第9章 面天线精选文档.ppt

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1、第9章 面天线本讲稿第一页，共三十六页 与线天线不同的另一类是面天线（又称口径天线），与线天线不同的另一类是面天线（又称口径天线），它们所载的电流是沿天线体的金属表面分布，且面天线的它们所载的电流是沿天线体的金属表面分布，且面天线的口径尺寸远大于工作波长。面天线长用在无线电频谱的高口径尺寸远大于工作波长。面天线长用在无线电频谱的高频段，特别是微波波段。频段，特别是微波波段。求解面天线问题，通常采用口径场方法，即先由场求解面天线问题，通常采用口径场方法，即先由场源求得口径面上的场分布，再求出天线的辐射场。分析源求得口径面上的场分布，再求出天线的辐射场。分析的依据是惠更斯的依据是惠更斯-菲涅尔原理

2、，即在空间任意一点的场，是菲涅尔原理，即在空间任意一点的场，是包围天线的闭封曲面上各点的电磁扰动产生的次级辐射在该包围天线的闭封曲面上各点的电磁扰动产生的次级辐射在该点叠加的结果。点叠加的结果。本讲稿第二页，共三十六页第第 9章章 面天线面天线9.1 惠更斯元的辐射惠更斯元的辐射 面面天天线线的的结结构构包包括括金金属属导导体体面面S、金金属属导导体体面面的的开开口口径径S（即即口口径径面）及由面）及由S0=S+S所构成的封闭曲面内的辐射源，如图所构成的封闭曲面内的辐射源，如图 9-1 所示。所示。由由于于在在封封闭闭面面上上有有一一部部分分是是导导体体面面S，所所以以其其上上的的场场为为零零

3、，这这样样使使得得面面天天线线的的辐辐射射问问题题简简化化为为口口径径面面S的的辐辐射射，即即S0=S+SS，设设口口径径上上的的场场分分布布ES，根根据据惠惠更更斯斯-菲菲涅涅尔尔原原理理,把把口口径径面面分分割为许多面元割为许多面元dS，称为惠更斯元。，称为惠更斯元。本讲稿第三页，共三十六页图图 9 1 面天线的原理面天线的原理本讲稿第四页，共三十六页图图 9 2 惠更斯元惠更斯元本讲稿第五页，共三十六页惠更斯元的方向函数为惠更斯元的方向函数为图图 9 3 惠更斯元的方向图惠更斯元的方向图本讲稿第六页，共三十六页9.2 平面口径的辐射平面口径的辐射 微微波波波波段段的的无无线线电电设设备备

4、,如如抛抛物物面面天天线线及及喇喇叭叭照照射射器器,它它们们的的口口径径面面S都都是是平平面面,所所以以讨讨论论平平面面口口径径的的辐辐射射有有普普遍遍的的实实用用意意义义。设设平平面面口口径径面面位位于于xOy平平面面上上,坐坐标标原原点点到到观观察察点点M的的距距离离为为R,面面元元dS到到观观察察点点M的的距离为距离为r,如图如图 9-4 所示。所示。任意口径面在远处辐射场的一般表达式为任意口径面在远处辐射场的一般表达式为本讲稿第七页，共三十六页图图 9 4 平面口径的辐射平面口径的辐射本讲稿第八页，共三十六页 1.S为矩形口径时辐射场的特性为矩形口径时辐射场的特性 设设矩矩形形口口径径

5、的的尺尺寸寸为为D1D2,如如图图 9-5 所所示示。下下面面讨讨论论两两种种不不同同口口径分布情形下的辐射特性。径分布情形下的辐射特性。1)口径场沿口径场沿y轴线极化且均匀分布轴线极化且均匀分布 图图9-5 矩形口径的辐射矩形口径的辐射本讲稿第九页，共三十六页图图 9 6 矩形口径场均匀分布时的方向图矩形口径场均匀分布时的方向图(D1=3,D2=2)本讲稿第十页，共三十六页 由由图图 9-6 可可见见:最最大大辐辐射射方方向向在在=0方方向向上上,且且当当D1/和和D2/都都较较大大时时,辐辐射射场场的的能能量量主主要要集集中中在在z轴轴附附近近较较小小的的角角范范围围内内。因因此此在在分析

