（电子科学与技术专业论文）倍频程圆极化喇叭天线的研究.pdf

国防科技大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t c i r c u l a rp o l a r i z a t i o nh o ma n t e n n ai sa p p l i e db r o a d l yi nm a n yr e g i o n s ，s u c h 嬲 c o m m u n i c a t i o n 、n a v i g a t i o na n dc o n t r o l g u i d e ，d u et oi t sn i c ed i r e e t i v i t ya n d 谢d e s p e c t r u mb a n d i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fp r o j e c t s ，t h et h e s i sa n a l y s e sa n d d e s i g n sac i r c u l a rp o l a r i z a t i o nh o r na n t e n n a , w h i c hw o r k si no c t a v eb a n d w i d t ha n d p o s s e s s e st h ec a p a c i t yo f b e t t e ra m p l i f y i n g 、l e s sv s w ra n dl o w e ra x i a lr a t i o 1 1 1 i st h e s i sc o m p r i s e sd e t a i l e dc o n t e n t sb e l o w ： ( 1 ) ma n t e n n a sf e e d i n gp a r ta d o p t st h et r a n s i t i o no fc o a x i a l - r i d g e - r e c t a n g u l a r w a v eg u i d e i ti sa s s i s t e dw i t hs t e pa n dg r a d u a lc h a n g i n gi m p e d a n c em a t c h i n g 1 1 1 e c o a x i a lf e e d i n gp a r th a st h ec a p a c i t i e so fw i d es p e c t r u mb a n da n dl e s sv s 帆 ( 2 ) st h e s i sa n a l y s e st h et h e o r ya b o u th o wt og e n e r a t ec i r c u l a rp o l a r i z a t i o nw a v e f r o mc l a p b o a r dp o l a r i z e r 、c o r r u g a t e dw a v e g u i d ep o l a r i z e ra n dd i e l e c t r i c - s h e e tp o l a r i z e r - 玎舱sp a r a m e t e ro ft h ec l a p b o a r dp o l a r i z e rh a sb e e ni n t r o d u c 脚n 坞r e a s o l lh o wt h e p a r a m e t e r so fc o r r u g a t e dw a v e g u i d ep o l a r i z e ra n dd i e l e c t r i c - s h e e tp o l a r i z e ri m p a c to n t h ec i r c u l a rp o l a r i z a t i o nc a p a b i l i t yi sa n a l y z e db y 瑚啦t h en u m e r i c a lm e t h o d b o t ht h e c o r r u g a t e dw a v e g n i d ep o l a r i z e ra n dd i e l e c t r i c - s h e e tp o l a r i z e rh a v ea c h i e v e dt h e a n t e n n a ss t a n d a r d s ( 3 ) t h et h e o r ya to mp o w e