注：实际上反射单元可以由多个单元或一反射面组成。

20世纪20年代，日本东北大学的八木秀次和宇田太郎两人发明了这种天线，被称为“八木宇田天线”，简称“八木天线”。

八木天线有很好的方向性，较偶极天线有更高的增益。

典型的八木天线应该有3个振子，整个结构呈“王”字形。与馈线相连的振子称有源振子或主振子，居3个振子之中，是“王”字的中间一横。比有源振子稍长一点的振子称反射器，它在有源振子的一侧，起着削弱从这个方向传来的电波或从本天线发射出去的电波的作用；比有源振子略短的振子称引向器，它位于有源振子的另一侧，它能增强从这一侧方向传来的或向这个方向发射出去的电波。引向器可以有许多个，每根长度都要比其相邻的并靠近有源振子的那根略短一点，如图11-3所示。

图11-3　八木天线结构图

引向器越多，方向越尖锐、增益越高，但实际上超过4、5个引向器之后，这种“好处”增加就不太明显了，而体积大、自重增加、对材料强度要求提高、成本加大等问题却渐突出。通常情况下有5个单元（即有3个引向器、1个反射器和1个有源振子）就够用了。

每个引向器和反射器都是用一根金属棒做成。无论有多少“单元”，所有的振子，都是按一定的间距平行固定在一根“大梁”上。大梁也用金属材料做成。这些振子的中点要与大梁绝缘吗？不要。原来，电波“行走”在这些约为半个波长长度的振子上时，振子的中点正好位于感应信号电压的零点，零点接“地”，一点也没问题。而且还有一个好处，在空间感应到的静电正好可以通过这些接触点、天线的金属立杆再导通到建筑物的避雷地网去。

八木天线的工作原理是（以三单元天线接收为例）：引向器略短于二分之一波长，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。此时，引向器对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°；引向器感应的电磁波会向主振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后于从空中直接到达主振子的信号90°，恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，与从反射器方向直接加到主振子上的信号正好相差了180°，起到了抵消作用。一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。发射状态作用过程亦然。

有源振子是关键的一个单元。有两种常见形态：折合振子与直振子。直振子其实就是二分之一波长偶极振子，折合振子是其变形。有源振子与馈线相接的地方必需与主梁保持良好的绝缘，而折合振子中点仍与大梁相通。

经典的折合振子八木天线的特性阻抗约为300Ω（振子间距约四分之一波长），这就是常见的室外电视接收天线。

架设八木天线时，天线的振子是和大地平行好还是与大地垂直好？答案是收、发信双方保持相同“姿势”为好。振子水平时，发射的电波其电场与大地平行，称“水平极化波”，振子与地垂直时，发射的电波属“垂直极化波”。收发双方应该保持相同的极化方式。在U/V波段，电视信号都是“水平极化波”，八木天线应为水平架设。

振子的直径对天线性能有什么影响？回答是直径影响振子长度，直径大则长度略短。直径大，天线Q值低些，工作频率带宽就大一些。

折合振子是“平躺”在大梁上，其几个边都与其他振子在一个平面上好？还是折合振子的面垂直于大梁，只有其长边和其他振子保持在一个平面上好呢？经典的折合振子八木天线是前者。根据前面所说的工作原理，如果把折合振子平躺在引向器和反射器之间，折合振子就有两个边“插足”，其中的相位关系就更复杂了许多。

八木天线方向性好、增益高，采用平衡式传送电视信号（即双线传送）。

为了获得较好的收视效果，室外电视天线安装一般都要比周围建筑物高出许多。在这种情况下，如果没有采取避雷措施或避雷措施不完善，就很容易引发雷击事故，从而造成财产损失，甚至导致人员伤亡。解决室外电视天线的防雷问题要做到以下三点：一是首先将天线接地；二是安装天线馈线避雷器；三是雷雨天气发生之时最好不要打开电视机，同时应将电源线、天线等插头拔掉（特别是在强雷暴天气发生的时候）。