6、主瓣特性时可认为分析主瓣特性时可认为(1+cos)/21。（1）主瓣宽度和旁瓣电平主瓣宽度和旁瓣电平 设设0.5表示半功率波瓣宽度表示半功率波瓣宽度,即即由由MATLAB计算或查图计算或查图 9-7可得可得0.5=1.39,或或 2sin0.5E=0.89 2 sin0.5H=0.89 本讲稿第十一页，共三十六页图图9-7 口径辐射方向函数曲线口径辐射方向函数曲线本讲稿第十二页，共三十六页 E面面和和H面面最最邻邻近近主主瓣瓣的的第第一一个个峰峰值值均均为为0.214,所所以以第第一一旁旁瓣瓣电电平为平为 20log10 0.214=-13.2 dB(2)方向系数方向系数 根据第根据第6章中方

7、向系数的定义，章中方向系数的定义，有有将将|Emax|=和和代入上式即得代入上式即得口径场均匀分布的矩形口径的方向系数为口径场均匀分布的矩形口径的方向系数为本讲稿第十三页，共三十六页 2)口径场沿口径场沿y轴线极化且振幅沿轴线极化且振幅沿x轴余弦分布轴余弦分布（1）主瓣宽度和旁瓣电平主瓣宽度和旁瓣电平 20.5E=51 ,20.5H=68 E平面第一旁瓣电平为平面第一旁瓣电平为 20log10 0.214=-13.2dB H平面第一旁瓣电平为平面第一旁瓣电平为 20log10 0.071=-23dB(2)方向系数方向系数本讲稿第十四页，共三十六页 口径场余弦分布的矩形口径的方向系数为口径场余弦

8、分布的矩形口径的方向系数为 式中式中,为口径利用因数为口径利用因数,此时此时=0.81,而均匀分布时而均匀分布时=1。本讲稿第十五页，共三十六页9.3 旋转抛物面天线旋转抛物面天线 旋旋转转抛抛物物面面天天线线是是在在通通信信、雷雷达达和和射射电电天天文文等等系系统统中中广广泛泛使使用用的的一一种种天天线线,它它是是由由两两部部分分组组成成的的,其其一一是是抛抛物物线线绕绕其其焦焦轴轴旋旋转转而而成成的的抛抛物物反反射射面面,反反射射面面一一般般采采用用导导电电性性能能良良好好的的金金属属或或在在其其它它材材料料上上敷敷以以金金属属层层制制成成;其其二二是是置置于于抛抛物物面面焦焦点点处处的的

9、馈馈源源（也也称称照照射射器器）。馈馈源源把把高高频频导导波波能能量量转转变变成成电电磁磁波波能能量量并并投投向向抛抛物物反反射射面面,而而抛抛物物反反射射面面将将馈馈源源投投射射过过来来的的球球面面波波沿沿抛抛物物面面的的轴轴向向反反射射出去出去,从而获得很强的方向性。从而获得很强的方向性。1.抛物面天线的工作原理及分析方法抛物面天线的工作原理及分析方法 (1)抛物面天线的工作原理抛物面天线的工作原理本讲稿第十六页，共三十六页 1.抛物面天线的工作原理及分析方法抛物面天线的工作原理及分析方法 (1)抛物面天线的工作原理抛物面天线的工作原理 抛抛物物面面天天线线的的结结构构如如图图 9-10

10、所所示示,首首先先来来介介绍绍一一下下旋旋转转抛抛物物面面天天线线的的几几何何特特性性。在在yz平平面面上上,焦焦点点F在在z轴轴且且其其顶顶点点通通过过原原点点的的抛抛物物线方程为线方程为 y2=4fz (9-3-1)其中其中,f为焦距。为焦距。由此抛物线绕由此抛物线绕OF轴旋转而形成的抛物面方程为轴旋转而形成的抛物面方程为:x2+y2=4fz 为为了了分分析析方方便便,抛抛物物线线方方程程也也经经常常用用原原点点与与焦焦点点F重重合合的的极极坐坐标（标（,）来表示）来表示,即即本讲稿第十七页，共三十六页图图 9 10 抛物面几何关系图抛物面几何关系图本讲稿第十八页，共三十六页 (2)分析方