rd i v i d e ro r t h o g o n a lm o d et r a n s d u c e r si sc l a r i f i e d a c c o r d i n gt os i m u l a t i o n , am e t h o do fd i s t u r b i n gt h eo u t p u te n d ss q u a r ec a l i b r ew a v e g u i d ef a i n t l yi sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e ma b o u tt h ed e g e n e r a t em o d e n 坞 s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ep o w e ri sd i v i d e de q u a l l y ( qm p r a c t i c a lp r o b l e m s ，s u c h 弱p r o j e c tf e a s i b i l i t ya n dm a c h i n i n ge r r o r , h a v e b e e nc o n s i d e r e dw h e nd e s i g n i n gt h ea n t e n n a s u m m i n gu pe a c hp a r t sa n a l y s i sa n dd e s i g na b o v e ，t h i st h e s i sp r o p o s e st w od e s i g n s c h e m e so fc i r c u l a rp o l a r i z a t i o nh o ma n t e n l a c o r r u g a t e dw a v e g n i d ep o l a r i z e ri s a d o p t e d i no n es c h e m ea n dd i e l e c t r i c - s h e e tp o l a r i z e ri su s e di nt h eo t h e rs c h e m e 1 1 1 e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h et w os c h e m e sh a v em e e tt h en e e do fa n t e n n ad e s i g n k e yw o r d s ：o c t a v e ，c o a x i a l w a v e g u i d ef e e d i n g ，c o r r u g a t e dw a v e g u i d ec i r c u l a r p o l a r i z e r s d i e l e c t r i c - s h e e tc i r c u l a rp o l a r i z e r s 第1 i 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 2 1 单馈点圆极化喇叭天线2 图2 4 1 1 文献中的模型和实测结果1 4 图2 4 2h f s s 的仿真结果1 4 图2 4 - 3c s t 的仿真结果1 4 图3 1 1 探针式同轴波导变换器1 7 图3 1 - 2 探球式同轴被导变换器1 7 图3 2 1 脊形波导及其等效电路图1 8 图3 2 2t e l o 、t e 2 0 、砸1 3 0 的场分布及等效电路1 9 图3 2 3 脊形波导单模工作频带的增宽1 9 图3 3 1 对称e 面阶梯及其等效电路2 2 图3 4 1 同轴波导馈电端仿真模型图2 3 图3 4 2 同轴波导馈电端剖面图2 3 图3 4 3 同轴波导馈电端的回波反射s 1 1 2 3 图3 4 _ 4 输出端口激励高次模的s 参数。2 3 图3 5 16 3 对回波反射的影响。2 4 图3 5 - 2a l 对回波反射的影响2 4 图3 5 3r y 对回波反射的影响图2 4 图3 5 - 46 2 对回波反射的影响2 4 图4 1 1 隔板中主模的基本模式变换2 6 图4 1 - 2 隔板极化器端口的定义。2 6 图4 1 - 3 隔板的一种新的设计方法2 7 图4 1 _ 4 一种采用隔板极化器的方形圆极化喇叭天线2 7 图4 2 1 波纹波导示意图3 0 图4 2 - 2 波纹方波导的剖面图3 0 图4 2 3 口径口对差相移性能的影响图3 2 图4 2 _ 4 波纹高h 对差相移性能的影响3 2 图4 2 5 波纹齿宽w 对差相移性能的影响图。