卡塞格倫天線

電信和雷達領域中，卡塞格倫天線（Cassegrain antenna）是指一種饋源天線安裝在凹面主拋物面反射器盤的表面或後面，並瞄準懸掛在主反射器前面的較小的凸面二次反射器的拋物面天線。來自饋源的無線電波束照射到次級反射器上，次級反射器將其反射回主反射盤，主反射盤再次將其向前反射以形成所需的波束。卡塞格林設計廣泛用於拋物面天線，特別是衛星地面站、射電望遠鏡和通信衛星等大型天線。

拋物面天線的類型

幾何結構

這種天線的主反射面為拋物面，凸面次級反射面的形狀為雙曲面。要輻射準直平面波束，需滿足以下幾何條件：饋源天線位於雙曲面的遠焦點處，而主反射器的焦點與雙曲面的近焦點重合。 ^[1]通常次級反射器和饋源天線位於天線的中軸上。但在偏饋卡塞格倫配置中，主碟形反射器是不對稱的，其焦點和次級反射器位於碟形反射器的一側，因此次級反射器不會部分阻擋光束。

優勢

這種設計是最常見的前饋式拋物面天線設計（也稱為「主焦點」式，亦即饋源天線本身懸掛安裝在碟形天線前方焦點處，指向碟形天線）的替代方案。卡塞格倫天線的設計更為複雜，但在某些應用中，它比前饋式饋源具有優勢，這可以證明其複雜性的增加是合理的：

• 饋源天線和相關波導以及「前端」電子設備可以位於碟形天線的上面或後面，而不是懸掛在前面（此時阻擋部分出射光束）。 ^{[1] [2]}因此，這種設計用於大體積或饋源複雜的天線， ^[1]如衛星通信地面天線、射電望遠鏡以及某些通信衛星上的天線。
• 另一個優點，對於衛星地面天線和射電望遠鏡來說很重要，那就是由於饋源天線是向前指向的，而不是像前饋天線那樣向後指向碟形天線，所以由不經過次級反射器的部分波束引起的溢出旁瓣會向上指向寒冷的天空，而不是向下指向溫暖的地球。 ^[2]對於接收天線而言，這會減少地面噪聲的接收，從而降低天線噪聲溫度。
• 雙反射器整形：信號路徑中存在第二個反射面，使得能夠定製輻射模式以額外獲得性能優化。例如，普通拋物面天線的增益會降低，因為饋源天線的輻射會向天線盤的外部衰減，從而導致這些部分的「照度」降低。在「雙反射器整形」中，次級反射器的形狀發生改變，將更多的信號功率引導至天線的外部區域，從而使主反射器的照射更加均勻，從而最大限度地提高增益。然而，這會導致次級不再是精確的雙曲面（儘管它仍然非常接近），因此失去了恆定相位特性。但可以通過稍微調整主鏡的形狀來補償這個相位誤差。其結果是獲得了更高的增益，或增益/溢失比，但代價是表面的製造和測試更加棘手。 ^{[3] [4]}利用這一技術還可以合成其他碟形照明圖案，例如在碟形邊緣具有高錐度的圖案以實現超低溢失旁瓣，以及具有中心「孔」的圖案以減少饋源陰影。
• 採用卡塞格林設計還可以增加天線的焦距，減少旁瓣，等等。 ^{[2] [5]}拋物面天線中使用的拋物面反射器具有較大的曲率和較短的焦距；焦點位於碟形天線口附近，以減少支撐饋源結構或次級反射器所需的支架的長度。典型拋物面天線的焦比（f數，焦距與碟形直徑的比率）為0.25–0.8，而望遠鏡等光學系統中使用的拋物面鏡的焦比為3–8。在前饋天線中，具有長焦距的「較平坦」拋物面天線需要不切實際的複雜支撐結構來保持饋源相對於天線的剛性。然而，這種小焦比的缺點是天線對焦點的微小偏差很敏感：它能有效聚焦的角寬度很小。射電望遠鏡和通信衛星中的現代拋物面天線通常使用圍繞焦點聚集的饋源喇叭陣列來創建特定的波束模式。這些需要大焦比的良好離軸聚焦特性，並且由於卡塞格倫天線的凸面二次反射器顯著增加了焦比，因此這些天線通常採用卡塞格倫設計。
• 較長的焦距還能提高離軸饋源的交叉極化鑑別力， ^[2]這對於使用兩種正交極化模式傳輸不同信息通道的衛星天線非常重要。

波束波導天線是一種卡塞格倫設計，顯示了複雜的信號路徑。

卡塞格倫天線的一個缺點是，饋源喇叭必須具有較窄的波束寬度（更高的增益）才能將其輻射聚焦在較小的二次反射器上，而不是像前饋天線那樣聚焦在較寬的主反射器上。二次反射器在饋電喇叭處所對應的角度寬度通常為10–15°，而前饋天線中主反射器所對應的角度寬度為120–180°。因此，對於給定的波長，饋源喇叭必須更長。

波束波導天線

波束波導天線是一種複雜的卡塞格倫天線，具有較長的無線電波路徑，可讓饋源電子設備位於地面。它用於非常大的可操縱射電望遠鏡和衛星地面天線，在這些場景中，饋源電子設備過於複雜和笨重，或者需要太多的維護和改動，無法定位在天線上；例如那些使用低溫冷卻放大器的饋源。來自次級反射器的入射無線電波束被附加的鏡子反射，沿著一條長扭曲路徑穿過地平式支架的軸線，因此可以在不中斷波束的情況下操縱天線，然後向下穿過天線塔到達地面的饋源建築物。

歷史

卡塞格倫天線的設計改編自卡塞格倫望遠鏡，這是一種反射望遠鏡，於1672年左右由法國英格蘭省牧師洛朗·卡塞格倫發明。1952年，科克倫和懷特黑德在英國博勒姆伍德的Elliot Bros公司發明了第一台卡塞格林天線並獲得了這種設計的專利。這項專利（英國專利號700868）隨後在法庭上受到質疑，但最終勝訴。 ^[6]1977年發射的旅行者1號（截至2024年9月 (2024-09)^[update]距離地球246億公里）， ^[7]是太空中最遠的人造物體，它的3.7米S和X波段卡塞格林天線（下圖）仍然能夠與地面站通信。

卡塞格倫衛星通信望遠鏡，位於瑞典。可見凸型次級反射鏡位於碟面上方，饋源喇叭天線位於碟面中央。

法國普勒默爾-博杜大型衛星通信天線凸面次級反射器的特寫

位於加利福尼亞州戈德斯通的卡塞格林太空飛行器通信天線，是美國國家航空暨太空總署（NASA）深空網絡的一部分。卡塞格林設計的優勢在於，笨重複雜的饋源結構（底部）無需懸掛在天線上方。

旅行者一號上的卡塞格倫天線。

參見

• 卡塞格倫反射鏡
• 納史密斯望遠鏡