11、法分析方法 通常采用两种方法通常采用两种方法:口口径径场场法法根根据据上上节节提提及及的的惠惠更更斯斯原原理理,抛抛物物面面天天线线的的辐辐射射场场可可以以用用包包围围源源的的任任意意封封闭闭曲曲面面（S+S）上上各各次次级级波波源源产产生生的的辐辐射射场场的的叠叠加加。对对于于具具体体的的抛抛物物面面天天线线,S为为抛抛物物面面的的外外表表面面,S为为抛抛物物面面的的开开口口径径。这这样样,在在S上上的的场场为为零零,在在口口径径S上上各各点点场场的的相相位位相相同同。所所以以只只要要求求出出口口径径面面上上的的场场分分布布,就就可可以以利利用用圆圆口口径径同同相相场场的的辐辐射射公公式式来

12、来计计算算天天线线的辐射场。的辐射场。面面电电流流法法先先求求出出馈馈源源所所辐辐射射的的电电磁磁场场在在反反射射面面上上激激励励的的面面电流密度分布电流密度分布,然后由面电流密度分布再求抛物面天线的辐射场。然后由面电流密度分布再求抛物面天线的辐射场。本讲稿第十九页，共三十六页 2.抛物面天线的辐射特性抛物面天线的辐射特性 1)口径场分布口径场分布 计计算算口口径径场场分分布布时时,要要依依据据两两个个基基本本定定律律几几何何光光学学反反射射定定律律和和能量守恒定律能量守恒定律,而且必须满足以下几个条件而且必须满足以下几个条件:馈馈源源辐辐射射理理想想的的球球面面波波,即即它它有有一一个个确确

13、定定的的相相位位中中心心并并与与抛抛物面的焦点重合物面的焦点重合;馈源的后向辐射为零馈源的后向辐射为零;抛抛物物面面位位于于馈馈源源辐辐射射场场的的远远区区,即即不不考考虑虑抛抛物物面面与与馈馈源源之之间间的的耦合。耦合。本讲稿第二十页，共三十六页 2)方向函数方向函数 抛物面天线的辐射场如图抛物面天线的辐射场如图 9-12所示所示图图 9 12 抛物面天线的辐射特性抛物面天线的辐射特性本讲稿第二十一页，共三十六页 因因为为抛抛物物面面是是旋旋转转对对称称的的,馈馈源源的的方方向向函函数数也也是是旋旋转转对对称称的的,所以抛物面天线的所以抛物面天线的E面和面和H面方向函数相同并表示为面方向函数

14、相同并表示为 如如果果给给定定抛抛物物面面的的张张角角0及及馈馈源源方方向向函函数数Df(),即即可可由由MATLAB画出天线方向图。画出天线方向图。一般情况下一般情况下,馈源的方向图越宽及口径张角越小馈源的方向图越宽及口径张角越小,则口径场越均匀则口径场越均匀,因因而抛物面方向图的主瓣越窄、旁瓣电平越高。而抛物面方向图的主瓣越窄、旁瓣电平越高。另外另外,旁瓣电平除了旁瓣电平除了直接与口径场分布的均匀程度有关外直接与口径场分布的均匀程度有关外,馈源在馈源在0以外的漏辐射也是旁以外的漏辐射也是旁瓣的部分瓣的部分,漏辐射越强漏辐射越强,则旁瓣电平越高。此外则旁瓣电平越高。此外,反射面边缘电流的绕射

15、、馈反射面边缘电流的绕射、馈源的反射、交叉极化等都会影响旁瓣电平。源的反射、交叉极化等都会影响旁瓣电平。本讲稿第二十二页，共三十六页 对于大多数抛物面天线对于大多数抛物面天线,主瓣宽度在如下范围内主瓣宽度在如下范围内:20.5=如如果果口口径径场场分分布布较较均均匀匀,系系数数K应应取取少少一一些些,反反之之取取大大一一些些。K=65 80 当口径边缘场比中心场约低当口径边缘场比中心场约低11dB时时,系数系数K可取为可取为70。本讲稿第二十三页，共三十六页 3)方向系数与最佳照射方向系数与最佳照射（1）口径利用系数口径利用系数抛物面天线的方向系数抛物面天线的方向系数:口径利用系数为口径利用系