3 2 图4 2 6 波纹间距g 对差相移性能的影响。3 2 图4 2 7w g 对差相移性能的影响3 2 图4 2 8 波纹波导差相移曲线3 3 图4 2 9 波纹波导回波反射曲线3 3 图4 2 1 0 高次模的s 参数曲线图3 4 第i y 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 图4 2 1 1 倒角模型的内部俯仰图3 4 图4 2 1 2 倒角模型及网格剖分图3 5 图4 2 1 3 倒角的差相移曲线3 5 图4 2 1 4 没有倒角的差相移曲线3 5 图4 2 1 5 波导口径a 对差相移的影响3 6 图4 2 1 6 波纹齿高度h 对差相移的影响3 6 图4 2 1 7 波纹齿宽w 对差相移的影响3 6 图4 2 1 8 波纹间距g 对差相移的影响3 6 图4 3 1 介质板极化器示意图3 6 图4 3 - 2 介质板波导简化模型3 8 图4 3 3i - i f s s 中简化模型的差相移曲线3 8 图4 3 - 4 全波仿真模型剖面图3 8 图4 3 5c s t 全波仿真的差相移曲线- 38 图4 3 6 方波导理论模型的差相移3 9 图4 3 7 方波导介质板优化的差相移3 9 图4 3 8a = 1 9 ，b = 1 9 5 2 的差相移曲线4 0 图4 3 9a = 2 0 ，b = 2 0 9 的差相移曲线4 0 图4 3 1 0t = 1 2 m m 的差相移曲线4 0 图4 3 1 1e = 2 6 m m 的差相移曲线4 0 图4 3 1 2 介质板极化器全波仿真的差相移曲线4 l 图4 3 1 3 全波仿真的回波反射曲线4 l 图4 3 1 4 口径口的对圆极化的影响图4 l 图4 3 - 1 5 介质板厚度t 对圆极化的影响4 1 图4 4 1m b b 公司正交模变换器的实物图片。4 2 图4 4 2 功率等分正交模变换器的模型4 2 图4 4 - 3 扭转段为3 0 m m 的回波反射4 3 图4 4 _ 4 扭转段为3 5 m m 的回波反射4 3 图4 4 - 5 输出端高次模的传输性能一 4 3 图4 4 6 输出端的功率分配曲线4 3 图4 4 7 加微扰模型及微扰孔放大图4 4 图4 4 g 加微扰后输出端功率分配曲线4 5 图4 4 - 9 输出端t e l o 模的相位曲线4 5 图4 4 1 0 输出端珏1 0 l 模的相位曲线4 5 图4 4 - 1l 扭转角度为4 4 9 0 的功率分配曲线4 5 图4 4 1 2 扭转角度为4 5 1 0 的功率分配曲线4 5 第v 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 图5 1 1 波纹波导极化器天线组合设计图4 7 图5 1 - 2 同轴波导馈电端的模型图4 7 图5 1 - 3 波纹波导圆极化器及口径收缩段的仿真模型4 8 图5 1 - 4 同轴波导馈电端示意图4 8 图5 1 5 同轴波导馈电端的回波反射4 8 图5 1 6 正交模变换器的模型图：4 9 图5 1 7 波纹方波导的剖面图4 9 图5 1 8 圆极化器组合部分的s 参数5 0 图5 1 9 同轴波导馈电端与圆极化器组合部分的级联图5 l 图5 1 1 0 波纹波导极化器与同轴馈电端级联后的s 参数。5 l 图5 1 1 1 波纹波导极化器9 g h z 远场方向图和轴比图。5 1 图5 1 1 2 波纹波导极化器l l g h z 远场方向图和轴比图5 2 图5 1 1 3 波纹波导极化器1 2 g h z 远场方向图和轴比图5 2 图5 1 1 4 波纹波导极化器1 3 g h z 远场方向图和轴比图5 3 图5 1 1 5 波纹波导极化器1 8 g i - l z 远场方向图和轴比图j 5 3 图5 2 1 介质板极化器天线组合设计图。5 4 图5 2 2 介质板圆极化器的仿真模型5 4 图5 2 3 介质板波导设计图5 5 图5 2 _ 4 介质板极化器的s 参数5 5 图5 2 5 介质板极化器与同轴馈电端级联后的s 参数：5 5 图5 2 6 介质板极化器9 g h z 远场方向图和轴比图5 6 图5 2 7 介质板极化器1 1 g h z 远场方向图和轴比图5 7 图5 2 8 介质板极化器1 2 g h z 远场方向图和轴比图5 7 图5 2 9 介质板极化器1 3 g h z 远场方向图和轴比图5 8 图5 2 1 0 介质板极化器1 8 g i - i z 远场方向图和轴比图。5 8 国防科技大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1 国内某公司产品目录中的几种圆极化喇叭天线。