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用于空间功率合成的抛物曲面天线的研究毕业论文电磁场与微波技术摘 要在现代战争中，电子战是一条非常重要的战线，它利用电磁波辐射波束破坏敌方电子武器装备的同时，保障己方武器装备效能的正常发挥而采取的军事行动。这就需要输出很高的辐射功率干扰或覆盖敌方的通信信号，并且不能影响己方的作战系统正常工作。空间功率合成技术把多个功率源的信号叠加起来，形成高功率的微波信号，它采用大直径波束或波导模式与有源器件直接耦合，实现多单元器件功率直接合成。由于所有单元器件并行工作，系统损耗只取决于传输模式与有源器件的耦合性能，与单元器件个数无关，有效的解决了电路合成效率随单元个数增加而下降的问题，是产生大功率电磁波辐射的有效途径。本文基于抛物柱面空间功率合成天线提出了一种新型的双焦抛物曲面反射面天线，并根据惠更斯菲涅尔原理对馈源相位进行配置，以达到让喇叭馈源阵列辐射出的电磁波在反射面口径面上同相合成的目的。同时研究了抛物曲面天线各个结构参数对天线性能的影响，给出了获得最佳性能时天线的结构参数。本文还对抛物曲面天线的波束扫描特性进行了研究，其中包括了偏焦电扫描和机械扫描的特性。根据研究结果，分析了扫描方式具体的运用环境。本文还对抛物曲面天线进行了实际测量，跟同样高度的抛物柱面天线进行了对比。测试结果显示，采用抛物曲面天线比抛物柱面的增益大了3 dB，这验证了抛物曲面天线的优越性以及可行性，对工程实践具有重要的指导意义。关键字：空间功率合成；物理光学法；抛物曲面天线，波束扫描AbstractElectronic warfare plays a significant role in modern warfare. Making use of electromagnetic wave to radiate electron beam, it can not only destroy the electronic weapons and equipment of the adversary but also safeguard the normal performance of ones own weapons and equipment. To fulfill this task, it is imperative for electronic warfare to output very high radiant power to interfere with or cover the adversarys communication signals without influencing the normal functioning of ones own warfare system.The technique of spatial power combining superposes signals with different power sources together to form high-power microwave signal. It utilizes large-diameter beams or wave-guide modes to directly couple with active devices in order to realize the direct synthesis of power of multi single-unit components. Since all multi single-unit components work in parallel, the system loss only relies on the coupling performance of transmission modes and active devices and has nothing to do with the number of single-unit components, which can effectively solve the problem that the synthetic efficiency of circuit declines along with the increase of the number of single-unit components. It appears to be an effective way to produce high-power electromagnetic wave radiation.This dissertation proposed a novel dual-focus parabolic curved reflector antenna on the basis of parabolic cylindrical spatial power