16、数为本讲稿第二十四页，共三十六页 如如果果给给定定抛抛物物面面的的张张角角0及及馈馈源源方方向向函函数数Df(),即即可可借借助助MATLAB得得到到口口径径利利用用因因数数。与与张张角角0及及馈馈源源方方向向函函数数Df()的的关关系可以描述如下系可以描述如下:张张角角0一一定定时时,馈馈源源方方向向函函数数Df()变变化化越越快快,方方向向图图越越窄窄,则则口口径场分布越不均匀径场分布越不均匀,口径利用因数越低。口径利用因数越低。馈馈源源方方向向函函数数Df()一一定定时时,张张角角0越越大大,则则口口径径场场分分布布越越不不均均匀匀,口径利用因数越低。口径利用因数越低。本讲稿第二十五页，

17、共三十六页 2）口径截获系数口径截获系数 馈馈源源辐辐射射的的功功率率,除除20角角的的范范围围内内被被反反射射面面截截获获外外,其其余余的的功功率率都溢失在自由空间。都溢失在自由空间。设设馈馈源源辐辐射射的的功功率率为为P,投投射射到到反反射射面面上上的的功功率率为为P,则则截截获获系系数为数为因为因为所以所以本讲稿第二十六页，共三十六页 如如果果给给定定抛抛物物面面的的张张角角0及及馈馈源源方方向向函函数数Df(),即即可可借借助助MATLAB得得到到口口径径截截获获因因数数1。1与与张张角角0及及馈馈源源方方向向函函数数Df()的的关系可以描述如下关系可以描述如下:张张角角0一一定定时时

18、,馈馈源源方方向向函函数数Df()变变化化越越快快,方方向向图图越越窄窄,则则口径截获因数越高。口径截获因数越高。馈源方向函数馈源方向函数Df()一定时一定时,张角张角0越大越大,则口径截获因数越高。则口径截获因数越高。显然与口径利用因数是相反的。显然与口径利用因数是相反的。（3）方向系数）方向系数 方向系数方向系数:本讲稿第二十七页，共三十六页式式中中,g=11,称称为为方方向向系系数数因因数数,它它是是用用来来判判断断抛抛物物面面天天线线性性能能优劣的重要参数之一。优劣的重要参数之一。可可见见g为为抛抛物物面面天天线线张张角角的的函函数数。但但由由于于（g=1）口口径径利利用用因因数数和和

19、口口径径截截获获因因数数1是是两两个个相相互互矛矛盾盾的的因因素素，因因此此,对对于于一一定定的的馈馈源源方方向向函函数数,必必对对应应着着一一个个最最佳佳张张角角opt,此此时时g最最大大,即即方方向向系系数数最最大大。opt称称为为最最佳佳张张角角,此此时时馈馈源源对对抛抛物物面面的的照照射射称称为为最最佳佳照照射射。一一般般最最佳佳照照射射时时g0.83,且抛物面口径边缘处的场强比中心处低且抛物面口径边缘处的场强比中心处低11 dB。本讲稿第二十八页，共三十六页 上上述述的的结结论论是是在在假假定定馈馈源源辐辐射射球球面面波波、方方向向图图旋旋转转对对称称且且无无后后向辐射等理想情况下得

20、到的。向辐射等理想情况下得到的。但实际上但实际上:馈馈源源方方向向图图一一般般不不完完全全对对称称,它它的的后后向向辐辐射射也也不不为为零零;馈源和它的支杆对口径有一定的遮挡作用馈源和它的支杆对口径有一定的遮挡作用;反射面表面由于机械误差呈非理想抛物面反射面表面由于机械误差呈非理想抛物面;馈馈源源不不能能准准确确地地安安装装在在焦焦点点上上,使使口口径径场场不不完完全全同同相相;等等等等。考虑上述诸多因素考虑上述诸多因素,应对应对g进行修正进行修正,通常取通常取 0.350.5。另另外外,由由于于抛抛物物面面几几乎乎不不存存在在热热损损耗耗,即即1,所所以以GD。这这是是抛抛物物面面天线一个很