4 表3 一lt e l o 在b a = o 5 的双脊波导中的截止波长2 0 表3 - 2 髓在b w - - 0 5 的双脊波导中的截止波长2 0 表3 3t e 3 0 在b l a = o 5 的双脊波导中的截止波长2 0 表4 - l 方波导口径所对应的各模式截止频率。31 表4 21 3 5 g i - i z 的波导波长及w 、g 的值3 l 第i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： 堡题焦圆拯丝刿丛丞绫鳗盈塞 学位论文作者签名：毒冠监牟一 日期：少娼年月厂牛日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：沙彦年月牛日 日期：溺6 瞬f ，月，驴 j三 国防科技大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 日常生活中，一切的无线电通信、广播、雷达、导航、制导等系统都是利用电 磁波来工作的，而电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。自从赫兹利用振子 实验产生电磁辐射以来，天线技术随着社会经济的发展和军事应用上的需要，得 到了很大发展。 随着卫星通信、遥控、遥测技术的发展，雷达应用范围的扩大以及对高速目标 在各种极化方式和气候条件下跟踪测量的需要，单一极化方式已远难满足要求， 圆极化天线的应用就显得十分重要。在雷达中使用圆极化天线可以抗云、雨的干 扰；在电子对抗中，使用圆极化天线可以干扰和侦察敌方的各种线极化和椭圆极 化方式的无线电波；在剧烈摆动和滚动的飞行器上装置圆极化天线，可以在任何 状态下都能收到信息：在天文、航天通信及遥测、遥感设备中采用圆极化天线， 除可减小信号漏失外，还能消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变影响； 在电视广播中采用圆极化天线可以克服重影等等。可见，圆极化天线在通信、雷 达、电子对抗、遥测、遥感、天文及电视广播等方面的应用前途是相当广阔的。 近些年以来，圆极化天线得到了非常迅速的发展，常见的圆极化天线主要有： 圆极化波导喇叭天线、电磁振子圆极化天线、螺旋天线、缝隙圆极化天线、微带 圆极化天线、反射器圆极化天线、正交振子圆极化喇叭天线、左右旋圆极化天线、 圆极化背射天线、圆极化相控阵天线等等。 圆极化喇叭天线由于其良好的方向性和较宽的工作频带，在通信、导航和制导 领域的应用非常广泛。本文基于实际工程的需要，分析并设计了一种工作于倍频 程带宽，具有高增益、低驻波、高圆极化率等性能的圆极化喇叭天线。 1 2 天线整体设计的思路 本课题要求研制的天线其技术指标如下： 工作频段：9 18 g i - i z 在9 - 1 2 g h z 频段内：天线增益拍5 d b 方向图主瓣波束宽度：3 d b + 气0 0 在1 2 1 8 g i - i z 频段内：在3 0 0 范围内增益 _ 5 d b 极化形式：右旋圆极化圆极化系数如8 驻波系数立 第1 页 ，乞r 、 岭卜刁 、p 、l ，7 国防科技大学研究生院硕士学位论文 _ i - - _ - 一 对于图1 2 1 所示天线的改进，最大的难点在于圆极化器的设计与改进。常用 的圆极化器主要有隔板极化器、波纹波导极化器和介质板波导极化器 9 1 ，我们需要 对此三种圆极化器的性能进行分析，从而选择各方面都能达到我们设计要求的圆 极化器。 喇叭天线的矩形口径辐射，当口径场均匀分布时其方向图主瓣的3 d b 功率宽度 为5 1 0 z , ，其中九为波长，三为口径宽度：当口径场振幅余弦分布时，其方向图主 瓣的3 d b 功率宽度为6 8 l t 2 1 。天线设计要求在9 1 2 g h z 的频带内方向图主瓣3 d b 功率波束宽度描o o ，所以在设计时要求口径面的宽度小于2 1 2 5 r a m 。考虑到实际 应用的一些误差问题，我们在设计天线时，辐射口径应取的更小。 通过以上论述，天线主要分为3 个部分：同轴波导馈电端、圆极化器和辐射 段，本文分别对这三个部分进行了详细的理论分析和数值仿真。 1 3 圆极化喇叭天线技术现状 圆极化喇叭天线的由于应用领域的广泛，其技术发展和进步都比较快，目前 可以查阅到的关于圆极化喇叭天线的文献中主要介绍了以下的一些内容： 阿尔卡特公司为法国电信卫星设计的一种天线系统，可依据飞行任务要求 提供全球性成形波束覆盖和可控点波束覆盖。采用锥形喇叭，以双正交圆极化的 工作方式，可保证全球6 g h z 的接收覆盖。采用下述两种类型的覆盖，点波束和 半球高增益天线，最高可发射l o 条l1 w 的信道：对法国本土实行半球覆盖，按 国际标准化组织o s o ) 标准，等效全向辐射功率可达到3 3 d b w ；法国本土和有关岛 屿采用点波束覆盖，按i s o 标准，等效全向辐射功率可超过4 0 d b w 。