（三）抛物面天线

接收卫星电视信号常用抛物面天线（俗称“锅”）。卫星电视接收天线利用电波的反射原理，将电波聚焦后，辐射到馈源上的高频头里，然后通过馈线将信号传送到卫星接收机并解码出电视节目。卫星接收天线形式有多种多样，但最常见的有以下三种。

1.正馈（前馈）抛物面卫星天线

正馈抛物面卫星接收天线类似于太阳灶，由抛物面反射面和馈源组成。它的增益和天线口径成正比，主要用于接收C波段的信号。由于它便于调试，所以广泛应用于卫星电视接收系统中。它的馈源位于反射面的前方，故人们又称它为前馈天线，如图11-4所示。

正馈抛物面卫星天线的缺点如下：

（1）馈源是背向卫星的，反射面对准卫星时，馈源方向指向地面，会使噪声温度提高。（2）馈源的位置在反射面以上，要用较长的馈线，这也会使噪声温度升高。

（3）馈源位于反射面的正前方，它对反射面产生一定程度的遮挡，使天线的口径效率会有所降低。

优点就是反射面的直径一般为1.2 m～ 3m，所以便于安装，而且接收卫星信号时也比较好调试。

图11-4　正馈（前馈）抛物面卫星天线结构图

图11-5　后馈式抛物面天线结构图

2.卡塞格伦（后馈式抛物面）天线

卡塞格伦是一位法国物理学家和天文学家，他于1672年设计出卡塞格伦反射望远镜。1961年，汉南将卡塞格伦反射器的结构移植到了微波天线上，他采用了几何光学的方法，分析了反射面的形状，并提出了等效抛物面的概念。卡塞格伦天线，它克服了正馈式抛物面天线的缺陷，由一个抛物面主反射面、双曲面副反射面和馈源构成，是一个双反射面天线，它多用作大口径的卫星信号接收天线或发射天线。抛物面的焦点与双曲面的虚焦点重合，而馈源则位于双曲面的实焦点之处，双曲面汇聚抛物面反射波的能量，再辐射到抛物面后馈源上，如图11-5所示。

由于卡塞格伦天线的馈源是安装在副反射面的后面，因此人们通常称它为后馈式天线，以区别于前馈天线。

卡塞格伦天线与普通抛物面天线相比较，它的优缺点如下：

（1）设计灵活，两个反射面共有4个独立的几何参数可以调整；

（2）利用焦距较短的抛物面达到了较长焦距抛物面的性能，因此减少了天线的纵向尺寸，这一点对大口径天线很有意义；

（3）减少了馈源的漏溢和旁瓣的辐射；

（4）作为卫星地面接收天线时，因为馈源是指向天空的，所以由于馈源漏溢而产生的噪声温度比较低。

缺点是副反射面对主反射面会产生一定的遮挡，使天线的口径效率有所降低。由于其口径都在4.5m以上，所以制造成本较高，而且接收卫星信号时调试有点复杂。(www.xing528.com)

3.偏馈天线

偏馈天线又称OFF SET天线，主要用于接收Ku波段的卫星信号，是截取前馈天线或后馈天线一部分而构成的，这样馈源或副反射面对主反射面就不会产生遮挡，从而提高了天线口径的效率，如图11-6所示。

从图中可以清楚地看出，偏馈天线的工作原理与前馈天线或后馈天线是完全一样的。一般来说，相同尺寸的偏馈天线和正馈天线接收同一颗卫星电视信号时，因反射的角度不同，偏馈天线的盘面仰角会比正馈天线盘面仰角略垂直约25°～30°。