combining antenna, and then configured the feed phase according to Huygens-Fresnel principle in order to ensure the electromagnetic wave radiated by the horn feed array can be in-phase combination on the aperture of the reflector as fully as possible . Meanwhile, the paper studied the relationship between each parameters of the parabolic curved antenna and the antenna performance and finally came to the structure parameter for the best performance. The beam scanning characteristics including offset electric beam scanning and mechanical beam scanning have been researched as well in the dissertation. The application circumstance for the beam scanning was analyzed according to the study.The measured results have been given in this dissertation compared with the parabolic cylindrical antenna with the height. When used the parabolic curved antenna, the antenna gain is 3 dB larger than that used the parabolic cylindrical antenna, which validated the superiority and feasibility of the parabolic curved antenna. The research is important to engineering practice.Keywords: spatial power combining; physical optics; parabolic curved antenna; beam scanning目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题背景和意义11.2 空间功率合成技术的研究现状21.2.1 国际研究现状21.2.2 国内研究现状31.2.3 小结51.3 本文的主要研究内容和章节安排7第二章 基础知识92.1抛物曲面天线设计所用基本原理及计算方法92.1.1 惠更斯费聂耳原理92.1.2 物理光学法102.2 反射面天线112.2.1反射面天线分类112.2.2抛物反射面天线122.3 喇叭天线142.4 阵列天线理论152.5 空间功率合成天线的组成和原理162.6 天线增益因子172.7 等效各向同性辐射功率182.8 本章小结18第三章 16路喇叭偏馈抛物曲面天线的结构和性能研究193.1 引言193.2 16路喇叭偏馈抛物柱面天线193.2.1 抛物柱面天线的结构和性能193.2.2 抛物柱面天线的优化方案223.3 16路喇叭偏馈抛物曲面天线223.3.1 抛物曲面天线的结构223.3.2 抛物曲面天线与馈源的相位配置243.3.3 三种抛物曲面天线的性能比较253.3.4 抛物曲面与抛物柱面性能对比273.4 抛物曲面天线的参数研究283.4.1 垂直方向抛物线焦距对天线性能的影响283.4.2 垂直方向抛物线张角对天线性能的影响303.4.3 馈源阵列指向角对天线性能的影响323.4.4 抛物曲面天线最佳结构参数及性能333.5 纵向偏焦特性363.6 本章小结38第四章 16路喇叭偏馈抛物曲面天线的波束扫描394.1 引言394.2 横向偏焦电扫描394.3 机械扫描424.3.1 垂直机械扫描424.3.2 水平机械扫描464.4 本章小结49第五章 8路喇叭偏馈抛物曲面天线的实测505.1 引言505.2 8路喇叭馈源抛物曲面天线505.2.1 8路喇叭馈源抛物曲面天线的结构和性能505.2.2 8路喇叭馈源抛物曲面天线的电扫描特性535.3 实测方案555.4 抛物柱面天线和抛物曲面天线的实测585.4.1 抛物柱面天线的实测585.4.2 抛物曲面天线的实测615.5 本章小结65结论66参考文献67攻读硕士学位期间取得的研究成果70致 谢71V参考文献第一章 绪论1.1 课题背景和意义在电子对抗微波毫米波系统中，往往需要把大功率的定向电磁辐射波束辐射到作战空间1，传递己方的有用信息或者干扰同频的敌方信息，破坏敌方的通信和侦察系统的正常工作。