用于保密的 政府通信和军用通信，采用8 7 g h z 转发器，需要4 副天线。2 副发射和接收分开 的喇叭天线，采用正交圆极化方式工作，实现全球覆盖。 1 9 9 6 年发射的第二代阿拉伯卫星使用3 副单独的天线，提供k u 频段和c 频段通信业务：一副k u 频段发射、接收双线性极化天线；一副c 频段双圆极化发 射天线；一副c 频段双圆极化接收天线。所有的第二代阿拉伯卫星天线均采用新 型成形反射器技术。采用简单波纹喇叭馈源反射器可对所有阿拉伯国家实现高成 形覆盖。这种天线与抛物面天线相比，天线表面型面只有很小的变形( 零点几个波 长) 。 1 9 7 0 年代，中国空间技术研究院开始了试验通信卫星的设计，卫星主体呈 圆柱体，直径2 1 米，从远地点发动机喷口至天线顶端的最大高度为3 1 米，卫星 起飞时的重量为9 0 0 公斤，进入静止轨道重量为4 2 0 公斤。通信频段选用国际电 联规定的频段，即上行6 2 2 5 g h z - 6 4 2 5 g h z ，下行4 g i - i z - - 4 2 g h z ，可转发电视、 广播、电话、电报、数传、传真等各种模拟和数字通信信息。星上备有2 个转发 第3 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 器。可在全天2 4 小时内全天候通信，星上转发器最大饱和功率为73 d b w 。通信 天线增益和极化方式采用覆球波束定向喇叭天线，最大接收增益1 95d b ，最大发 射增益1 65 d b ，为圆极化方式。 电子科技集团公司二十九所设计的一种应用于电子战系统的宽带圆极化 喇叭天线，在8 1 8 g h z 频带范围内，驻波小于19 ；半功率波瓣宽度为5 8 0 2 7 0 ， 副瓣电平为1 8 1 2 d b ；两路间隔离不管是主收副发或是副收主发，均大于2 2 d b ； 在此频率范围内天线的轴向轴比小于4 d b ；增益也满足使用要求。 2 0 0 2 年中国工程物理研究院研制的一种工作于x 波段方形圆极化喇叭天 线天线的轴向轴比小于3 d b 。该天线由方形喇叭、方形波导、梯形金属片、激励 器构成。 2 0 0 6 年西北工业大学研制的一种圆极化喇叭天线，工作频带为7 1 7 g i - i z ， 驻波系数小于1 9 ，天线的轴向轴比小于6d b 。采用圆波导内置介质板极化器来实 现圆极化性能。 目前国内西安的一家从事微波技术开发的公司，其提供的产品目录中包含 一些圆极化喇叭天线，如表l - 1 所示。 表1 - 1 国内某公司产品目录中的几种圆极化喇叭天线 型号名称极化水平波垂直波增益 v s w r 柬宽度束宽度( d b ) 圆极右旋 4 5 。4 5 0 1 2 01 5 囡 m p 2 4 2 5 c p l i a l 3化喇 或左 4 5 。4 5 。 1 3 o15 叭无旋旺 3 5 。3 5 0 1 4015 线极化 随着技术的进步和发展，圆极化喇叭天线的设计必然会朝着更宽的带宽、更高 的圆极化性能、更低的驻波等方向发展。 1 4 本文研究工作的主要贡献 本文从实际工程出发，比较系统的介绍了圆极化喇叭天线技术。主要解决了以 下几个问题： ( 1 ) 完成了9 - 1 8 g h z 范围内同轴馈电部分的分析与设计，设计的同轴脊波 导矩形波导的转换结构具有宽频带、低驻波等性能，具有一定的实际应用价值。 ( 2 ) 解决了在9 - 1 8 ( 3 h z 内的宽带圆极化问题，从理论上分析了采用不同的极 化器所能达到的性能：分析了隔扳极化器的s 参数，并对其设计时要注意的问题 提出了一些参考性的意见：分析和设计了介质板极化器和波纹波导极化嚣，并对 关键参数进行了误差分析。圆极化器的设计是本文最大的难点，也是本文主要研 究的问题。 第4 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 ( 3 ) 分析和设计了4 5 0 功率等分正交模变换器，并通过在输出端方波导1 ：3 径 上增加微扰的方法，解决了简并模的问题，得到了理想的功率等分结果。 ( 4 ) 天线在设计过程中充分考虑到了工程可行性和加工误差等实际应用的问 题。 1 5 本文主要研究内容安排 本论文着重于研究倍频程圆极化喇叭天线在某课题工程项目中的应用问题，对 目前的宽带圆极化天线技术进行了全面的了解，并在前人的基础上作了一些改进， 提出了符合工程要求的设计方案，全文共分五个部分进行论述：第一章阐述了天 线设计的整体思路和圆极化喇叭天线的技术现状；第二章主要论述了天线设计的 几个基本问题，包括：设计方法、分析方法、仿真方法和指标分析；第三章主要 对同轴波导馈电端进行了较为全面分析，包括：同轴啵导转换和阻抗匹配等， 给出了设计方案和误差分析；第四章对三种圆极化器进行了详细的理论分析和推 导，采用数值方法分析了波纹波导和介质板波导的设计参数，给出满足指标要求 的圆极化器设计方案；第五章给出了天线的整体设计参数和仿真结果。 