[转载]曾文明老师的文章:了解、测试、设计、制作Ku正馈源

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我们要了解Ku正馈源,先要了解卫星天线与馈源的关系。抛物面卫星接收天线,是由反射面和馈源两部分组成的,馈源是向抛物面天线提供电磁辐射的初级辐射源,其作用是将高频电流或波导能量转变成电磁辐射能量。简单说馈源的主要功能是将天线收集的信号聚集送给高频头,馈源在接收系统中的作用是非常重要的。它必须尽量有效地汇聚有用信号,并除去杂讯,适配不好的馈源会增加系统噪声,同时馈源还起着选择极化的功能。Ku正馈源只用于卫星正焦Ku收视,是卫星Ku收视的一种方法,与正焦天线匹配且天线精良才会有良好的收视效果。也是大口径偏馈天线的替代用品,是弱信号和溢波收视的首选。
    馈源种类按用途有锥形馈源、环形馈源、圆锥形馈源和梯壮馈源,正馈馈源采用梯状馈源,是由一个圆形波导管和一些同心的梯状圆环槽组成,其外形式样又称波纹馈源。波纹馈源设计,波纹槽宽W≤λ/4、槽深h为λ/4～λ/2。固定方式波纹馈源通常用于焦径比0.33～0.45的天线(现在C频段天线多采用这种方式),可调式波纹馈源可应用在焦径比0.28～0.5的天线上,使馈源与天线匹配可提高载噪比0.5dB。如果仔细观察C频段馈源盘,发现槽宽并非是等距的,我也见过早期C频段馈源盘铸件车制槽深也非等高设计产品,好象作用不大,现在槽深均等高设计。宽窄不同的槽距、槽深浅不一的设计有利于提高工作频段内高低频率的幅频特性增益接近。要了解更多的馈源知识,请参考有关馈源书藉。
    Ku正馈源是由波导管和波纹馈源盘两部分组成。为了便于比较理解,要给合大家熟悉的C波段馈源谈Ku正馈源,其实Ku正馈源就是C波段馈源的1/3缩小版。 现在一体化高频头C频段把高频头和波导管合在一起制造,Ku频段一体化高频头体积较小把馈源合在一起制造。圆波导是馈源的核心部分,其内径为电波通过介质缩短后的一个波长。C频段通常取值在59～63mm左右,由于C频段和Ku频段波长之比为3:1,同理C频段和Ku频段波导管的直径比也是3:1,相应Ku正馈源波导管应在21mm左右,由于各生产厂商中心波长介质缩短系数取值有差异,因此波导管径也有所不同。Ku频段馈源盘与C频段馈源盘式样相同,体积缩小1/3,不同之处前者一体,后者可分离调节。
Ku正馈源张角,俗称波导管凸出量,正规馈源波导管凸出馈源平面5mm,山寨版的有的完全纯平了,Ku正馈源波导管该不该有凸出量,有凸出量应该是多少是厘清的时候了。如上所述正焦C频段天线所配馈源,馈源盘与波导管配合可调整馈源张角,通常焦径比(注:天线深度通常分浅碟和深碟,天线的深度用来反映天线的馈源结构,术语叫焦径比值)F/D=0.38的天线。现在的C频段正焦天线焦径比多选用F/D=0.38制造,理论上此焦径比天线效率最高。固定式馈源C头波导管用来调试天线焦距和极化,正规天线调试好后波导管伸出量在1cm左右,也符合设计要求。细心的发烧友会发现,C波段LNB波导管侧(如普斯头)有一排从上到下的数字,分别是34、36、38、40、42刻度,这就是对应天线焦径比波导管应伸出馈源盘的参考长度。参照F/D=0.38天线C头波导管刻度伸出量1cm左右,焦径比F/D=0.34的天线波导管伸出馈源盘22mm,相反焦径比F/D=0.42的天线C头波导管与馈源盘面已几乎平齐了。在有关卫视书藉中没查出实际数据,实际也难遇焦径比在0.34、0.42类正焦天线调试验证。对焦径比F/D=0.38天线来说,按C/Ku馈源1/3缩小版理论推算,Ku波导管凸出量应在3.5mm左右,这还需在实际在天线上来实验验正凸出量是否最佳,理论含糊值用实验手段取得。
    对于Ku正馈源的制作使用已有多年,但没系统全面测试验证过,经过多年的磨练学习,对馈源技术至少有初步的了解,理论、技术及实践也有所提高。借写此文机会,来一次全面测试验证Ku正馈源。业余方法,普通器材,要测试精度在0.1dB左右的数据,难度极高,费工费时。测试接收机是帝霸901,主要是此机讯噪比值可真实反映C/N值,早前多次验正讯噪比dB值与天线增益(dBi)、场强(dBw)可近乎于等同(注:见笔者《中九测试数据分析报告》),测试值可直接用dB,无须换算。论坛上早知我有一面SVEC产0.9米小正馈(F/D=0.385)天线(图1),早前Ku测试与0.9米偏馈精度相当,同径正馈天线实测比偏馈天线少讯噪比0.3dB左右,按两天线面积计算,偏馈天线多出的面积正好与高出的信号质量相符,用的是O.S 22偏改正车制Ku馈源。没试过偏馈头加波导管类似实验,这次Ku馈源全面测试,在高精度的正馈天线上,也许有前所未有的发现,这是我们期待乐见的。另一方面在小正馈天线上实验操作比大天线上容易的多。找出以前实验收视Ku正馈源的制作品(图2),主要有6槽Ku平面馈源盘,三槽接圈馈源盘,全手工制作可拆卸锡焊制品,活节波导管等,可调拆卸品实验馈源数据数据伸手可得立竿见影,实验快速方便。看这样的貌不惊人土制产品,首先质疑品质能用否,更不说要精准的测试验证?。实验数据结果会说话。车制品同心度好精度高看起来正规、美观显专业性。发烧友小实验小制作的实验数据最后还是用在正规的馈源上,例证是2001年笔者网文《自己动手加极化片下俄星》刊发寻星2000论坛,实验一体双极化C头加极化片获得成功,首次提出H=L=18V、V=R=13V线极化切换电压用于圆极化切换理论,后被LNB、接收机制造商所采用,现广泛用于双极化头C/Ku圆极化收视中。Ku正馈源实验检测数据全是在SVEC 0.9米小正馈天线上取得的,用同一只偏馈LNB,同一收视频点以减少测试误差。