21、大的优点。天线一个很大的优点。本讲稿第二十九页，共三十六页 3.馈源馈源 (1)对馈源的基本要求对馈源的基本要求 抛抛物物面面天天线线的的方方向向性性很很大大程程度度上上依依赖赖于于馈馈源源。也也就就是是说说,馈馈源源的的好好坏决定着抛物面天线性能的优劣坏决定着抛物面天线性能的优劣,通常对馈源提出如下基本要求通常对馈源提出如下基本要求:馈馈源源方方向向图图与与抛抛物物面面张张角角配配合合,使使天天线线方方向向系系数数最最大大;尽尽可可能能减减少少绕绕过过抛抛物物面面边边缘缘的的能能量量漏漏失失;方方向向图图接接近近圆圆对对称称,最最好好没没有有旁瓣和后瓣。旁瓣和后瓣。具具有有确确定定的的相相位

22、位中中心心,这这样样才才能能保保证证相相位位中中心心与与焦焦点点重重合合时时,抛抛物面口径为同相场。物面口径为同相场。本讲稿第三十页，共三十六页 因因为为馈馈源源置置于于抛抛物物面面的的前前方方,所所以以尺尺寸寸应应尽尽可可能能地地小小,以以减减少少对对口口径的遮挡。径的遮挡。应应具具有有一一定定的的带带宽宽,因因为为天天线线带带宽宽主主要要取取决决于于馈馈源源系系统统的的带宽。带宽。(2)馈源的选择馈源的选择 馈馈源源的的类类型型很很多多,如如何何选选择择馈馈源源应应根根据据天天线线的的工工作作波波段段和和特特定定用用途途而而定定。抛抛物物面面天天线线多多用用于于微微波波波波段段,馈馈源源多

23、多采采用用波波导导辐辐射射器器和和喇喇叭叭,也也有有用振子、用振子、螺旋天线等作馈源的。螺旋天线等作馈源的。波波导导辐辐射射器器由由于于传传输输波波型型的的限限制制,口口径径不不大大,方方向向图图波波瓣瓣较较宽宽,适用于短焦距抛物面天线。适用于短焦距抛物面天线。本讲稿第三十一页，共三十六页 长长焦焦距距抛抛物物面面天天线线的的口口径径张张角角较较小小,为为了了获获得得最最佳佳照照射射,馈馈源源方方向图应较窄向图应较窄,即要求馈源口径较大即要求馈源口径较大,一般采用小张角口径喇叭。一般采用小张角口径喇叭。在在某某些些情情况况下下,要要求求天天线线辐辐射射或或接接收收圆圆极极化化电电磁磁波波（如如

24、雷雷达达搜搜索索或跟踪目标）或跟踪目标）,这就要求馈源为圆极化的这就要求馈源为圆极化的,像螺旋天线等。像螺旋天线等。有有时时要要求求天天线线是是宽宽频频带带的的,这这就就应应采采用用宽宽频频带带馈馈源源,如如平平面面螺旋天线、螺旋天线、对数周期天线等。对数周期天线等。总之总之,应根据不同的情况应根据不同的情况,选择不同的馈源。选择不同的馈源。4.抛物面天线的偏焦特性及其应用抛物面天线的偏焦特性及其应用 在在实实际际应应用用中中,有有时时需需要要波波瓣瓣偏偏离离抛抛物物面面轴轴向向作作上上、下下或或左左右右摆摆动动,或或者者使使波波瓣瓣绕绕抛抛物物面面轴轴线线作作圆圆锥锥运运动动,也也就就是是使

25、使波波瓣瓣在在小小角角度度范围内扫描范围内扫描,以达到搜索目标的目的。以达到搜索目标的目的。本讲稿第三十二页，共三十六页 利利用用一一种种传传动动装装置置,使使馈馈源源沿沿垂垂直直于于抛抛物物面面轴轴线线方方向向连连续续运运动动,即即可可实实现现波波瓣瓣扫扫描描。在在抛抛物物面面天天线线的的焦焦点点附附近近放放置置多多个个馈馈源源,可可形成多波束，形成多波束，用来发现和跟踪多个目标。用来发现和跟踪多个目标。使使馈馈源源沿沿垂垂直直于于抛抛物物面面轴轴线线的的方方向向运运动动,即即产产生生横横向向偏偏焦焦;使使馈馈源源沿沿抛抛物物面面轴轴线线方方向向往往返返运运动动,即即产产生生纵纵向向偏偏焦焦