第5 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 第二章天线设计的基本问题 天线设计的基本原理是以经典电磁场理论为基础，这些设计原理创立于1 9 世 纪下半叶和2 0 世纪初，当时首次无线电实验正在进行。从那时起，天线设计的应 用得到不断的发展，特别是二次世界大战期间和战后，随着通信、雷达、遥感、 广播的迅速发展，加速了天线设计的应用。近年来，空间、卫星和移动通信以及 固体元器件等技术的发展，促进了人们对通信方面新的需求。与此同时，辐射系 统的数量亦有显著增长，所有这些系统又必须占用现有的无线电频带，从而对天 线的性能要求越来越高，导致天线设计难度有了很大的提高。 2 1 天线设计及分析方法简述 典型的天线设计过程是，首先选择某一个一般类型的天线，并凭经验认定该天 线可满足足够的性能要求。这些性能指标将包括一部分或全部如下电参数：工作 频率、方向图、增益与效率、阻抗、带宽、极化和噪声温度。然后再去考虑其他 的一些因素，如：尺寸与结构限度、重量、材料、环境因素和价格。 高性能天线的设计是一种理论与实验技术的结合。只要可能，都要建立一个理 论模型，来提供用其主要参数所表示的天线辐射电磁场和输入阻抗的预测值。理 论模型中可能包含高深的数学和计算方法，因此，在运用理论模型分析和优化高 性能天线之前，必须对它的合理性和精度有足够的了解。偶尔可以找到表征天线 辐射特性和阻抗特性的闭合解析式，但更多情况则是系统理论上的复杂性要求采 用数值计算和计算机处理。 理论设计完成后，就要制作并评价实验模型。天线的实验模型可以是全尺寸的， 但为了减少费用，改进精度，或便于进行实验鉴定，也可采用频率缩尺技术。该 技术对众多类型的天线问题都是十分有效的。但应注意，必须对整个天线结构中 所有那些将直接影响天线电磁特性部分，都要进行严格准确的缩尺。 为了满足更高要求的性能指标，实验天线的电测量必须在已知的精度上进行。 于是，装备良好的高性能天线测试场，就成了天线设计者的基本要求。 随着天线技术的发展，天线的分析方法也逐步完善，天线理论从电磁场一般理 论中分离出来形成了单独的理论系统研究开放性边界条件的电磁理论系统。 分析方法大致可分为以下三类【2 j ： 严格解析法：这种方法把天线上的源和空间电磁场视作整体，按天线本身所规 定的边界条件严格求解，称为电磁场边值问题的严格解。这种方法包括严格建立 和求解偏微分方程或积分方程。严格求解偏微分方程的方法是分离变数法：严格 第6 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 求解积分方程的方法是变换数学法。严格解析法的优点是可以得到精确的答案， 从其显示解中可看出参量变化对结果的影响，可以作为其他非严格解的比较标准： 其缺点主要是它所能处理的问题仅局限于少数形状简单的天线。 近似解析法：这种方法或是在处理对严格的数学模型应用了近似方法，如变分 法、微扰法、迭代法等；或是把典型边界条件下严格解的结果应用于非典型边界， 如几何光学法、几何绕射法等；或是把天线上的源分布问题与天线周围的场分离 开，采用近似方法确定源区的场( 内场) ，然后再去求源区以外的场( 外场) 。这 些方法通常也能得到近似的解析式，因而被广泛用于工程分析中。 数值法：随着计算技术的发展，数值法早已超出了经典的微积分数值计算的概 念而出现了一些特别适用于计算机求解数理方程的方法，如矩量法、有限元法、 时域有限差分法等。用这些方法把微分、积分方程化为线性代数方程组，再用计 算机计算。这种方法和严格解析法、近似解析法结合，能解决很多的复杂边界的 问题，得到足够准确的数值解。 2 2 宽带天线的主要指标 实际上宽带天线主要指标和一般的天线有很多的一致性，但是也有其特定的要 求和约定。天线的频带宽度指的是主要电气指标如：增益、主瓣宽度、副瓣电平、 输入阻抗、极化特性、相位分布等均满足设计要求时的频率范围。通常情况下， 天线的各项指标是随频率变化的，因而天线带宽决定于各项指标的频率特性，若 同时对几项指标都作具体要求时，则应该取其中最严格的要求作为确定天线带宽 的依据，下面对其指标确定作规范性约定： 一、天线带宽表示法 相对带宽表示：天线的最高工作频率与最低工作频率之差比上天线工作频率范 围内的中心频率，即： 肛- ( a - f o f or = 2 缈f o ( 2 2 1 ) 式中，石和石分别为工作频带范围内的上限频率和下限频率，石= ( 矗怕2 。 