2012-1-27 13:31

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2012-1-27 13:31

实验验正Ku正馈源参数项目多,也是大家关注的,具体实验操作见下。先用车制品百昌O.S 22改制Ku正馈头寻星(图3),找适合试验的卫星信号质量(讯噪比),几经寻星选择,泰星5号的12272 V 30000 2/3卫星信号符合要求,0.9米小正馈收下信噪比在9.8dB左右,记下此原始信号质量,原始收视数据与实验收视数据对比参考求证实验馈源数据及品质,9.8dB的信号质量实验Ku正馈源参数有调节余地。同时测量锅中心到波导管口的实际收视焦距(340mm),记下实际Ku焦距备用。

2012-1-27 13:32

测试Ku馈源波导管凸出量
先在百昌O.S 525偏馈LNB头上固定好可拆卸6槽Ku馈源纯平面盘,内插可调节波导管上天线测试(图4)。Ku头固定支架用原厂天线配件,配此类LNB头调节余量很小(4～5mm),量了一下焦距正合适。精调天线微调波导凸出量,得出以下讯噪比分析数据。(注:括号内是讯噪比值,下同)。
①波导管无凸出量(9.25dB)。(最小值)
②波导管凸出3mm(9.60dB)。(中等值)
③波导管凸出4mm(9.76dB)。(最大值)
④波导管凸出5mm(9.65dB)。(中等值)
⑤波导管凸出7mm(9.25dB)。(最小值)

