看天線，識衛星——漫談衛星天線（一）
轉載說
衛星超神秘，平日所見衛星圖片，除了金光閃閃的隔熱層和寬大的太陽能帆板，其他部位，比如杆子、鍋、彈簧線圈等等都是「薛定諤的貓」！相關有趣的科普文章很少。鑒於此，衛網君邀請科普博主「超級loveovergold」開闢專欄，介紹衛星上的看家寶貝——天線。系列文章將從導航、通信、對地觀測、深空探測等衛星的天線著手，說說衛星天線的知識，及背後那些物理學家、工程師的故事，辨識各種神秘的衛星！
本文作者：超級Loveovergold，本文原載公眾號《衛星與網路》，轉載已獲授權。本篇為基礎篇，偏向天線基礎理論，不太好懂，別著急，好戲還在後面。
雖然無線電波無色無味無形，講起來很虛幻，但是它就像空氣、水、Wi-Fi，縈繞在你周圍，是你生活中的一部分，無法或缺，事實上，它早就融入你的生活！
一、序言
交變流動的電流，交流電，像天真活潑少女心中的小鹿，步伐輕盈，扭頭就走，只要電極配合變得OPEN些，如下圖展開，少女心跳加快，頻率高一些，再高一些，小鹿的腳步再快一些，電流會「嗖」的一下，越出電極，奔向自由自在，無拘無束的天空！這就是無線電，Radio！
圖1.電極展開，形成發射電波的對稱振子
圖2. 電生磁、磁生電，交替前行，電磁波以光速傳播！
當導線的長度增大到可以與波長想比擬時，導線上的電流就大大增加，能形成較強的輻射。如果兩個振子的大概為1/2波長，輸入阻抗是一個不大的純電阻，饋電的電流最大，輻射最為強烈，俗稱半波振子天線，使用較為廣泛。如果嫌天線太長、礙手礙腳，也可以在良好的接地情況下，天線一端接地，使用1/4波長發射。
圖3、兩個振子的為1/2波長，天線的輻射最為強烈
無線電波的電場變化的方向，稱為極化，像上圖中無線電波的電場變化的方向垂直於地面，我們稱它為垂直極化波，其傳播的方向圖形狀像一個甜甜圈，四面八方、排山倒海；反之，如果電場變化的方向平行於地面，則為水平極化波。由於大地是電的良導體，
地面通信普遍採用了垂直極化波
，因此大家可以回想為什麼戰爭片里電台的天線都是直挺挺的。對於垂直或水平極化的線極化發射天線，
接收天線需要和發射天線保持相同的方向產生「共鳴」以獲得最佳信號
。
圖4. 半波振子天線輻射的立體方向圖，像一個甜甜圈
德國科學家赫茲在1888年第一個用實驗驗證了麥克斯韋電磁理論；義大利科學家馬可尼1896年第一次成功用電磁波長途傳遞訊息；1901年，馬可尼又成功地將訊號從英格蘭傳送到大西洋彼岸的加拿大。21世紀無線電通訊技術及應用更有了異常驚人的發展，通過衛星實現的天地通信走進尋常百姓家！
二、第一顆人造地球衛星——鞭狀天線
世界上第一顆人造地球衛星，1957年10月4日發射的Sputnik 1，該衛星內部有一個3.5瓦的無線電發射單元，由莫斯科電子研究所的（NII-885）研發，如果衛星被流星擊穿出現失壓或者內部溫度失控，則改變無線電信號脈衝的持續時間。無線電發射器工作在兩個頻率，20.005和40.002MHz，分別由2.903米、2.401米兩組全向天線發射，讓地面測控站甚至無線電愛好者都能接收到信號。
圖5.人類第一顆人造地球衛星，蘇聯的Sputnik 1
蘇聯第一顆人造地球衛星是一種宣告，廣播式，象徵著人類正式進入了衛星時代！美國在1958年1月31日發射了其第一顆衛星——探險者1號，宇宙射線探測器的科學數據通過兩個無線電發射器送到地面。
其中一台10mW、工作在108MHz的發射器採用了4根可摺疊的鞭狀天線發射短波信號，這四根22英寸（55.9厘米）長的天線依靠衛星旋轉甩出展開
。不過，和蘇聯的天線工作原理不一樣。
圖6. 美國第一顆衛星—探險者1號，旋轉甩出4根鞭狀天線，發射圓極化波
這種相互呈90度的四根天線稱為旋轉場天線（turnstile antenna），採用兩對半波振子，其中一路為另一路正交分量在保持幅度相等情況下，進行90度移相後形成圓極化波，按照不同的旋轉方向，可以分為左旋和右旋圓極化。
圖7.圓極化天線無論如何旋轉，發射的電波一樣，接收天線可以不用考慮
這種電波，在衛星通信中有極其重要的地位。由於衛星和導彈的天線相對於地面天線可能是任何方向的，
而圓極化電波對接收天線的相對方向不敏感
，不像上文介紹的垂直或者水平極化，這些線極化電波的發射和接收天線必須直對直，橫對橫，同時也能避免穿越電離層導致的法拉第旋轉效應對信號傳輸的影響，因此圓極化天線技術在衛星通信領域中有重要作用，特別在航天器中，能滿足複雜條件下的通訊和測控。探險者1號上另外一台發射器為60mW、工作在108.03MHz，採用了兩個玻璃纖維縫隙天線。
而我國第一顆人造地球衛星——東方紅1號，重173kg，軌道為439km×2384km, 傾角68.5，周期114分鐘，也採用了簡單的4根2米多長鞭狀天線，在太空展開，在20 MHz頻率播放《東方紅》歌曲。
圖8.中國第一顆人造地球衛星——東方紅一號
三、恍若隔世，衛星天線技術日新月異
距離第一顆人造地球衛星發射一晃50年過去了，衛星天線技術發生了日新月異的巨大進步，並在空間任務中發揮重要作用。其技術進展主要可歸納為以下5個空間應用方向。
圖9.衛星天線在空間任務的工作特點
由於發射成本高昂，天線在設計製造時需要做多維度的考慮，比如天線增益、天線尺寸、射頻功放功率、耗電量、重量等多個因素。此外，衛星天線的發射和空間工作環境非常苛刻：
在發射時，天線需要承受幾個G的加速度和劇烈震動，大型天線通常還需要摺疊才能放入火箭整流罩內，並在空間展開，該過程存在很大的變數；此外，衛星天線直接暴露在真空中，沒有熱對流，而朝陽面和背陽面的溫差極大，達-180～120°C，天線面對極高的溫度梯度變化，產生部件的高應力和變形；另外在空間，還需要考慮太陽風等高能粒子轟擊、磁場、空間碎片撞擊等一系列意想不到的惡劣工況……這都需要在設計研製時，對電子設備做必要的各種保護。
天線技術在衛星技術發展歷程中是重中之重，一代又一代科學家和工程師，從實驗室到廠房，攻堅克難，上演了一幕幕挑戰人類工程極限的大戲。
（待續。後續文章中，GPS、靜止軌道、對地觀測等衛星的天線將依次登場，敬請期待……）
我，一個孤獨的行者（ 新浪微博ID:超超級Loveovergold），原創不易！轉載請註明出處！
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