天线带宽比表示：天线工作频带的上限频率和下限频率之比 b 胪可踬( 2 2 2 ) 倍频程带宽表示：通常将天线的工作频带范围内的上限频率和下限频率之比是 数字2 的幂次关系。设p 为幂次数 b w = 2 v ( 2 2 3 ) 若尸1 则称为一个倍频程，若p = 2 则为2 个倍频程。 一般情况下，窄频带天线多使用相对带宽表示法，而宽带天线通常采用带宽比 表示法，而超宽带天线用倍频程表示法。在雷达系统中，相对带宽为1 0 左右及 第7 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 其以上被认为是宽带，而相对带宽在2 5 及以上被认为是超宽带。 二、天线阻抗与驻波 天线输入阻抗必须具有宽带特性，即在工作信号的主要频带上保持阻抗的一致 性，才可以保证信号能量有效地辐射出去，不引起信号特性的改变或降低。同时， 必须解决天线终端不连续性引起的振铃现象，要求天线特性阻抗沿天线纵向连续 变化过渡，使其上的电流为行波分布，所以大多数宽带天线常常作阻抗加载处理， 因而天线效率降f 氐| _ 一即信号保真与辐射效率存在矛盾。 当天线的输入阻抗与传输线的特性阻抗( z o - 5 0 q ) 不匹配时，便在传输线上 形成驻波，驻波比表明天线的阻抗与传输线阻抗失配的程度。通常要求发射天线 的电压驻波比v s w r _ 2 。当驻波v s w r = i 时，系统完全匹配，这在工程中不太可 能实现；当v s w i k i 5 时，系统匹配优良；当v s w r _ 2 时，系统匹配良好：当 v s w r _ 垫时，其匹配程度尚可使用；v s w r 苎时被认为匹配比较差，对于特定要 求的超宽带侦察系统，可以容许v s w r _ 4 。 三、天线方向图 天线的方向图是用来描述电磁场强度在空间的分布情况，它是一个三维的立体 图形，工程上通常采用在天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面内的方向图 来表示天线的方向性，相对于天线的安装位置，分别用方位面和俯仰面两个主平 面的方向图表示，具体描述方向图的参数有：波瓣宽度、副瓣电平、歪头( 波束 最大辐射方向偏离预定值的角度) 、前后辐射比、交叉点飘移、差波束的零值度、 零值飘移等。方向图最直观地反映了电磁场大小的空间分布，在自由空间形成分 布方式，描述它的立体图称为辐射图，简称方向图。 各种电磁设备的用途不同，对天线所具有的方向图的要求也是不同的，最常用 的天线方向图有： 全向方向图：方位面为3 6 0 0 覆盖，图形为一圆形，俯仰面为八字型； 针状波束方向图：方位面波束宽度等于俯仰面波束宽度； 扇形波束方向图：方位面波束宽度窄，俯仰面波束宽度宽； 赋形波束方向图：方位面波束宽度窄，俯仰面波束满足特定的图形，如余割平 方关系，或者只对方位面波束赋形，或者两个主平面都赋形； 多波束方向图：方位面有多个按一定规律分布的波束，俯仰面可以是窄波束或 多波束，反之亦然。如正交波束、和差波束、单脉冲跟踪测向波束、同时多波束 等。 四、天线增益 天线的增益g 和方向性d 是一个互相紧密联系得物理量，其关系为： g 邗d( 2 2 4 ) 其中t 1 是天线的效率，它表示天线在能量变换上的效能。当天线无金属损耗、 第8 页 国防科技大学研冗生院硕士学位论文 介质损耗、失配损耗，无泄漏损失等时，1 1 才等于l ，通常1 1 小于l 的，工程上对 于加载天线或电小天线效率比较低。天线的方向性，表示天线在最大辐射强度方 向上的强度值与平均的辐射强度之比。在球坐标系中，它可以表示为： d ：鱼! 一 f 2 2 5 1 石j c r f ( 幺扔- s i n 0 a o a 、 。 式中f ( 。，巾) 是对峰值的归一化辐射图，这个值可以根据算得的方向图进行理 论计算，也可以根据实测所得的方向图，用图解数字积分法求得。因此，方向性 又决定于天线的方向图。天线增益q 巾，e ) ，是描述天线的一种品质因素，它表示在 给定方向上的最大辐射强度与具有同一输入功率的理想参数天线在同一方向的最 大辐射强度之比。天线增益是与空间位置( 巾，0 ) 有关的函数，在一般的天线方向图 中，最大辐射方向上的电平值，记为天线的增益g a = g ( 巾o ，0 0 ) ( d b i ) ，字母i 表示 该增益是相对于各向同性辐射器而言，工程中也有用半波长振子作为参照，即增 益单位为( d b d ) ，只是c k = g ( 巾o ，0 0 ) ( d b i ) 2 1 5 。通常对于口径天线通过天线的 两主平面波束宽度来估算其方向性系数，但是此简化公式只适用于窄方向图天线。 。