2012-1-27 13:33

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对焦径比F/D=0.38天线来说,实验检测验正Ku波导管凸出波纹馈源盘应在3.5～5mm间取值较佳,平齐与最佳凸出量差值约0.5dB,与上面馈源理论天线与馈源匹配提升载噪比值相符。实验微调波导管凸出量会影响LNB焦距,但在实验时发现,微调波导管的凸出增益要大于变化焦距增益。当波导管凸出量最佳时,要微调一下LNB及天线,再反复测试实验数据以求精准。回头倒述求证焦径比F/D=0.38天线C头波导管伸出平面波纹盘,应在10～15mm间为佳。看收视信号品质,也测试了焊接土馈源并不差劲。
偏馈LNB＋波导管＋馈源盘=简易正馈Ku头综合实验
偏馈头改简易正馈头其原理是加一定长度的波导管,把偏馈LNB波导管延伸到偏馈源端口外,把原偏馈源约66°张角扩展为适合正馈天线的馈源张角,与正馈天线匹配提高天线效率。对Ku效率70％左右天线而言,能提升35％的效率,理论提升增益3dB左右。就O.S 525偏馈LNB馈源结构来说,配焦径比F/D=0.38天线,波导管实际延长了24mm是最佳长度(波导管伸出偏馈源口端面2mm)。
偏馈LNB＋波导管＋馈源盘是最简单实用Ku正馈收视方法(早前实验应用过),取下图4的6槽Ku馈源盘,插上波导管,发现信号下降太多,量焦距不对(上差约10mm),解决方法是在馈源3支架固定杆镙杆上各拧上2只M6镙母,使Ku支架下移9mm,焦距对了实验继续进行。对F/D=0.38天线来说,波导管高出偏馈源口端面2mm是这些年大家公认的数据,其实平齐与凸出(2mm)实验数据差值为0.2～0.3dB也进行验证。此次实验无意中发现了波导管径大小对信号增益有影响。于是实验了三种内径管,分别是φ18.5、φ21、φ24mm管，发现φ21mm管径最佳,比φ18.5管径高出0.3～0.4dB;比φ24mm管径高出0.5dB。
早些年就试过加接适当槽数波纹盘,对信号有提升,初次实验收视是2000年166E Ku太平洋节目,1.5米天线不加馈源盘用高斯贝尔GSR-5000能下载2组信号,加馈源盘太平洋节目4组能全部下载,此机只有信号强度无信号品质,估计馈源盘增益在0.3～0.5dB左右。此次再实验偏馈LNB外圈上加接的三槽馈源盘(图5),单项测试馈源盘增益,活动拆卸盘效果立杆见影,取Ku馈源盘信号质量下降0.4～0.5dB与当初估测相符(图6),完善测试结果图5讯噪比9.7dB,效果不错。图3(标准头)图4(加盘头)图5(简易头)从收视结果看效果满意。手工焊接馈源,波纹圈是用0.5mm厚青铜条剪裁制作的,图片古铜色作证有10年以上年头了,在没用车制品馈源之前,一直使用它,想当初为寻星创制C/Ku复合“三缺馈源”,在内地首次收下80E、124E、128E Ku节目,Ku正馈源就是土制的简易头。想不到数年后它们同台测试,几乎是平局。看以上实际测试收视数据,不必再怀疑土制Ku正馈源的效率,完全可投入实用,动手能力强的发烧友可轻易制作,制作要领馈源盘同心度要好,否则对信号不利。本次实验土制馈源还取得了难得的实验测试馈源数据。给一张配合百昌LNB的馈源盘接圈图(图7),有条件用铝镁合金棒车制,改制加波导管后LNB塑端盖还可复原防护,半紧接圈馈源盘设计的方案方便拆卸,本设计接圈馈源盘方便取下C头换简易Ku头收视,不须另配Ku头夹具。