要有效地破坏敌方的信息传递，需要输出很高的辐射功率干扰或覆盖敌方的通信信号，并且不能影响己方作战系统的正常工作。定向电磁波束辐射功率的提高就意味着对抗系统具有更大的作用半径，更强的抗干扰能力等优点。因此，大功率的电磁波束辐射对军用微波电子对抗系统来说意义重大。通常，我们采用功率合成的方法，把多路较低功率的信号合成为所需要的大功率辐射，方法有两种：一是采用基于电路或波导的功率合成技术，将多路信号利用电路或波导的合成网络进行功率合成，再通过天线辐射出去，但由于合成网络本身存在损耗，会降低功率合成的效率；二是基于自由空间功率合成技术，通过采用空间功率合成天线，多路功率信号直接通过天线单元辐射到自由空间去，通过控制各路辐射的相位，直接在自由空间合成定向辐射的大功率电磁波束，由于没有了合成网络的损耗，合成效率较高。是产生大功率电磁波辐射的有效途径2,3,4,5。空间功率合成天线的主要指标是等效全向辐射功率ERIP，为了提高ERIP，除了增加功率合成的功放路数外，另外一个有效的办法是增加天线的增益。要提高天线的增益，就必须提高天线的口径。在微波波段，空间功率合成天线可以采用由多个喇叭天线组成的等幅同相馈电的线型阵列来进行空间功率合成，用抛物柱面作为反射面来增大天线的口径以提高天线的增益。放在抛物柱面焦线上喇叭天线阵列辐射出来的电磁波经抛物柱面反射后在空间合成高功率的尖锐波束。为了进一步提高天线的增益，就必须进一步提高抛物柱面的长度。然而，抛物柱面天线要求馈源阵列的长度与抛物柱面的长度相同，否则将由于抛物柱面得不到充分的照射而无法提高天线的增益。增大馈源阵列的长度需要更多的喇叭单元或者更大的阵列单元间距。更多的喇叭单元意味着更多的功放路数，这会大幅度提高系统的成本；如果增大阵元间距的话，由天线阵列理论可知，当阵元间距大于1个波长时，天线的方向性图会出现栅瓣，使功率在不需要的方向辐射6，这一方面浪费能量，降低功率合成效率，另一方面会产生不必要的干扰。由于这个因素的限制，现有技术无法得到高增益、窄波束的大功率辐射。为了解决这一问题，对于线阵空间功率合成天线来说，就必须改进反射面和馈源阵列的设计。本课题提出了一种新型的抛物曲面功率合成空间天线，这种天线的反射面是用一条抛物线沿着另一条抛物线正交走过所形成的一个双焦抛物反射面，馈源阵列是采用偏馈形式的抛物线阵列，每个喇叭天线的相位根据惠更斯菲聂耳原理进行设置，每个喇叭天线在最大辐射方向上达到最大的同相合成。馈源阵列进行空间功率合成，产生的辐射照射双焦抛物反射面，抛物曲面反射面天线反射电磁波形成需要的波束以提高天线增益。研究的数据和结果可以也为相关的微波毫米波雷达系统、远距离通信系统和电子对抗系统的应用提供参考。1.2 空间功率合成技术的研究现状1.2.1 国际研究现状1981年Durkin M.F.首次提出了空间功率合成技术7，他在IEEE微波理论与技术学术年会上报导了他的研究成果。他研究了应用空间功率合成完成的35GHz有源孔径。合成方案采用32个辐射元件，由4个注入锁定脉冲IMPATT振荡器激励，组成8毫米波段的有源阵列。准光学空间功率合成结构是在1983年由W.Lothar提出的8。他采用两个锥形介质天线将信号输入谐振腔，信号在谐振腔中形成振荡，并用一路锥形介质天线将信号耦合输出，实现功率合成。谐振腔由两个表面高度抛光的反射面组成。在60GHz处达到了54的合成效率。此后，美、日、俄、中等国学者相继开展了这方面的研究，提出了许多新结构和新方法。将毫米波器件通过不同的结构形式安置于准光腔内进行功率合成，在满足准光腔稳定的条件下，可将准光腔腔面设计成足够大，以便实现多器件的功率合成同。波导内空间功率合成技术是由A.Alexanian和R.A.York于1997年提出9，当时在X波段采用基于标准矩形波导的24的MMIC功放阵列，实现了2.4W的连续波功率输出，合成效率达68，并具有良好的工作带宽。自由空间波功率合成技术是由K.chang、T.Iton等人提出的10,11，利用天线的辐射和互耦特性，将各个毫米波器件的辐射功率在自由空间内进行功率合成。自由空间波功率合成其实是准光功率合成的一种变形，这种直接输出合成功率的思想最早来源于J.W.Mink在1986年提出的用半透明材料制作准光腔反射面这一设想。图1-1 a）准光率空间功率合成 b）波导内空间功率合成 c）自由空间功率合成Navarro J.A等于1993年提出了用有源集成贴片天线阵列来实现空间功率合成的方法12，微带贴片阵列体积较小，加工简单，方便与有源电路的集成，但带宽较窄。当带宽要求较高时，可用带宽较宽的喇叭阵列天线实现13,14。1992年，Rahmat-Samii Y, Duan D, Giri D等提出了一种喇叭馈源偏馈抛物面或偏馈双反射面空间功率合成天线15，采用喇叭束馈源赋形双反射面设计时，天线的增益可达38.2dBi，天线效率61，实现了窄波束高功率的电磁波辐射。