面天线学习教程.pptx

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1、 3.4 旋转抛物面天线旋转抛物面天线结构：由馈源和反射面组成。反射面：由形状为旋转抛物面的导体表面或导线栅格网构成。馈 源：是放置在抛物面焦点上的具有弱方向性的初级照射器。利用抛物面的几何特性，抛物面天线可以把方向性较弱的初级辐射器的辐射反射为方向性较强的辐射。第1页/共46页第2页/共46页图341 抛物面的几何关系 几何特性与工作原理 f 为抛物线的焦距 为点M与焦点 f 之间的距离。为抛物线上任一点M到焦点的连线与焦轴(OZOZ)之间的夹角第3页/共46页抛物线上动点M(，)所满足的极坐标方程为（341）所满足的直角坐标方程为（342）一条抛物线绕其焦轴(Oz z)旋转所得的曲面就是旋

2、转抛物面。旋转抛物面所满足的直角坐标方程为（343）第4页/共46页其极坐标方程与式（341341）相同。即旋转抛物面天线具有两个重要性质：（1）点F发出的光线经抛物面反射后，所有的反射线都与抛物面轴线平行。（2）由F点发出的球面波经抛物面反射后成为平面波。等相面是垂直OF的任一平面。第5页/共46页旋转抛物面天线的工作原理：旋转抛物面天线的工作原理：旋转抛物面天线由反射面和馈源构成，当馈源位于抛物面焦点，并且馈源的相位中心与抛物面的焦点重合时，根据抛物面的性质，馈源辐射的球面波经旋转抛物面反射后，变为同相平面波，口径面为等相位面，因此在旋转抛物面的前方，可以得到非常尖锐的方向图，形成很强的方

3、向性。第6页/共46页图342 抛物面的口径与张角 f：抛物面焦距20：抛物面口径张角R0：抛物面的口径半径抛物面天线常用的结构参数有：D：抛物面的口径直径焦距口径比：第7页/共46页 图343 抛物面张角的类型(a)长焦距抛物面；(b)中焦距抛物面；(c)短焦距抛物面 一般而言，长焦距抛物面天线电特性较好，但天线的纵向尺寸太长，使机械机构复杂。第8页/共46页 从增益出发确定口径D以后，如再选定f/D，则抛物面的形状就可以确定了。旋转抛物面天线设计旋转抛物面天线设计再求出馈源需要照射的角度20，也就给定了设计馈源的基本出发点。焦距口径比 f/D 是一个重要的参数。根据式第9页/共46页抛物面

4、天线的口径场分析方法：利用几何光学法计算口径面上场分布时作如下假定：（1）馈源的相位中心置于抛物面的焦点上，且辐射球面波；（2）抛物面的焦距远大于一个波长，因此反射面处于馈源远 区，且对馈源的影响忽略；（3）服从几何光学的反射定律（f时满足）。几何光学法 口径面上的场分布 辐射场 第10页/共46页图644 抛物面天线的口径场及其计算 根据抛物面的几何特性，口径场是一同相口径面。设馈源的总辐射功率为Pr，方向系数Df(,)，则抛物面上M点的场强为（349）第11页/共46页（3410）式中，F(,)是馈源的归一化方向函数。将式（341）代入式（34 10），得（3411）因而由M点反射至口径上

5、M的场强为第12页/共46页（3412）其衰减的分贝数为（3413）由上式，可以看出：口径场的振幅分布是的函数。口径边缘与中心的相对场强为 第13页/共46页抛物面天线的辐射场 求出了抛物面天线的口径场分布以后，就可以利用圆形同相口径辐射场积分表达式来计算抛物面天线 E、H 面的辐射场和方向图。口径上的坐标关系为（3414）第14页/共46页（3415a）(3415b)将以上关系代入式（3-2-20）和（3-2-21）得E面、H面的辐射场为第15页/共46页(3416a)(3416b)故故E面、面、H面的方向函数为面的方向函数为第16页/共46页图347 馈源为带圆盘反射器的偶极子的抛物面天线

6、方向图 (a)H面；(b)E面第17页/共46页 抛物面天线的方向系数和增益系数抛物面天线的方向系数和增益系数方向系数：其中，为面积利用系数；S为抛物面的口径面积。第18页/共46页图 648 截获功率与漏射功率 超高频天线中，由于天线本身的损耗很小，可以认为天线效率A1，所以GD，但在抛物面天线中，天线口径截获的功率 Prs 只是馈源所辐射的总功率Pr的一部分，还有一部分为漏射损失。定义口径截获效率：(3417)截获功率总辐射功率第19页/共46页增益系数：(3418)式中，g=A，称为增益因子。第20页/共46页（3419）可以得到面积利用系数为（3420）如果馈源也是旋转对称的，其归一化