2012-1-27 13:34

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偏馈LNB改正馈LNB插拔波导管增益差值实验
本小节还有一个大家关心问题,偏馈头改正馈头理论上收视可提升3dB左右。那我们插拔波导管正常收视信号有多大变化,以前我在1.5米整板正馈天线上试过,加波导管1.8dB,再加馈源盘最多2.2dB左右信号提升,好象到了极限值,对理想的3dB的提升是可望而不可及。今天换了精度好的天线测试,也许有突破。
有人可能会说在图6基础上不就是插上、拔下波导管差值数据就出来了,这么简单的事还用专题讨论。看下面分析:当我们插上波导管调试天线最佳,一旦拔去波导管,相应波导管端口(指偏馈头)高度上升24mm,这时偏馈LNB须下调24mm才是最佳焦距,图6支架配头不适合这么大范围调节,细研馈源支架翻面倒装馈源支架可解决,正好可下降22mm左右合适高度。在卸架之前记下了去馈源盘的信号质量(9.2dB),顺手拔下波导管,信号下降到5.1dB,少了4.1dB。快速翻面馈源架固定上头调佳(图8),信号稳定在6.4dB,波导管增益(9.2-6.4=2.8dB),效果理想。为了更准确,换用可调范围较大的台扬AP8头(图9)。加波导管调佳(8.8dB);拔去波导管(4.8dB);下调LNB信号渐升调佳(5.6dB),两焦点正确的信号差值(8.8-5.6=3.2dB),在精度良好的天线上波导管有相当不错的增益,此3dB左右值首次检测到,认识波导管增益观念也随之改变。这个值也联想到,收视天浪制作极化片,合适的LNB、极化片材质形状配良好的天线,极化片增益提幅明显。实验3只不同品牌LNB,同一极化片有一只最高3.3dB的增益,其余2只在2.5dB。看来加波导管增益与加极化片增益在不同品牌LNB上有差异,但相同之处效率转换3dB左右值是理论基础。

2012-1-27 13:35

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实验测试小结:在精度良好的天线上,偏馈头转正馈头,馈源增益是可观的,3dB的理想增益已不再是梦想;适当多槽数馈源盘对信号增益有利;波导管径选择有讲究;Ku馈源波导管凸出量要与天线焦径比匹配合适当长度。一个良好的高增益精品馈源设计,就是靠多项微量最佳匹配组合数据累积起来的。
Ku正馈源的设计制作
此馈源的设计图是供车制用的,馈源设计原本是馈源专家干的事,发烧友干这些是多事之举，理想的Ku正馈LNB市场难求,只有自己设计制作满足收视要求,用市场易得品质过硬的偏馈LNB改制Ku正馈头是首选。改制主要是正馈源设计和偏馈头接口设计两项,材料选用铝镁合金棒材车制,设计良好的馈源收视效果不错,铝合金外观也漂亮。
馈源设计一般卫视求书藉无介绍,能查到的就只一句,波纹馈源设计:波纹槽宽W≤λ/4、槽深h为λ/4～λ/2。四分之一波长(λ/4)是馈源基本设计理论,其余参考正规馈源物理参数,领悟出设计理念,再加进自己理论与实践,构思出自己想要的设计蓝图。
在设计之前,先分析正规分体中卫工程Ku正馈源(图10)的主要物理参数:
波导管口内径20mm: Ku频段一个波长(λ=20mm)的缩短数。
波导管凸出量5mm:以上论证过,合理。
槽深8mm:λ/4(5mm)～λ/2(10mm)间取值8mm。
槽宽4.5mm:W≤λ/4(5mm),小于λ/4(5mm)取值4.5mm。
馈源总长85mm:85mm=4λ＋λ/4=17(λ/4),波导管长度是λ/4的整倍数。
中卫正馈源为三槽等槽距设计,槽距5.5mm,配单极化Ku头,波导管口设计有十字极化片卡槽,LNB接口法兰圆矩过度形,Ku频段12GHz中心频段标准设计。