26、。无无论论是是横横向向偏偏焦焦还还是是纵纵向向偏偏焦焦,它它们们都都导导致致抛抛物物面面口口径径场场相相位位偏偏焦焦。如如果果横横向向偏偏焦焦不不大大时时,抛抛物物面面口口径径场场相相位位偏偏焦焦接接近近于于线线性性相相位位偏偏焦焦,正正像像前前面面介介绍绍的的,线线性性相相位位偏偏焦焦仅仅导导致致主主瓣瓣最最大大值值偏偏离离轴轴向向,而而方方向向图图形形状状几几乎乎不不变变;纵纵向向偏偏焦焦引引起起口口径径场场相相位位偏偏差差是是对对称称的的,因因此此方方向向图图也也是是对对称称的的。纵纵向向偏偏焦焦较较大大时时,方方向向图图波波瓣瓣变变得得很很宽宽,这这样样,在在雷雷达达中中一一部部天天线

27、线可可以以兼兼作作搜搜索索和跟踪之用。和跟踪之用。大尺寸偏焦时用作搜索大尺寸偏焦时用作搜索,正焦时用作跟踪。正焦时用作跟踪。本讲稿第三十三页，共三十六页9.4 卡塞格伦天线卡塞格伦天线 卡卡塞塞格格伦伦天天线线是是双双反反射射面面天天线线（旋旋转转抛抛物物面面作作主主反反射射面面,旋旋转转双双曲曲面面作作副副反反射射面面）,它它已已在在卫卫星星地地面面站站、单单脉脉冲冲雷雷达达和和射射电电天天文文等等系系统中广泛应用。统中广泛应用。与单反射面天线相比与单反射面天线相比,它具有下列优点它具有下列优点:由由于于天天线线有有两两个个反反射射面面,几几何何参参数数增增多多,便便于于按按照照各各种种需需

28、要要灵灵活活地地进行设计进行设计;可可以以采采用用短短焦焦距距抛抛物物面面天天线线作作主主反反射射面面,减减小小了了天天线线的的纵纵向向尺尺寸寸;由由于于采采用用了了副副反反射射面面,馈馈源源可可以以安安装装在在抛抛物物面面顶顶点点附附近近,使使馈馈源源和和接接收收机机之之间间的的传传输输线线缩缩短短,减减小小了了传传输输线线损损耗耗所所造造成成的的噪噪声声。本讲稿第三十四页，共三十六页 卡卡塞塞格格伦伦天天线线是是由由主主反反射射面面、副副反反射射面面和和馈馈源源三三部部分分组组成成的的。主主反反射射面面是是由由焦焦点点在在F焦焦距距的的f抛抛物物线线绕绕其其焦焦轴轴旋旋转转而而成成;副副反

29、反射射面面是是由由一一个个焦焦点点在在F1（称称为为虚虚焦焦点点,与与抛抛物物面面的的焦焦点点F重重合合）,另另一一个个焦焦点点在在F2（称称为为实实焦焦点点,在在抛抛物物面面的的顶顶点点附附近近）的的双双曲曲线线绕绕其其焦焦轴轴旋旋转转而而成成,主主、副副面面的的焦焦轴轴重重合合;馈馈源源通通常常采采用用喇喇叭叭,它它的的相相位位中中心位于双曲面的实焦点心位于双曲面的实焦点F2上上,如图如图 9-13 所示。所示。卡卡塞塞格格伦伦天天线线可可以以用用一一个个口口径径尺尺寸寸与与原原抛抛物物面面相相同同,但但焦焦距距放放大大了了M倍倍的的旋旋转转抛抛物物面面天天线线来来等等效效,且且具具有有相相同同的的场场分分布布。这这样样,就就可可以以用用前前面面介介绍绍的的旋旋转转抛抛物物面面天天线线的的理理论论来来分分析析卡卡塞塞格格伦伦天天线线的的辐辐射射特性及各种电参数。特性及各种电参数。本讲稿第三十五页，共三十六页本讲稿第三十六页，共三十六页