图1-2 喇叭馈源偏馈抛物面或偏馈双反射面空间功率合成天线1.2.2 国内研究现状国内学者也对空间功率合成天线进行了相关研究15,16,17。文献15用4元有源贴片天线阵列实现空间功率合成。文献16实现了2元空间耦合有源天线阵列的空间功率合成和波束扫描。文献17 对扇形喇叭一维阵列、角锥喇叭或圆锥喇叭三角阵列喇叭束作为馈源的单偏置抛物面天线，空间合成高功率微波进行了比较研究，指出了采用扇形喇叭一维阵列馈源的天线系统具有更高的方向性系数和更优的溢出效率。在国外的研究文献中，可以看到空间功率合成天线可以用有源集成贴片天线阵列来实现18，微带贴片阵列体积较小，加工简单，方便与有源电路的集成，但带宽较窄。当带宽要求较高时，空间功率合成天线可以采用带宽较宽的喇叭阵列天线实现19，当合成系统需要很高的天线增益时，还可以以喇叭阵列天线为馈源的反射面天线来实现20, 21。采用反射面天线可以进一步提高空间功率合成天线的增益，因此反射面天线在空间功率合成中得到了广泛的应用。本校褚庆昕教授和项目组人员研究了一种用波导喇叭线阵作馈源，抛物柱面为反射面的机载空间功率合成天线，如图1-3所示，可以实现大功率的连续波电磁波束。同时，项目组人员对这种天线的特性进行深入的研究2223。为了提高天线的增益，同时压制天线的栅瓣电平，增加系统的等效辐射功率，项目人员同时提出了新型的功分喇叭阵列2425。图 1-3 偏馈抛物柱面空间功率合成天线在抛物面天线的研究中，国防科技大学的李高升等分析了引起抛物面天线偏焦的原因，较为详细地推导了各种情况下允许的馈源最大偏焦距离26，得出了简洁的表达式，并对所得结果的物理意义进行了简要分析，给出了关于偏焦的各种应用场合的介绍。这对于指导工程实践有着重要的现实意义。西北工业大学的郭陈江等人以馈源横向偏焦量y 作为变化因素分析了偏焦偏置抛物面天线的远场辐射特性。在采用坐标转换，相位计算的基础上运用口径场法推导了远区电场的近似表达式,并对不同偏焦量y下的天线方向图进行了计算和比较分析27。结果表明,随着偏焦量y的增大,天线主波瓣偏离抛物面的焦轴线角度越大,天线增益越小;而且主波瓣宽度越宽,旁瓣的不对称性越明显,第一旁瓣的相对强度也越大，对抛物面天线的偏焦特性做了比较系统的研究。桂林空军学院的林岩通过数值计算发现，将抛物线绕通过焦点的非抛物线对称轴旋转而形成的赋形抛物面天线可产生环状的方向图主瓣 (此主瓣指的是主瓣最大值处 )28。最后给出了计算方法和计算结果。计算结果表明：E或H平面内环状方向图主瓣两最大峰值间的夹角可在很大范围内变化,低副瓣电平较难得到。这种新型的赋形抛物面天线的提出对工程有一定的指导意义。2009年，国防科技大学的戴幻尧等以天线的空域指向为变化因素来分析研究抛物面天线的空域极化特性29,采用表面电流法计算了天线远场的主极化和交叉分量,进而利用空域极化比分布,瞬态极化投影集等空域瞬态极化描述子研究了雷达坐标系下不同方位角和俯仰角下典型抛面天线极化特性的变化规律。通过计算和分析比较,结果表明,在空域指向的不同位置,抛物面天线的极化特性服从一定规律变化,这对抛物面天线空域极化特性的应用提供了理论依据和支持。1.2.3 小结综上所述，功率合成技术主要包括两大类：基于电路的功率合成技术和空间功率合成技术30。基于电路的功率合成技术包括谐振型和非谐振型电路功率合成技术，前者把多个固态功率器件放在同一谐振腔内实现功率合成，为了避免谐振腔的多模现象，谐振腔的尺寸不能太大，所以合成的功率有限，尤其无法用于把大功率的磁控管、行波管等大功率源的功率合成。非谐振型的功率合成网络采用传输线（如波导、微带线等）实现的信号分配和功率合成网络，把多个有源电路（如功率放大器）的输出同相合成于同一端口，可以集成较多的功率器件，获得大的功率输出，如图1-4所示31。然而随着合成器件数目的增大，分配和合成网络体积大、欧姆损耗大，功率合成效率将会降低，当合成的器件数达到一定时，输出功率无法进一步提高，如图1-5的曲线所示31。图1-4 电路功率合成图1-5 电路功率合成输出功率和放大器个数的关系准光和空间功率合成利用有源器件阵列和天线阵列，把大量的有源器件的输出耦合到准光波束、波导模或直接耦合到自由空间进行功率合成，避免了电路合成网络的欧姆损耗所带来的瓶颈限制，因而合成效率高、合成规模大，成为当今功率合成技术的发展趋势和研究热点32,33，尤其是在毫米波和亚毫米波频段。其中，把有源器件的输出耦合到准光波束和波导空间的功率合成技术主要适合于用大量固态的微波MMIC芯片构成大功率的微波、毫米波信号源或功率放大器，如图1-6所示34。目前这种方式在X波段可以产生大至150W的功率输出35、在60GHz频段可以产生36W的功率输出。要产生电磁对抗与压制所需要的千瓦级以上的合成功率输出尚未实现。 