7、方向函数为F()，根据式（3410），第21页/共46页（3421）在多数情况下，馈源的方向函数近似地表示为下列形式：（3422）式中，n越大，则表示馈源方向图越窄，反之则越宽。口径截获效率为第22页/共46页图349 抛物面天线的面积利用系数、效率及 增益因子随口径张角的计算曲线 从图中可以看出，由于面积利用系数、效率与口径张角之间的变化关系恰好相反，所以存在着最佳张角，使得增益因子对应着最大值gmax0.83。第23页/共46页通常要求口径边缘的场强都比中心场强低1011dB。因此可以得到如下结论：不论馈源方向如何，当口径边缘电平比中心低11dB时，抛物面天线的增益因子最大。考虑到实际的安

8、装误差、馈源的旁瓣，以及支架的遮挡等因素，增益因子比理想值要小，通常g0.50.6；使用高效率馈源时，g可达0.70.8。第24页/共46页（3423）(3424)实际工作中，抛物面天线的半功率波瓣宽度和副瓣电平可按下列公式近似计算：第25页/共46页例 设口径直径D=2m的旋转抛物面天线，工作波长=10cm，其张角为600；设馈源的方向函数为：求此天线的面积利用系数、口径截获效率和方向系数。解：面积利用系数第26页/共46页口径截获效率：方向系数：第27页/共46页 抛物面天线的馈源 馈源是抛物面天线的基本组成部分，它的电性能和结构对天线有很大的影响。为了保证天线性能良好，对馈源有以下基本要

9、求：（1）馈源应有确定的相位中心，并且此相位中心置于抛物面的焦点，以使口径上得到等相位分布。（2）馈源方向图的形状应尽量符合最佳照射，同时副瓣和后瓣尽量小，因为它们会使得天线的增益下降，副瓣电平抬高。第28页/共46页 （3）馈源应有较小的体积，以减少其对抛物面的口面的遮挡。（4）馈源应具有一定的带宽，因为抛物面天线的带宽主要取决于馈源的带宽。馈源的形式很多，所有弱方向性天线都可作为抛物面天线的馈源。馈源的设计是抛物面天线设计的核心问题。第29页/共46页 抛物面天线的偏焦及应用抛物面天线的偏焦及应用 由于安装等工程或设计上的原因，馈源的相位中心不与抛物面的焦点重合，这种现象称为偏焦。对普通抛

10、物面天线而言，偏焦会使得天线的电性能下降。但是偏焦也有可利用之处。偏焦分为两种：馈源的相位中心沿抛物面的轴线偏焦，称为纵向偏焦；馈源的相位中心垂直于抛物面的轴线偏焦，称为横向偏焦。第30页/共46页 正焦时方向图主瓣窄，有利于跟踪目标。这样一部雷达可以同时兼作搜索与跟踪两种用途。而当小尺寸横向偏焦时，抛物面口径上发生直线率相位偏移，天线的最大辐射方向偏转，但波束形状几乎不变。如果馈源以横向偏焦的方式绕抛物面的轴线旋转，则天线的最大辐射方向就会在空间产生圆锥式扫描，扩大了搜索空间。纵向偏焦使得抛物面口径上发生旋转对称的相位偏移，方向图主瓣变宽，但是最大辐射方向不变，有利于搜索目标。第31页/共4

11、6页3.5 卡塞格伦天线由卡塞格伦光学望远镜发展起来的一种微波天线结构：由馈源、主反射面以及副反射面组成。标准的卡塞格伦天线主反射面为旋转抛物面，副反射面为双曲面。主、副反射面的对称轴重合，双曲面的实焦点位于抛物面的顶点附近，馈源置于该位置上，其虚焦点和抛物面的焦点重合。第32页/共46页图351 卡塞格伦天线的结构 置于其实焦点FP上的馈源向双曲面辐射球面波，经双曲面反射后，所有的反射线的反向延长线汇聚于虚焦点F，并且反射波的等相位面为以F点为中心的球面。由于此点重合于抛物面的焦点，因此对于抛物面而言,相当于在其焦点处放置了一个等效球面波源，抛物面的口径仍然为一等相位面。相对于单反射面的抛物

