第6章 面状天线.ppt

第6章面状天线 吕剑刚信息与电气工程学院lv jian gang 但在微波波段 广泛使用的是金属导体构成的口径天线和反射面天线 这类天线统称为面状天线 喇叭天线抛物面天线卡塞格伦天线 面天线类型 面状天线主要有喇叭天线 抛物面天线和卡塞格伦天线 面状天线由两部分构成 一部分是初级馈源 它的作用是将无线电设备中的高频电磁能量转换为向空间辐射的电磁能量 通常由对称振子 缝隙或喇叭构成 另一部分是辐射口面 它的作用是将初级馈源辐射的电磁波形成所需要的方向性波束 常见的口面有喇叭口面 抛物面口面等 面状天线广泛应用于雷达 微波中继 导航 卫星通信 射电天文及气象中 主要内容 6 1等效原理和面元的辐射场6 2口面场的一般表达式6 3口面场辐射特性的一般分析6 4喇叭天线6 5抛物面天线6 6卡塞格伦天线 面状天线的分析方法与线式天线相类似 先求辐射场 然后求方向系数和阻抗等 直接求解复杂 通常用近似求解方法 波动光学法 对场的求解分为两个独立问题 一 求解包围天线的某一封闭空间V内的场 即求解内部场 二 根据惠更斯原理 由封闭面上的场分布求解V以外的其他空间的场 即求解外部场 6 1等效原理和面元的辐射场 6 1 1惠更斯原理 惠更斯原理 在波传播的过程中 任一波前面上的各点 都可以当作是新的波源 辐射次级波 所有这些次级波又构成了新的波前 将波前上的任一点波源叫做面元 又称为惠更斯波源 费涅尔后来又发展了惠更斯原理 进一步假设从任一波前面上各点发出的子波同时传到空间某一点M时 该点的场强大小是各子波在这点场强的矢量叠加 因此球解空间某一点场强时 不一定从激励源出发求解 可以把实际场源产生的波的某一波前面上场强分布作为次级波源来求解 6 1 2等效原理 6 1 3面元的辐射场 面元上的电磁场 等效面电流密度与等效面磁流密度 面元方向图 P181 图5 7 面元是面状天线的基本辐射单元 在计算面状天线在空间的辐射场时 需要利用面元的辐射场采用积分的方法求得 6 2口面场的一般表达式 6 3口面场辐射特性的一般分析 6 4喇叭天线 6 4 1喇叭天线的结构及分类6 4 2喇叭天线的口面场分布规律6 4 3喇叭天线辐射场的方向性与最佳喇叭 6 4 1喇叭天线的结构及分类 可以看出 不管什么形状 就其结构来讲可以看成由两大部分构成 一是波导管部分 横截面有矩形 也有圆形 二是真正的喇叭天线部分 波导部分相当于线天线中的馈线 是供给喇叭天线信号和能量的部分 对工作于厘米波或毫米波段内的面天线 如采用线状馈线 将因馈线自身的辐射损耗太大不能把能量传送到面天线上 所以 必须采用自身屏蔽效果很好的波导管作馈线 矩形波导的横向解 上面称为TEmn波m 表示x方向变化的半周期数 即小 大 小 n 表示y方向变化的半周期数 6 4 2矩形喇叭天线口面场分布规律 1 矩形喇叭天线的口面场结构为了说明喇叭天线的口面场结构 可用一个矩形喇叭来说明 右图画出了一个矩形扇形喇叭天线的场分布图 1 当矩形波导前端面开口时 也同样能产生电磁辐射 只是因为口面直径太小 按面天线理论 口面积越大 辐射场越强 方向性越好 这样由矩形波导前端面产生的辐射场强将较弱 方向性也相对较差 如果采用开口形状喇叭 口面积相对增大 辐射场也将增强 2 当矩形波导前端开口时 将造成电磁波在波导内 外的存在空间不同 两个大小不同的空间环境对电磁波呈现的阻抗也不相同 其结果就是电磁波在波导中形成驻波形式 影响能量传输 如把波导开口做成喇叭形状 可以使电磁波由波导传到大空间时有一个渐变过程或过渡过程 这样能减缓阻抗的骤变 使电磁波在波导内传输时的驻波成份减少 有利于提高能量在波导中的传输效率 2 矩形喇叭天线口面场相位分布特点 3 矩形喇叭天线口面场振幅分布 对于矩形喇叭天线 可以看成是由矩形波导沿不同边逐渐张开而形成 因此 在矩形喇叭天线中 其口面场相位除随变化边坐标按平方律分布外 振幅总是随宽边x按余弦规律分布 把三种喇叭天线口面场振幅和相位随宽边x和窄边y的分布用数学式子表示出来就是 6 4 3喇叭天线辐射场的方向性与最佳喇叭 E面喇叭的E面方向图H面喇叭的H面方向图 2 矩形喇叭的方向系数与最佳喇叭 H面扇形喇叭的方向系数E面扇形喇叭的方向系数 6 5抛物面天线 6 6卡塞格伦天线 卡塞格伦天线的工作原理是 根据双曲面的性质 由F2发出的电磁波被副面反射 其反射的电磁波方向可以看成是共轭焦点F1发出的射线方向 又因为F1是抛物面的焦点 所以 由F2发出的电磁波经副反射面和主反射面反射后 在口径面形成同