图1-6 有源器件的输出耦合到准光波束和波导空间的功率合成技术如图1-7所示33,36,把多路的微波功率源直接耦合到自由空间的空间功率合成技术，利用天线阵列原理构成有源天线阵列，把多路功率信号在各个天线单元辐射频率相同、相位符合特定关系的电磁波在自由空间传播中互相叠加合成，从而在给定方向上直接合成大功率电磁波束。它不但适合于多个小功率微波电路芯片的功率合成，也适合于把多个大功率器件（如行波管等）进行空间功率合成，更适合于无线通信、雷达、电子对抗等工程领域。尤其适合于需要产生数千瓦以上的高功率微波（HPM）波束的电子对抗环境。图1-7 空间功率合成方法由于本文涉及旋转抛物面天线的尺寸很大，用基于数值计算方法计算的商用软件（如HFSS、CST等）分析需要大量的计算机内存和时间，故一般采用光学近似方法来分析。1.3 本文的主要研究内容和章节安排本文研究的抛物曲面空间功率合成天线是空间功率合成系统的重要组成部分，其性能的优劣直接决定整个系统的合成效率。抛物曲面天线组合阵列天线和反射面天线两种技术于一身，用喇叭阵列作馈源可以方便地实现多路微波功率的合成，合成波束在垂直和水平两个正交截面的覆盖范围可以不对称，并可独立调整。本文首先基于抛物柱面的研究基础，按照惠更斯费聂耳原理设计一种新型反射面天线，然后研究了影响赋形抛物曲面天线辐射特性的关键因素并对抛物曲面天线的波束扫描特性进行了研究。最后给出了实际测量的方案和结果。本文的具体安排如下：第一章，介绍课题的研究背景，意义，空间功率合成技术的研究动态和本文的章节安排。第二章，主要介绍空间功率合成天线系统的相关基础知识。包括天线的辐射参数，惠更斯费聂耳原理，物理光学法，反射面天线，阵列天线理论，喇叭天线的相关知识，空间功率合成天线的工作原理，增益因子等。第三章，首先基于抛物柱面按照惠更斯费聂耳原理设计了一种新型的抛物曲面天线，并研究了反射面的弯曲程度、高度以及跟馈源之间的配置对天线性能的影响。给出了天线最佳性能时的结构参数，研究了天线纵向偏焦的特性。并验证了该反射面修正方案的正确性，本文提出的天线设计方法是该论文的创新。第四章，对所设计的抛物曲面天线进行波束扫描，在实际的应用中，不单需要产生高功率的电磁波束，并且还要求电磁波束在尽可能大的范围内可以扫描控制。对天线进行波束扫描可能进一步的了解天线的辐射特性。本章分别研究了天线的机械扫描和电扫描特性，并综合实际情况给出了具体的应用环境。第五章，给出了抛物曲面实际测量的方案和结果。对天线的性能进行了实际测量是本文的特色，鉴于设计的实际应用的天线尺寸过大，超出了天线测试系统的承受范围，实际测量过程中将采用半数个喇叭直线阵列馈源的抛物曲面天线作为替代，本章先给出了其性能，然后给出了实际测量的方案和测试结果，并与同样口径的抛物柱面天线实测结果进行对比，验证了该方案的优越性。结论，总结了本文的工作。71第二章 基础知识2.1抛物曲面天线设计所用基本原理及计算方法2.1.1 惠更斯费聂耳原理波动中任何波前（等相位面）上的每一点都可以看作新的波源，由此产生次波。在任一时刻，这些次波源的包络就是新的波前面，这就是惠更斯原理。费聂耳进一步发展了这一理论，他假定从任一波前面上各点发出的子波同时传播到空间某一点P时，该点的波幅大小就等于各次级波源在该点作用的波幅的叠加。经这样发展了的惠更斯原理就叫做惠更斯费聂耳原理37。 对于图2-1所示口径面的辐射，根据这一原理，在口径面S右侧任一点P的辐射场EP，可以认为是把口径面S上每一点都当作一新的小幅射源，每个小辐射源都发出球面波，这些波在P点的场的叠加即为P点的辐射场。表达式为37： （2-1）式中，ES为口径面S面上的电场；为电磁波的波长；为观测点矢径与口面法线的夹角。根据上式可得图2-1 b）所示的天线方向图。图2-1 a）口径面的绕射 b）口径面的方向图由式（2-1）及惠更斯费聂耳原理可知，面状天线的问题，通常可先求出开口面S上场ES的分布（它是由初级辐射源产生的），这称为内场问题；再由口径面上的场分布ES（作为新的波源）求天线口径外的辐射场，这称为外场问题。在求解内场时，忽略了外场的影响，在计算外场时，认为天线导体的外表面上的场为0，而只考虑口径面上的场。所以这种方法必定是近似的，但与实际结果相比较，在方向图的主瓣范围内，其精度已满足工程上的要求。2.1.2 物理光学法物理光学方法38-40 ( PhysicalOp tics，简写为PO)以菲涅尔基尔霍夫原理为基础，它本质上是一种高频近似分析方法。用散射体表面的感应电流取代散射体本身作为散射源。在求其表面感应电流时，做了如下假设：(1)物体表面上只有那些被入射波的直接照射区才有感应电流存在；(2)物体的受照射面上感应电流的特性和在入射点与表面相切的无穷大平面上的电流特性相同。设自由空间有一导体，体积为V，表面积为S，激励场为，如图2-2所示。图2-2 物理光学法图2-2中散射体表面应满足如下的边界条件： （2-2）其中为散射体表面外法线方向上的单位矢量，为总电场，为激励电场，为散射体散射场。将散射体视为电大尺寸时，其表面的感应电流有如下近似： （2-3）其中为总磁场，为激励磁场，为散射磁场。