看天线，识卫星——漫谈卫星天线（一）：概述

+ 袁东

卫星超神秘，平日所见的卫星图片，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”！本系列文章将从科普的角度，介绍卫星上的看家宝贝——天线，包括导航、通信、对地观测、深空探测等卫星的天线。一起来看卫星天线的知识，听背后那些物理学家、工程师的故事，辨识各种神秘的卫星！

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，萦绕在人们周围，是生活中的一部分，无法或缺，事实上，它早就融入每个人的生活！

一、序言

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，如图1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，天线一端接地，使用1/4波长发射。

图1 电极展开，形成发射电波的对称振子

图2 电生磁、磁生电，交替前行，电磁波以光速传播！

无线电波的电场变化的方向，称为极化，像图3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（图4），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，地面通信普遍采用了垂直极化波，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年首次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！

二、第一颗人造地球卫星——使用鞭状天线

世界上第一颗人造地球卫星，1957年10月4日发射的Sputnik 1（图5），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（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。其中一台10mW、工作在108MHz的发射器采用了4根可折叠的鞭状天线发射短波信号（图6），这四根22英寸（55.9厘米）长的天线依靠卫星旋转甩出展开。不过，和苏联的天线工作原理不一样。

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。

图3 两个振子的为1/2波长，天线的辐射最为强烈

图4 半波振子天线辐射的立体方向图，像一个甜甜圈

图5 人类第一颗人造地球卫星，苏联的Sputnik 1，使用鞭状天线

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

图7 圆极化天线无论如何旋转，发射的电波一样，接收天线可以不用考虑相对方向

图8 中国第一颗人造地球卫星——东方红一号

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，而圆极化电波对接收天线的相对方向不敏感（图7），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（图8），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，在太空展开，在20MHz频率播放《东方红》歌曲。

图9 卫星天线在各类空间任务的工作特点

三、恍若隔世，卫星天线技术日新月异

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。其技术进展主要可从图9中的5个空间应用方向进行阐述。

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即风险；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℃，天线面对极高的温度梯度变化，需应对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。后继文章中，我们将分别进行详细介绍。