2012-1-27 13:36

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通常用偏馈头改制正馈头,偏馈头馈源设计理念要先弄清楚,才能设计出合理高效配接正馈源。主要是先弄清偏馈源波导管设计原理,常见的有两种式样,百昌、PBI、台扬偏馈头类,偏馈头波导管两同心圆径阶梯设计,下内径18mm、上内径22mm(高10mm);另类如夏普头,L型头多采用下内径18mm、上内径34mm张角66°喇叭口设计(喇叭口高15mm)。以百昌类头为例,两径波导管(18、22mm)应该都是一个λ,内径22mm段高10mm应是λ/2,这段设计意图是什么?而此段又是正馈源波导接口,要弄清。C头波导管不用双径设计而是单圆径设计?细悟出设计原理,Ku偏馈头波导管双径设计意在增加工作频率带宽!宽带C头工作带宽(0.7GHz)用单径波导已足够;10.6GHz本振工作带宽(1.4GHz);双本振(9.75/10.60GHz)工作带宽高达(2GHz),必须用双径波导管增加频率工作带宽,在Ku头工作频段内小径波导高频段增益好,大径波导低频段增益好,以此平衡增幅。偏馈Ku头波导管宽带设计也可用于正馈源波导管宽带设计参考。细看偏馈源槽宽并非等距设计,细研这些自称是“技术淘宝”。
设计Ku正馈源,正规产品物理参数可作参考借鉴,加上有关理论实践和用途,在正规馈源基础上加进自己的理念作适当合理修正,一个新的馈源设计构思出现了。馈源接口设计也重要,不破坏配接头,接口合理严密,通用性较强馈源可拆卸互换,使用方便外型美观,设计制作馈源应全面应顾。
当以上馈源常识弄清楚后,Ku正馈源设计蓝图出来了(图11),此图是Ku全频段(2GHz)设计,选O.S 22双本振头宽带头接口搭配。首次应用波纹盘非等距槽宽设计,意在提高馈源带宽的幅频特性,5槽波纹馈源设计加进了实验馈源的参数影响,适当增加波纹槽数对信号有提升作用。Ku正馈源延伸波导管采用了双径宽带设计理念,加上配接头,实际整体Ku正馈头波导管是3径阶梯设计,工作频段高、中、低频幅均照顾。φ20mm内径是正馈源波导接口与偏馈源波导接口过度延伸段,长度为一个波长(20mm);馈源端口波导管φ22mm,长度2个波长(44mm)。正馈源接口①:φ22mm外径设计与百昌类偏馈头内径(φ22mm)同心定位半紧配合误差很少,改制配接选头余地大;与另类(偏馈波导喇叭型)配接,只去掉正馈源波导管φ22mm,长10mm段,车制66°外锥度也能配合。正馈源接口②:φ47mm外径高4mm阶梯段是与偏馈源端口内径同心定位半紧配合设计(注:百昌头类双径同芯接口①②配合牢固),偏馈端口面与正馈源下阶梯平面配合接口高度定位,精准配合接口设计严密,整体配合完美合理;夏普、L型头正馈源波导管接口①同心定位差,只能靠接口②半紧配合同心定位偏馈源内径及接口高度。偏馈头端口内径通常在47～48.5mm范围内,不同品牌误差较大,接口高度误差极小,要求完美配合车制注意尺寸就行了,过大误差也可以用其它方法同心定位补救。上天线正式使用时,建议在接口①②处涂少许704类密封胶,不要太多方便以后拆卸换头。Φ66mm、高49mm外圈设计,方便与C头互换,也可以与C频段馈源配合使用(图12),增大馈源接收面。也可改造C波段馈源满足自已Ku收视要求(图13)。以上制图不专业,相信读者能看懂,LNB接口配合尺寸车制时实物量取修正误差。

2012-1-27 13:37

2012-1-27 13:37

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正馈Ku头制作完毕,该上天线测试了。在我的0.9m小正馈或精度良好的Ku级天线上,能与同径偏馈天线相比得分差不多的水平。但换大点的C/Ku兼容天线上一试,问题出来了,与我们理想的收视效果差距甚远,不说有同径(偏馈)天线效果吗,降一档次口径天线该可以了吧,遇此类壮况天线也不多,更多是降二、三档天线口径效果水平,还有的天线用正馈头与偏馈头差不多的奇怪现象。综合这些现象,我们另文讨论,C波段天线、C/Ku兼容天线Ku波段收视问题,对这些问题作一理论实践探讨。
曾 文 明 2011.4.21

cctvro

有一定动手能力的朋友,可以自己DIY一下.也可以购买成品馈源,在购买前先确定自己天线的焦径比,以便买到与自己天线匹配的馈源.

hisat

很好的技术贴，支持。

kelvinok

技术贴，顶了。