得到散射体表面的感应电流后便可求得散射场。PO区产生的远区场如下： （2-4）本文根据惠更斯菲涅尔原理对抛物曲面空间功率合成天线的阵列馈源的位置和馈电方式进行了改进，得出了新型的抛物曲面空间功率合成天线。这种天线的反射面是用一条焦距较长的抛物线沿着垂直面上的另一条焦距较短的抛物线形成的一个双焦抛物反射面，馈源阵列是将多个喇叭天线排列在由上述长焦抛物线平移到上述短焦抛物线的焦点处形成的抛物线上所组成抛物曲线馈源阵列，每个喇叭天线的相位根据惠更斯菲聂耳原理进行设置，每个喇叭天线在最大辐射方向上达到最大的同相合成。馈源阵列进行空间功率合成，产生的辐射照射双焦抛物反射面，双焦抛物反射面反射电磁波形成需要的波束以提高天线增益。通过物理光学法计算得知新天线可以更有效地实现空间功率合成。2.2 反射面天线2.2.1反射面天线分类反射面天线有各种各样的形状，照射表面的馈源相应地也是各种各样，每种都用于特定的场合。图2-3所示为最常用的几种。图2-3a）中的抛物面天线将焦点处的馈源的辐射聚焦成一笔形波束，从而获得高的增益和小的波束宽度。图2-3 b）中的抛物柱面天线在一个平面实现平行校正，但在另一平面允许使用线性阵列，从而使该平面内的波束能够赋形或可灵活控制。使波束在一个平面内赋形的另一方法示于图2-3 c），图中的表面不再是抛物面。这是一种较简单的结构，但由于孔径上只有波的相位变化，对波束形状的控制不如既可调整线性阵列的振幅又可调整其相位的抛物柱面灵活。雷达设计师常常需要多个波束来实现空域覆盖或角度测量。图2-3 d）示出多个不同位置馈源产生的一组不同角度的二次波束。对增加馈源的两条限制是它们离开焦点愈远散焦愈厉害以及对孔径的遮挡增大。更常见的多波束设计是图2-3 e）所示的单脉冲天线，顾名思义，它是用单个脉冲来确定角度。在该例中，第二个波束通常是差波束，它的零点正好在第一个波束的峰值处。图2-3 反射面天线的常用类型（a）抛物面天线;（b）抛物柱面天线;（c）赋形天线;（d）堆积波束天线;（e）单脉冲天线;（f）卡塞格伦天线;（g）透镜天线。典型的多反射体系统是图2-3 f）中的卡塞格伦天线，它通过一次波束的赋形提供多一个自由度，并使馈源系统方便地置于主反射体的后面。所示的对称配置存在明显的遮挡，但使用偏置配置预期能够实现更好的性能。图2-3 g）中的透镜天线不象它们以往那样流行，主要是由于相控阵天线可提供透镜天线曾经提供过的众多功能。透镜主要是能避免遮挡，而遮挡在有大尺寸馈源系统的反射面天线中可能是不容许的。在现代天线设计中，这些基本类型的组合和变形被广泛应用，既是为了减少损耗和副瓣，又是为了提供特定的波束形状和位置。2.2.2抛物反射面天线抛物反射面天线的原理和设计见广泛的文献。它的基本几何关系见图2-4a）。假定导体抛物反射面的焦距为f，焦点F处有一馈源。由几何光学原理可以证明，从F入射到反射面的球面波经反射后变成沿+z方向传播的平面波，如图2-4 b）。图2-4 抛物反射体的几何表示（a）几何关系（b）工作特性分析中两种有用的坐标系如图2-4 a）所示。在直角坐标系（x，y，z）中，顶点在原点（0，0，0）的抛物面方程为： (2-5)在馈源为原点的球坐标系(r，y，x)中，抛物面方程为： (2-6)这种坐标系对设计馈源方向图是有用的，例如，馈源至反射体边缘的张角可用下式求出 (2-7)图2-5中将孔径角2y0绘制成f/D的函数。具有较长焦距的反射体较平坦，引起的极化畸变和偏轴波束畸变最小，它要求一次波束最窄，从而要求馈源最大。例如，f / D=1.0的反射体要求的喇叭口尺寸近似为f/D=0.25的反射面要求的4倍。大多数反射体的焦距f都选在它的直径D的0.25和0.5倍之间。抛物面天线至今仍然是许多雷达天线的基本形式，因为借助于最简单和最小的馈源，它们可提供最大的有效增益和最小的波束宽度。图2-5 抛物反射面边缘的张角抛物柱面天线常见的是，俯仰或方位波束中有一个需可控或赋形，而另一个则不要。由线源馈电的抛物柱面反射面能够以最适当的代价实现这一灵活性。可以设想线源馈电的多种形式，从平行平板透镜到缝隙波导，乃至采用标准设计的相控阵。图2-6 AN/TPS-63雷达的抛物柱面天线甚至在两个方向图均为固定形状的场合也用到抛物柱面天线，AN/TPS-63(图6.8)就是一例，其中俯仰波束形状在水平面方向必须为陡峭的裙形，以便能工作在低仰角而不受地面反射的影响。垂直阵列能够比等高度的赋形抛物面产生更陡峭的裙形，因为赋形抛物面用了高度的一部分于高仰角覆盖。这种阵列将高波束和低波束叠加在公用孔径上，从而使每一波束能利用全部高度。基本的抛物柱面如图2-7所示，图中反射面的轮廓线是 (2-8)馈源在焦线F-F上，反射面上的点相对于馈源中心的位置为x和r=fsec2(y /2)。除空间衰减外，抛物面的许多准则都能用于抛物柱面。由于馈源的能量发散到柱面而不是到球面上，功率密度随r下降而不是随r2下降。