图11-6　偏馈天线结构图

偏馈天线的优点是：

（1）卫星信号不会像正馈天线一样被馈源和支架所阻挡而有所衰减，所以天线增益略比正馈高；

（2）在经常下雪的区域因天线较垂直，所以盘面一般不会积雪；

（3）在阻抗匹配时，能获得较佳的“驻波系数”；

（4）由于口径小、重量轻，所以便于安装、调试。

缺点是在赤道附近的国家，如使用正馈一体成型的天线来接收自己上空的卫星信号，天线盘面必须钻孔，才不致天线盘面积水。

（四）馈源

馈源又称波纹喇叭，是抛物面天线的重要组成部分，安装在抛物面天线反射面的焦点位置上。

1.馈源的作用

馈源的作用有两个：一是将聚集在焦点上的电磁波信号转换成电压供高频头处理；二是对接收到的电磁波信号进行极化选择。

2.馈源的组成

馈源由波纹喇叭（输入口）、极化变换器（相移器）和圆矩波导过渡变换器等组成。其中，波纹喇叭的作用是收集抛物反射面聚集来的电磁波信号；极化变换器的作用是根据其内部相移介质片的不同位置可对不同的极化波进行选择接收；圆矩变换器的作用是将波纹喇叭的圆波导与馈源输出口安装高频头的矩形波导进行匹配连接，如图11-7所示。

图11-7　接收不同极化波馈源介质片的位置示意图

3.馈源的类型

根据接收频段和极化方式可分为C频段单馈源、Ku频段单馈源、双极化馈源（能同时接收同一颗卫星转发的水平极化波和垂直极化波）、C频段和Ku频段双馈源（能同时接收同一颗卫星转发的C频段和Ku频段节目）、多端口馈源（如C频段和Ku频段双极性4端口馈源，可接两个C频段高频头和两个Ku频段高频头），以及馈源和高频头制作在一起的一体化馈源等。

（五）高频头

高频头又称低噪声下变频器（Low Noise Block Down Converter，LNB），其作用是将天线接收到的下行高频信号进行低噪声放大后再下变频至第一中频信号提供给卫星接收机，如图11-8所示。

高频头安装在抛物面天线的焦点上，与馈源连接在一起。如图11-9所示。

图11-8　高频头中频信号输出接口

图11-9　高频头与馈源

高频头内部电路包括低噪声放大器和下变频器，完成低噪声放大及变频功能，即把馈源输出的4GHz信号放大，再降频为950MHz～2150MHz第一中频信号。

1.高频头的组成

高频头由波导微带变换器、微波低噪声宽带放大器、下变频混频器和第一中频前置放大器等组成，如图11-10所示。

图11-10　高频头的组成原理框图

2.高频头的类型

按频段可分为C频段高频头和Ku频段高频头；按极化方式可分为单极化高频头和双极化高频头；按组合方式可分为C/Ku频段复合高频头和与馈源结合的一体化高频头（LNBF）；按信号类型可分为模拟高频头和数字高频头等。

3.高频头主要技术参数

（1）输入频率范围。C频段高频头为3.4GHz～4.2GHz，Ku频段高频头为10.7GHz～11.7GHz、11.7GHz～12.2GHz、11.7GHz～12.75GHz等。

（2）输出频率范围。即第一中频范围，也是接收机的输入频率范围，一般为950MHz～1450MHz、950MHz～1750MHz、950MHz～2150MHz等。

（3）本振频率。一般要与接收频段和接收机的输入频率范围匹配。C频段单极化高频头为5150MHz，C频段双极化高频头为5150MHz（水平极化）和5750MHz（垂直极化），Ku频段高频头如表11-2所示。

表11-2　常用的Ku频段本振频率

（4）噪声特性。用噪声系数或噪声温度表示，一般越小越好。如C频段高频头的噪声温度一般要求在20K（对应噪声系数0.3dB）以下，Ku频段高频头的噪声系数要求在0.8dB（对应噪声温度59K）以下。

（5）增益。要求较高，C频段约为65db、Ku频段约为60db。

（6）本振稳定度及相位噪声。模拟接收要求较低，数字接收要求较高，稳定度≤±500kHz，噪声＜-85dB/Hz（@10kHz）。

我国采用11.30GHz。