看天线识卫星——漫谈卫星天线(一)

作者:教育

  卫星超神秘,平日所见卫星图片,除了金光闪闪的隔热层和宽大的太阳能帆板,其他部位,比如杆子、锅、弹簧线圈等等都是“薛定谔的猫”!相关有趣的科普文章很少。鉴于此,卫网君邀请科普博主“超级loveovergold”开辟专栏,介绍卫星上的看家宝贝——天线。系列文章将从导航、通信、对地观测、深空探测等卫星的天线着手,说说卫星天线的知识,及背后那些物理学家、工程师的故事,辨识各种神秘的卫星!

  本文作者:超级Loveovergold,本文原载公众号《卫星与网络》,转载已获授权。本篇为基础篇,偏向天线基础理论,不太好懂,别着急,好戏还在后面。

  虽然无线电波无色无味无形,讲起来很虚幻,但是它就像空气、水、Wi-Fi,萦绕在你周围,是你生活中的一部分,无法或缺,事实上,它早就融入你的生活!

  交变流动的电流,交流电,像天真活泼少女心中的小鹿,步伐轻盈,扭头就走,只要电极配合变得OPEN些,如下图展开,少女心跳加快,频率高一些,再高一些,小鹿的脚步再快一些,电流会“嗖”的一下,越出电极,奔向自由自在,无拘无束的天空!这就是无线电,Radio!

  当导线的长度增大到可以与波长想比拟时,导线上的电流就大大增加,能形成较强的辐射。如果两个振子的大概为1/2波长,输入阻抗是一个不大的纯电阻,馈电的电流最大,辐射最为强烈,俗称半波振子天线,使用较为广泛。如果嫌天线太长、碍手碍脚,也可以在良好的接地情况下,天线波长发射。

  无线电波的电场变化的方向,称为极化,像上图中无线电波的电场变化的方向垂直于地面,我们称它为垂直极化波,其传播的方向图形状像一个甜甜圈,四面八方、排山倒海;反之,如果电场变化的方向平行于地面,则为水平极化波。由于大地是电的良导体,

  ,因此大家可以回想为什么战争片里电台的天线都是直挺挺的。对于垂直或水平极化的线极化发射天线,接收天线需要和发射天线保持相同的方向产生“共鸣”以获得最佳信号。

  德国科学家赫兹在1888年第一个用实验验证了麦克斯韦电磁理论;意大利科学家马可尼1896年第一次成功用电磁波长途传递讯息;1901年,马可尼又成功地将讯号从英格兰传送到大西洋彼岸的加拿大。21世纪无线电通讯技术及应用更有了异常惊人的发展,通过卫星实现的天地通信走进寻常百姓家!

  世界上第一颗人造地球卫星,1957年10月4日发射的Sputnik 1,该卫星内部有一个3.5瓦的无线电发射单元,由莫斯科电子研究所的(NII-885)研发,如果卫星被流星击穿出现失压或者内部温度失控,则改变无线电信号脉冲的持续时间。无线电发射器工作在两个频率,20.005和40.002MHz,分别由2.903米、2.401米两组全向天线发射,让地面测控站甚至无线电爱好者都能接收到信号。

  苏联第一颗人造地球卫星是一种宣告,广播式,象征着人类正式进入了卫星时代!美国在1958年1月31日发射了其第一颗卫星——探险者1号,宇宙射线探测器的科学数据通过两个无线电发射器送到地面。

  图6. 美国第一颗卫星—探险者1号,旋转甩出4根鞭状天线,发射圆极化波

  这种相互呈90度的四根天线称为旋转场天线(turnstile antenna),采用两对半波振子,其中一路为另一路正交分量在保持幅度相等情况下,进行90度移相后形成圆极化波,按照不同的旋转方向,可以分为左旋和右旋圆极化。

  这种电波,在卫星通信中有极其重要的地位。由于卫星和导弹的天线相对于地面天线可能是任何方向的,

  ,不像上文介绍的垂直或者水平极化,这些线极化电波的发射和接收天线必须直对直,横对横,同时也能避免穿越电离层导致的法拉第旋转效应对信号传输的影响,因此圆极化天线技术在卫星通信领域中有重要作用,特别在航天器中,能满足复杂条件下的通讯和测控。探险者1号上另外一台发射器为60mW、工作在108.03MHz,采用了两个玻璃纤维缝隙天线。而我国第一颗人造地球卫星——东方红1号,重173kg,轨道为439km×2384km, 倾角68.5,周期114分钟,也采用了简单的4根2米多长鞭状天线 MHz频率播放《东方红》歌曲。

  距离第一颗人造地球卫星发射一晃50年过去了,卫星天线技术发生了日新月异的巨大进步,并在空间任务中发挥重要作用。其技术进展主要可归纳为以下5个空间应用方向。

  由于发射成本高昂,天线在设计制造时需要做多维度的考虑,比如天线增益、天线尺寸、射频功放功率、耗电量、重量等多个因素。此外,卫星天线的发射和空间工作环境非常苛刻:

  在发射时,天线需要承受几个G的加速度和剧烈震动,大型天线通常还需要折叠才能放入火箭整流罩内,并在空间展开,该过程存在很大的变数;此外,卫星天线直接暴露在真空中,没有热对流,而朝阳面和背阳面的温差极大,达-180~120°C,天线面对极高的温度梯度变化,产生部件的高应力和变形;另外在空间,还需要考虑太阳风等高能粒子轰击、磁场、空间碎片撞击等一系列意想不到的恶劣工况……这都需要在设计研制时,对电子设备做必要的各种保护。

  天线技术在卫星技术发展历程中是重中之重,一代又一代科学家和工程师,从实验室到厂房,攻坚克难,上演了一幕幕挑战人类工程极限的大戏。

  (待续。后续文章中,GPS、静止轨道、对地观测等卫星的天线将依次登场,敬请期待……)

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