高频头是整个卫星接收链路上的关键部件, 它的学名叫做高频调谐器 (LNB:Low Noise Block Down Converter) , 高频头的好坏或者是否选择的合适会直接影响卫星信号的接收质量, 它的选购和使用要根据当地的地理环境和卫星信号情况等综合而定, 通常地理环境和当地电磁波情况越复杂, 对技术人员选用高频头的水平要求越高。下面本人结合自己的工作经验谈谈卫星接收的关键部件——高频头。
1 卫星信号的种类
目前用于转发广播电视信号的卫星所用转发器的频率有两个波段, 一个是C波段, 频率范围3.7Hz~4.2GHz;一个是ku波段, 频率范围11.7Hz~12.5GHz。为了更加充分的利用本波段的频率, 转发器在转发信号时又分线极化波 (水平极化和垂直极化) 、圆极化波 (左旋极化和右旋极化) 。所谓极化, 就是指天线辐射时形成的电场强度方向与地面的相互关系或电场矢量端点的运动轨迹。
1.1 线极化波
当电场强度方向垂直于地面时, 此电波就称为垂直极化波;当电场强度方向平行于地面时, 此电波就称为水平极化波。这里需要指出的是由于电波的特性, 决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流, 极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减, 而垂直极化方式则不易产生极化电流, 从而避免了能量的大幅衰减, 保证了信号的有效传播。这就是有时我们感觉水平极化波好像没有垂直极化波强的原因。C波段一般使用这种极化方式。
1.2 圆极化波
电场矢量不是固定在一个方向, 而是旋转的, 若电场矢量的端点以等角速度画出一个圆, 就叫圆极化波。根据电场矢量的水平分量和垂直分量间的相位差的不同, 旋转的方向可以是左旋的 (电场矢量方向以等角速度做逆时针方向旋转) ;也可以是右旋的 (顺时针方向) 。
2 高频头的结构和分类
(1) 结构。
高频头由馈源、波导管和内电路组成。从外观上看, 圆形的部分是馈源, 它是无源的部分, 外形呈圆形的馈源是一个汇集电磁波的喇叭, 它的任务就是把抛物面反射过来的电磁波能量收集起来。圆形的馈源盘至少有两环, 有的有三环、五环或更多, 就像石头扔进水里在水面扩散出来的波纹, 都是同心圆。还有偏馈天线的馈源盘, 从中心环到最外环, 依次升高, 像山坡上的梯田, 所以叫做梯形馈源盘;这是专门为偏馈天线设计的, 能最大程度地吸收电磁波能量。馈源盘跟波导管连接, 波导管末端是方形的“法兰盘”, 法兰盘里就是天线振子。由馈源收集的电磁波能量, 经过波导管传输到法兰盘中固定的振子上, 带动振子震动, 用来接收信号 (目前一体化的高频头已没有法兰盘了) ;内部有高放、本振、混频等电路, 它是有源的。
(2) 分类 (本文重点介绍C波段高频头) 。
(1) 单极化高频头。
这是工程上较早使用的一种高频头, 一旦安装就只能接收一个极化的信号, 要想接收另一极化的信号, 就得将高频头旋转90度, 它的本振频率是5150MHz, 输出信号的频率范围950MHz~1450MHz。其优点是各项指标相对较高;缺点是使用不方便。
(2) 双极化高频头。
双极化高频头能够接收水平和垂直极化电磁波, 而不需要旋转高频头的角度, 它在里面安装两根振子, 相互垂直, 而且在波导管里还有一根隔离针, 起极化隔离作用。双极化单输出高频头, 利用13/18V电压切换极化 (13V垂直、18V水平) , 两个极化不能同时工作, 同一时间只能输出一个极化信号。因此不能用于多机接收, 工程上用的少, 较适于家庭接收。其优点是用一副抛物面天线, 就可接收水平和垂直极化信号;缺点是不能多机使用。它的本振频率是5150MHz, 输出信号的频率范围950MHz~1450MHz。
(3) 双极化、双本振高频头。
双极化、双本振高频头能够同时接收水平和垂直极化电磁波, 其机械结构和双极化高频头相同, 只是工作原理不同。其内部有两部分电路, 一部分用于接收水平极化波, 另一部分用于接收垂直极化波。一个本振频率为5150MHz, 一个本振频率为5750MHz, 两个本振频率相差600MHz。这两部分电路是同时工作的, 不需要切换。高频头内水平极化探针和垂直极化探针分别连接着一个本振。接收到的双极化信号分别进入两个本振, 比如, 水平信号对应的本振为5150MHz, 则输出的中频在950MHz~1450MHz范围内;垂直信号对应的本振频率为5750MHz, 输出的中频为1550MHz~2050MHz, 如果把高频头转动90°, 高频头两个本振输出的中频频率则刚好相反。这样就可以把3.7GHz~4.2GHz范围内的双极化C波段信号转变为950MHz~2050MHz的中频信号同时输出, 无需0/22k Hz或13/18V开关切换。这样做的目的主要是为了工程上使用的方便, 因为不需使双极化馈源和两个高频头, 只需一根电缆 (也有双缆) 就可同时输出水平、垂直双极化信号。使用这种高频头的前提条件是:接收机的中频带宽一定要保证950MHz~2050MHz范围内, 才能保证节目不遗漏。
使用两个本振频率的目的是将水平和垂直极化波, 在频率上分开, 以免相互干扰。其优点是可以同时多机使用, 这是目前C波段中工程上普遍使用的一种高频头。
(4) 高频头的参数。
(1) 输入频率 (Input) :即高频头接收卫星发射信号的下行频率。
(2) 输出频率 (Output) :输入信号的下行频率经高频头内部电路降频后, 再由自身端口输出的中频频率。
(3) 本振频率:C段高频头本振频率一般为5150MHz, 双本振5150MHz和5750MHz两种;Ku段本振较多, 有9.75GHz、10.0GHz、10.6GHz、10.75GHz等。了解本振频率很重要。C波段输出中频=本振频率-下行频率;Ku段输出中频=下行频率-本振频率。
3 高频头的选用
在整个接收系统中, 高频头处于信号的最前端, 其性能对系统的质量和稳定性影响最大。
(1) 在电性能方面, 应选择增益不低于65dB, 噪声温度系数尽量低的高频头。因为噪声温度低的高频头在相同的天线条件下可获得质量更好的图像;或在同样的图像质量下, 可以采用尺寸较小的天线, 从而减小体积降低造价。也就是说高频头的增益和噪声温度系数是选择高频头的两个重要参数。
(2) 高频头的另外一个重要的但又常被人们忽视的参数是其本振稳定度, 质量差的高频头在不同的环境气候条件下产生频率漂移造成跑台现象。所以选购频率稳定度高的高频头才能保证系统稳定工作。可以肯定的一点就是, 价格与性能永远成正比, 工程上一定选用品牌高频头。
(3) 对于电磁干扰环境下接收卫星信号, 宜选用双本振、双极化高频头, 我台在雷达、4G通信微波信号干扰环境下使用双本振、双极化高频头接收卫星信号多年, 效果一直很好。
摘要：概要:本文介绍了卫星信号的种类, 重点介绍了高频调谐器的结构以及分类、使用方法、电特性参数, 对在不同的电磁环境下选用高频调谐器, 介绍了作者本人选用、使用高频调谐器的经验。
关键词：卫星,极化,高频头,本振