抛物柱面的高度或长度必须与线性馈源阵的有限波束宽度、形状和扫描角相适应。在与侧射面的夹角为q 处，一次波束在距顶点f*tanq 处与反射面相交。因为来自受控线源的一次波束的峰值落在一个圆锥上，使之与反射体顶部的左右拐角的相应交线更远即f*sec2(y/2)tanq处。基于这一原因，抛物柱面的拐角实际上很少是圆的。图2-7 抛物柱体（a）几何形状；（b）形状延展如果抛物柱面对称，则受到的遮挡很大，因此常常做成偏置的。然而，适当设计的多单元偏置线源馈电的柱面能够具有优良的性能。这种设计的变形使反射体的轴线呈水平方向，由线阵馈电，以便获得低副瓣的方位方向图，而在高度上被赋形以满足俯仰覆盖。这是一种经济的替代完全的二维阵列的设计。2.3 喇叭天线喇叭天线是由波导横截面逐渐扩展而形成的一种天线。一般是把它用作反射面天线的馈源和阵列天线的辐射源，也可以作单独的天线使用。常见的喇叭天线包括H面扇形喇叭，E面扇形喇叭，角锥喇叭，圆锥喇叭等 41。喇叭天线是一种口面天线，如果口径上的场分布知道，则其辐射场可以求出。设喇叭足够长，口面上波长即等于自由空间波长。可得E面扇形喇叭的口面场为 （2-9）E面扇形喇叭的场结构表示于图2-8。对于角锥喇叭口面场的分布，由于它E面和H面同时张开，故认为角锥喇叭在H面的场结构跟H面扇形喇叭的相类似，在E面的场结构跟E面扇形喇叭的相类似，但两面都张开时沿两方向都产生相移，相位略有不同。图2-8 E面扇形喇叭内场的分布2.4 阵列天线理论天线阵的辐射特性决定于阵列的单元数目、分布形式、单元间距、激励幅度和相位，控制这五个因素可以改变辐射场特征。同时也要考虑单元本身的特性对阵列总特性的影响。天线辐射特性在空间是变化的，这里就要引入一个关系图，它描述天线辐射特性随着空间方向坐标的变化关系。天线方向图用来描述电（磁）场强度在空间的分布情况，常用般功率波瓣宽度来表示方向图的宽度。如图 2-9所示。 天线阵的方向图相乘原理：一个天线阵的方向函数等于单个天线元的方向函数和阵方向函数的乘积。阵方向函数是阵中各天线元的位置、激励电流幅度和相位的函数。散列阵列天线的分析取决于四个元素：阵元数，阵元在空间的位置，阵元电流幅度分布，阵元电流相位分布。分析方法为，由上述4个因素求离散线阵的辐射特性，如：方向性、方向图、增益和阻抗等。如果方向图中出现了两个以上的最大值，则必然引起能量的分散，这为设计所不允许。并将主方向以外的其它最大值或波束称为栅瓣。选择合适的阵元间距d可以消除栅瓣。图2-9 阵列天线计算示意图2.5空间功率合成天线的组成和原理由天线与电波传播理论可知，对于天线增益为GT，输入功率为PT的单元发射天线，在自由空间电波传播条件下，距离天线r处的信号场场E0为 （2-10）式中为信号到达相位，如图2-5所示的N个单元天线阵，在距离该阵r的场强E为各个单元天线辐射信号场强的叠加，即 （2-11）假设各天线单元具有相同的天线增益Gr和相同的输入功率Pr，则第i个单元天线辐射信号在接收点的场强为（2-12）图2-10 空间功率合成天线系统原理框图式中分别为第1，第2，第N个单元天线相对于第1个单元天线辐射信号到达接收点的相位差。合成场强的幅值为（2-13）若接收机到天线阵的距离为r，信号波长为，接收天线增益为GR，在自由空间电波传播条件下，接收机的输入功率为 （2-14）其中，被称为空间功率合成效率。显然，当N个信号同相叠加，可获得最大的空间合成功率。由式（2-14）可见，接收功率与阵元数的平方成正比。随着阵元数目的增加，接收功率将迅速增大。2.6天线增益因子根据电磁场理论，口面天线的方向性系数为： （2-15）其中是口面利用系数，其值取决于口面场分布的均匀程度。对抛物柱面天线来说，因其口面辐射的能量只是截获馈源辐射能量的一部分，所以如果馈源的总辐射功率为Pr，抛物柱面截获的功率为Prs，则称为口面截获系数。此时忽略其他损耗，则天线的增益系数为 （2-16）式中称为增益因子。显然，和都与馈源的方向图及抛物柱面的形状有关。增益因子是口径天线性能的重要标志。2.7等效各向同性辐射功率在通信系统中常用的一个概念是等效（有效）各向同性辐射功率（EIRP）。一个输入功率为PT、增益为GT的天线，在最大辐射方向的辐射场强与辐射功率的一个各向同性天线的辐射场强是相同的，即输入为PT、增益为GT的天线的辐射等价于一个辐射功率为的一个各向同性天线的辐射，于是一个发射系统的各向同性辐射功率（EIRP）定义为天线在给定方向的增益乘以天线的输入功率。 （2-17） 由此可见，空间功率合成天线的增益是一个重要指标，天线的增益越高，等效各向同性辐射功率就越高。2.8本章小结本章主要介绍天线空间功率合成天线系统的相关基础知识。包括惠更斯费聂耳原理，物理光学法，反射面天线，E面扇形喇叭天线的内场分布，阵列天线理论，空间功率合成天线的工作原理，天线的增益因子和等效各向同性辐射功率的概念等。第三章 16路喇叭偏馈抛物曲面天线的结构和性能研究3.1 引言本章将对偏馈抛物曲面天线的结构和性能进行研究。