= 万万d b ( 2 2 6 ) 式中h p 和e p 为天线的主平面波束宽度 对于均匀矩形口径：d b - - 3 2 3 8 3 ( d e 9 2 ) 当e 面均匀、h 面为余弦分布时：d b = 3 5 2 3 0 ( d e 9 2 ) 对于均匀圆形口径：d b = 3 3 7 0 9 ( d e 9 2 ) 当幅度小于1 2 r i b 渐变时：d b - - 3 8 9 3 3 ( d e 9 2 ) 对g a u s s i a n 和c o s q ( 0 ) 矩形波形：d b = 4 12 5 0 ( d e 9 2 ) 增益最直接的表达式为 g = 焉a 仇 ( 2 2 7 ) 式中九为工作波长， 1 l 为孔径效率，a 为孔径面积 对于宽带性能比较好的馈源抛物面天线1 1 l 几乎恒定，其值大于或等于5 5 ， 对于角锥喇叭天线孔径效率为5 1 。如果损耗很小，可以认为g d ，对于一般天 线取d b - - 2 6 0 0 即可。 五、圆极化 圆极化天线有以下两个非常好的优点【_ 7 】： 一、拒收地面反射信号，使衰落减到最小；例如：地面控制系统通过卫星与 飞机的通信情况。当卫星在低仰角时，除直接的路径外，从地面特别是海面有强 的反射。而飞机天线是低增益、宽波束的，本身不能提供足够的鉴别，并可能出 现严重的衰落。如果使用圆极化天线系统，地面反射信号的极化方向相反于是可 第9 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 以明显改善信号质量； 二、能很好的改善覆盖范围。例如：航天飞行器与地面站之间的通信。飞行 器的机动飞行会改变其天线相对于固定地面站的极化。圆极化地面天线的使用， 有助于提高倾斜角发生的信号损耗及地面反射引起的信号损耗减到最少。 ( 1 ) 极化的定义 电磁波的电场方向称为极化方向。在一个周期内，如果电场在一个方向上来回 变化称为线极化波；如果电场的大小和方向时刻在变化，并在观测点处垂直于传 播方向的平面内描绘出一个椭圆，称它为椭圆极化波；如果电场的大小不变而方 向时刻在变，则称为圆极化波。椭圆极化波的椭圆长短轴之比，我们称之为轴比， 通常用分贝数表示。当椭圆的轴比等于l ，即零分贝时，椭圆极化波即是圆极化波。 当长短轴之比为0 0 时，此时的极化即是线极化。一个椭圆极化波可以分成二个旋转 方向相反的圆极化波。其中场强分量大的旋转方向与椭圆极化的相同，而旋转方 向相反的圆极化波，我们称为交叉极化分量。 ( 2 ) 极化的合成 设有一个垂直极化波勖和一个水平极化波助。当两者的幅度和相位处于不同 状态时，它们将合成不同的极化波。 当风= o ，西0 时，合成的波为水平极化波。 当e h = 0 ，风0 时，合成的波为垂直极化波。 当e v = 西而且两者相位相同时，则在4 5 0 方向上合成线极化波。 当e v = 西而且两者相位相差n 2 时，则合成圆极化波。 当e v - - e 而且两者相位相差不等于n 2 ，或e v e h ，两者相位差等于，r , 2 时，则 合成椭圆极化波。 ( 3 ) 圆极化的产生 根据合成极化波的条件可知，必须有两个方向相互正交的线极化波，而且幅度 相等，相位差v , 2 。一般有以下三类方法： 相同天线的组合 例如一对交叉的半波偶极子，两偶极子上的电流幅度相等，相位差兀2 ，则在 轴线方向上得到圆极化波，但在偏离轴线的方向上圆极化性能就差。用一对其他 类型的天线也可以组合成圆极化天线，例如引向天线等。 传输型极化器 传输型极化器是对相互垂直的电场矢量有不同的相移量。把这个相移量调整到 n 2 ，并使这两个电场幅度相等，这就得到圆极化波。 最简单的极化器是一平行金属片结构，如图2 2 1 所示。入射极化波的电矢量 与金属片平面倾斜4 5 0 ，故它可分成两个大小相等的分量，一个平行于片，另一个 垂直于片。垂直于片的分量通过结构时不受影响，平行于片的分量可看成通过一 第1 0 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 平行片波导，而对自由空间传输有相移，如果片的间距和长度调整平行于片的场 对垂直于片的场相位超前n 2 ，则在片的出口处两个场在空间上和时间上都将正交， 因而形成圆极化波。除了平行片结构外，还可有介质片、插棒、波纹状等移相器。 传播方向 图2 2 1 平行片极化器 反射型极化器 反射型极化器实际上很像传输型极化器，长度是后者的一半；置于一导电平面 的上面。反射波对平行片是4 5 0 极化，平行于片的分量在片的边缘反射，垂直于片 的分量进入平行片内再在导电平面上反射，当回到平行片边缘时因多走路程而形 成n 2 的相位差时，则在反射方向上合成圆极化波。 2 3 天线的仿真软件及其主要算法 天线的数值分析方法主要是指全波分析中的数值分析方法。传输线理论和腔膜 理论通常都是对具体问题进行近似假设，其模型简单，并没有复杂的数值分析。