12、面天线而言，由馈源到口径的路程变长，因此卡塞格伦天线等效于焦距变长的抛物面天线。第33页/共46页卡塞格伦天线的优点：卡塞格伦天线的优点：（1）以较短的纵向尺寸实现了长焦距抛物面天线的口径场分布，因而具有高增益，锐波束；（2）由于馈源后馈，缩短了馈线长度，减少了由传输线带来的噪声；（3）设计时自由度多，可以灵活地选取主射面、反射面形状，对波束赋形。第34页/共46页卡塞格伦天线的缺点：卡塞格伦天线的缺点：卡塞格伦天线的副反射面的边缘绕射效应较大，容易引起主面口径场分布的畸变，副面的遮挡也会使方向图变形。修正主面形状以确保口径场为同相场，最终可以提高增益系数。这种修改主、副面形状后的天线，称为改

13、进型卡塞格伦天线。改进型卡塞格伦天线与高效率馈源相结合，将可使天线增益因子达到0.70.85，因而其在实践中已得到较多的应用。第35页/共46页表351 三种实际天线的电参数 第36页/共46页3.6 喇叭抛物面天线喇叭抛物面天线 无论抛物面天线还是卡塞格伦天线，都会有一部分由反射面返回的能量被馈源重新吸收，这种现象被称为阴影效应。阴影效应不仅破坏了天线的方向图形状，降低了增益系数，加大了副瓣电平，而且破坏了馈源与传输线的匹配。尽管可以采用一些措施来加以改善，但是会由此缩小天线的工作带宽，很难做到宽频带尤其是多频段。第37页/共46页图361 喇叭抛物面天线结构 结构：由角锥喇叭馈源及抛物面的

14、一部分构成 馈源喇叭置于抛物面的焦点，并将喇叭的三个面延伸与抛物面相接，在抛物面正前方留一个口，让经由抛物面反射的电波发射出来。工作原理：与一般抛物面天线的工作原理相同，即将角锥喇叭辐射的球面波经抛物面反射后变为平面波辐射出去。第38页/共46页 喇叭抛物面天线的波导轴x与抛物面的焦轴z垂直，经抛物面的反射波不再回到喇叭馈源，从而克服了抛物面天线的前述缺点。喇叭抛物面天线的喇叭张角20做得较小，一般取为3040；喇叭顶点到抛物面之长度 h做得比较长，常取为(50100)；在喇叭与馈电波导之间接有一段长为(1015)的过渡段，以改善匹配性能。第39页/共46页喇叭抛物面天线具有不少优越性能：喇叭

15、抛物面天线具有不少优越性能：（1）由于喇叭很长，张角又不大，因此它的口径场分布比较均匀，面积利用系数得到提高（65%）。（2）由于喇叭很长，还有过渡段，故特性阻抗变化缓慢，并且消除了反射波对馈源的影响，因此可以在极宽的频带内获得较好的匹配（驻波比s1.2）。例如，这种天线可以同时工作于4、6和11GHz等几个频段。第40页/共46页 这种天线虽然具有尺寸大、重量重、造价高等缺点，但由于其电气性能良好，且可同时供几个频段的微波线路使用，因此，在多波道大容量微波干线通信中应用较广。第41页/共46页 （3）由于这种天线三面皆由金属屏蔽，消除了因馈源能量散开所产生的副瓣，反向辐射亦甚小。喇叭抛物面天

16、线在实际电路上使用时，为了防止雨水、潮气、尘埃等进入馈电喇叭内，破坏天线的电气性能，天线开口处用介质密封，内部充有加压的干燥空气或惰性气体。第42页/共46页图362 频段复用天线结构图 偏置激励的双反射面天线，由一个小喇叭抛物面馈电及偏置的主、副反射面组成。第43页/共46页 这种天线在结构上与喇叭抛物面天线相比有效高度可以缩短一半，给装置排列带来方便；在充气密封方面它只需要对小口径馈电器进行密封，使工艺大为简便。若采用多模及混合模喇叭，还可望在交叉极化去耦及口径效率等方面有进一步的改进。第44页/共46页其它类型的反射面天线简介：其它类型的反射面天线简介：1抛物柱面天线矩形口面旋转抛物面天线球形反射面天线偏馈抛物面天线潜望镜式天线第45页/共46页感谢您的观看！第46页/共46页