在空间功率合成天线领域的研究中，提出了喇叭阵列偏馈抛物柱面的构思，该系统能够很好的达到功率合成的目的，且合成的波束具有增益高、波束窄等特点。为了进一步提高天线系统的增益，除了从喇叭馈源阵列的改进着手之外，可以考虑在仍采用扇形喇叭阵列做馈源的同时对抛物面进行赋形设计。即将一条抛物线沿着另一条曲线的轨迹走过所形成的赋形抛物面。同时原来的喇叭线阵对应的变成曲线阵。再通过移相器对喇叭馈源阵列进行波束赋形设计以得到期望指标。本章接下来的部分将从16路喇叭偏馈的抛物柱面的优化改进开始，提出抛物曲面的结构并研究其性能，接下来深入研究影响双焦抛物曲面天线性能的主要因素，继而得出相关结论。3.2 16路喇叭偏馈抛物柱面天线3.2.1 抛物柱面天线的结构和性能图3-1为偏馈抛物柱面空间功率合成天线的结构图，其水平面截面图和侧视图如图3-2所示，图中的标识1为馈源喇叭，标识3为抛物柱面反射板，喇叭尺寸如图3-3所示。由馈源1发射的电磁波经过抛物柱面3的反射后在自由空间中进行合成。天线工作工作的频率，为对应频率的波长。我们令抛物柱面的夹角，。天线采用阵列喇叭偏馈的形式，为了避免抛物柱面反射波对馈源的影响，同时反射的波束也不会影响馈源的正常工作，截去抛物柱面张角小于的部分。馈源喇叭的轴线指向设计为，即为抛物柱面的夹角平分线指向。喇叭馈源间距为0.197，喇叭阵列的总长度为15.3，考虑到增加阻挡防止能量向后泄漏，保证抛物柱面能有效地效截获馈源发射的电磁波束，降低后瓣电平等，抛物柱面的高度H比喇叭阵列的长度略长，同时兼顾尺寸不会过大，我们取H16.7，即喇叭阵列两边各留出0.7的距离，喇叭阵列的中心和抛物柱面的中心对齐。抛物柱面的喇叭馈源采用E面扇形喇叭在H面组阵的形式， E面扇形喇叭的尺寸设计是正好让E面方向图-11dB波束宽度为抛物柱面的张角，这样能够使抛物柱面的照射更加充分，有利于波束的合成。焦距F的值取为12.5。抛物柱面的横向投影尺寸T13.34。图3-1 偏馈抛物柱面天线结构示意图图 3-2 a）抛物柱面天线的水平截面示意图、b）抛物柱面侧视图图3-3 E面扇形喇叭的尺寸抛物柱面天线的水平面尖锐波束通过抛物面反射形式形成，垂直面尖锐波束通过喇叭组阵的方式形成。水平面和垂直面的波束宽度可独立调整，通过移相器对馈电相位的调整，合成波束可在垂直面进行电扫描。在FEKO中仿真图3-1所示的抛物柱面天线得到天线的E面和H面方向图分别如图3-4和图3-5所示。天线的增益为30.85dB。图3-4 抛物柱面E面方向图图3-5 抛物柱面H面方向图3.2.2 抛物柱面天线的优化方案偏馈形式的抛物柱面天线可以进一步的进行优化，主要考虑如何在此基础上再提高天线的增益，主要有如下几种方案。方案一：保持原有喇叭结构和组阵方式不变，单纯增加馈源喇叭的个数N，同时也增大抛物柱面的高度H。采用这种方案可以在一起程度上增大天线的增益，但是由于连接喇叭的移相器以及功分器的价格比较贵，一味的增加馈源喇叭的个数N的话意味着成本的增加，因此不采用这种优化方案。方案二：保持喇叭路数不变，增大馈源喇叭的口径面积，由于馈源喇叭E面的口径长度跟抛物柱面的张角是相关的，增大喇叭E面口径的同时就必须减少抛物柱面的张角，因此只能考虑增大喇叭H面的口径，即将原来的E面扇形喇叭的口径在H面拉伸变成角锥喇叭，同时适当增加反射面的高度。根据天线阵列理论，当阵元间距大于1个波长时，天线方向性图会出现栅瓣，使功率在不需要的方向辐射。虽然用这种方法成本基本不变，但如果只是盲目的增加喇叭馈源H面的口径的话，反而会在不期望的方向产生能量的泄露，不利于功率的合成，因此，这种优化方案也不能采纳。方案三：保持馈源单元结构以及馈源个数不变，只增加反射面的高度，如果只是在抛物柱面的基础上增加其高度，那么上下两部分必然会得不到充分的照射，对天线增益的提高没有多大帮助。因此需要对馈源的相位进行配置，使得馈源阵列合成的波束能充分照射到反射面高出来的两部分，但是经过柱面的反射以后，波束会在不期望的方向射出去。可以考虑将柱面弯曲成曲面，以达到聚拢波束的效果，无论是从成本还是原理去分析，此种优化方案都是可行的，这正是本课题的创新思路，接下来就要介绍由这一方案所提出双焦抛物曲面天线。3.3 16路喇叭偏馈抛物曲面天线3.3.1 抛物曲面天线的结构如图3-6所示，抛物曲面天线是由抛物线1和2其中的一条沿着另一条走过所形成的双焦曲面。抛物线2的焦距，张角，形成抛物曲面以后为了防止馈源对反射波束的影响再去掉张角小于5的部分，喇叭馈源尺寸与抛物柱面是一样的。如图3-3所示。同时为了保证每一个经过喇叭口径中心且平行于XY的平面上，喇叭口面中心总是位于水平抛物线的焦点处，原来的线阵也相应的弯曲成抛物线阵。同时每个喇叭的相位也进行相应的配置。最后得到的抛物曲面空间功率合成天线的结构图如图3-7所示，图中1为馈源喇叭单元，2为馈源喇叭阵列，3为抛物曲面反射面天线，其截面图如图3-8所示。其中H2=13.34。图3-6 形成抛物曲面的两条抛物线图 3-7 抛物曲面空间功率合