科普丨卫星天线简史

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注释：转自云脑智库公众号

人类探索太空是以人造地球卫星开始，世界上第一颗人造地球卫星，1957年10月4日前苏联发射的Sputnik1。电磁波成为人造卫星唯一的信息传输手段（光也是电磁波存在的一种形式），所以讨论卫星天线的发展就显得特别有意义。

第一颗人造地球卫星——鞭状天线

第一颗卫星采用20.005和40.002MHz的通信频段，分别由2.903米、2.401米两组全向鞭状天线，发射线极化波。卫星内部有一个3.5瓦的无线电发射单元，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，让地面测控站甚至无线电爱好者都能接收到信号。

人类第一颗人造地球卫星，前苏联的Sputnik 1及鞭状天线

美国在1958年1月31日发射了其第一颗卫星——探险者1号，其装备了108MHz的工作频段及4根可折叠的鞭状天线及108.03MHz，采用了两个玻璃纤维缝隙天线两种类型及极化的天线。这四根22英寸（55.9厘米）长的天线依靠卫星旋转甩出展开，发射圆极化电磁波。玻璃纤维缝隙天线发射线极化波

美国第一颗人造卫星及可折叠鞭状天线

看上图可知这种相互呈90度的四根天线，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。圆极化波，在卫星通信中有极其重要的地位。由于卫星的天线相对于地面天线可能是任何方向的，而圆极化电波对接收天线的相对方向不敏感，不像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。

圆极化波电场运动原理示意图

1965年11月26日，法国发射成功了第一个人造卫星，名为试验卫星A－1号，成为世界第三个具备独立制作卫星的国家。

法国第一颗人造卫星及鞭状天线

1970年2月11日，日本成功地发射了第一颗人造卫星“大隅”号，成为世界第四个具备独立制作卫星的国家。

1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星——东方红1号成为世界第五个具备制造人造卫星能力的国家，技术方案也采用了简单的4根2米多长鞭状天线，在太空展开，采用20 MHz工作频率。

从五十年代到七十年代，英国、意大利等国家也利用美国的火箭及卫星技术发射分别发射了自己的卫星，可以总结这个阶段的卫星通信以20-100MHz频段为主，天线以鞭状天线为主。

我国第一颗人造卫星及鞭状天线

卫星天线技术的发展

随着人类太空探索及空间应用的需求，各种任务载荷日新月异的发展，带来卫星天线技术的巨大进步。人造卫星载荷任务的主要分布如下：

//卫星通信、导航卫星-反射面天线、螺旋天线、背射天线

卫星通信主要承担承担着卫星电视、移动通信等各类超视距、远距离专用通信的中继、转发任务。其工作频段主要在C、Ku现在向Ka频段扩展。随着各种需求的增长，卫星通信容量逐渐增大，为提高天线增益和区域覆盖能力，反射面天线得到了快速发展。通过对反射面进行赋形优化设计，实现了对不同地区的灵活覆盖；同时引入机构组件使天线具有转动功能，实现了覆盖区的灵活机动扫描。该类卫星从早期的线天线为主扩展到面天线为主。主要天线类型以卡萨格伦天线为核心的各种变形、多波束天线阵及各型喇叭天线。

中星6号的赋形反射面天线、“鹊桥”星载金属网天线及实践十三号多波束天线阵

由于星载天线受到发射平台及自身重量、体积等多种因素的限制，因此大型可展开反射器技术使天线随卫星发射前收拢成较小体积，卫星入轨后天线在地面指令控制下展开并形成一张巨大的天线网，为航天器天线的创意性和前瞻性设计提供了无限可能。采用了大型可展开反射器技术后，通信卫星可获得更高的通信容量，导航卫星可提高定位精度，遥感卫星可提高对地观测精度，深空探测器可飞往遥远的月球、火星甚至太阳系边缘。

通过星载天线阵技术实现星载天线的多波束，多波束技术通过一副或多副天线形成数十个甚至数百个波束覆盖某一特定区域，通过卫星在地面上形成了类似地面移动通信领域的蜂窝网络，极大的提高了卫星的通信容量。其最典型的应用是GPS导航卫星及大系统容量通信卫星。其中GPS导航卫星采用螺旋天线阵技术，我国北斗采用有源相控阵螺旋天线阵技术，通过天线阵技术来实现多波束多区域的覆盖。