微波抛物面天线的辐射原理

1 天线与电波传播 解放军理工大学通信工程学院 2 第十讲抛物面天线 3 本次课主要内容 一 抛物面天线的几何结构及光学特性二 抛物面天线的口径场三 抛物面天线的辐射场四 抛物面天线的增益五 抛物面天线的馈源 4 两类常见的反射面天线 抛物锥面主反射面 双曲面副反射面 抛物面天线 卡塞格伦天线 馈源 馈源 抛物锥面主反射面 5 反射面天线的应用 单射抛物面天线 双反射面天线 6 反射面天线 反射面天线的结构有一个共同的特点 都是由馈源和反射面两部分组成 馈源产生方向性较差的初级辐射 并把能量投射到尺寸比它大得多的金属反射面上 经反射后形成方向性较好的次级辐射 1 旋转抛物面2 切割抛物面3 抛物柱面 7 焦距 f OF口径 D y的最大值的两倍深度 L z的最大值半张角 的最大值 z z 抛物面的几何关系 一 抛物面天线的几何结构及光学特性 一 抛物面的几何特性和光学特性抛物线上动点所满足的极坐标方程为 Q y z 所满足的直角坐标方程为 在直角坐标系中 旋转抛物面的方程为 9 在抛物面边缘处有 此时 称抛物面深度 将这些关系代入式 得 抛物面的几何参数主要有 焦距 抛物面的口径 抛物面的张角和抛物面的深度 这四个参数只有两个是独立的 其它两个可以推导得出 一 抛物面天线的几何结构及光学特性 10 抛物面有两个重要的几何特性 1 由焦点发出的射线经抛物面反射后到达焦平面的总长度相等 2 由焦点F发出的射线及其在抛物面上的反射线与反射点的法线之间的夹角相等 即 1 所有的反射线都与抛物面的对称轴平行 2 口径上的场处处同相 一 抛物面天线的几何结构及光学特性 一 抛物面天线的几何结构及光学特性 证明 12 抛物面天线分类 O z y F f Y0 O z y F f Y0 O z y F f Y0 长焦距 中焦距 短焦距 一 抛物面天线的几何结构及光学特性 13 一 抛物面天线的几何结构及光学特性 14 抛物面天线的分析方法 1 感应面电流法2 口径场法3 几何绕射理论GDT 条件 两种方法都只有在反射面的曲率半径和口径半径远大于波长时才近似成立 这两种方法都是建立在几何光学基础上的近似程度 计算结果在方向图的主瓣和近轴副瓣区域是比较精确的 但在远副瓣和后瓣区域内误差相当大 这些区域场的计算只有采用几何绕射理论近似 二 抛物面天线的口径场 15 应用口径场法和面电流分布法计算抛物面天线的辐射场时 还必须作如下假设 1 反射面位于馈源的远区2 反射面背向没有高频电流 3 反射面对馈源的影响可以忽略不计 4 忽略发射面边缘处电流的不连续性的影响 5 不考虑馈源的直接辐射以及其支撑物的影响 6 照射器的方向图也是旋转对称的 二 抛物面天线的口径场 二 抛物面天线的口径场 入射波采用球坐标系 反射波采用圆柱坐标系 设馈源的方向性函数为 影响方向性的四个因数是 形状 尺寸 口径场振幅分布 相位分布 抛物面天线的口径场振幅分布取决于抛物面天线的焦径比和馈源方向性 x Q 已知馈源辐射功率是 则它在抛物面上入射的电场是 二 抛物面天线的口径场 Q 入射的电场 反射的电场 X 18 影响口径场分布的因素 空间衰减因子As馈源方向图Ff Y j O z y F Q Q Y r 二 抛物面天线的口径场 19 1 空间衰减因子As 2 馈源方向图 用一个单一线极化的电流元作馈源时 电流元的轴与y轴平行 馈源的主极化方向就是y方向 投射到抛物面上任意一点Q的场 都比投射到抛物面顶点O的场幅值小 这是因为 二 抛物面天线的口径场 y 用一个单一线极化的电流元作馈源时 电流元的轴与y轴平行 馈源的主极化方向就是y方向 二 抛物面天线的口径场 E平面交叉极化分量零 H平面交叉极化分量零 长焦距抛物面口径场分布 E面 x H面 线极化的电流元作馈源时 若电流元的轴与y轴平行 二 抛物面天线的口径场 y x 主极化方向图 二 抛物面天线的口径场 长焦距抛物面口径场分布 y 沿y轴放一电流元沿x轴放一磁流元合成的反射面天线口径场 主交叉极化分量方向图 二 抛物面天线的口径场 电流元 磁流元 合成场 1 方向图的主瓣宽度与口径的电尺寸成反比 2 愈大 口径场分布愈均匀 主瓣宽度的愈小 旁瓣电平愈高 24 有害区的出现 y x y x 二 抛物面天线的口径场 25 不同 馈源方向图相同时口径场分布 相同 馈源方向图不同时口径场分布 1 馈源方向图相同 抛物面天线的几何结构参数不同 2 馈源方向图不同 但抛物面天线的几何结构参数相同 二 抛物面天线的口径场 26 抛物柱面天线 设线元的功率方向函数为 抛物柱面口径场为同相场 抛物面增益因子为 P 1 渐削分布的圆形口径 口径场振幅分布可近似为自口径中心向边缘渐削的分布 且口径场分布接近于轴向对称 只是q或r的函数而不是j的函数口径场的分布是 n 0 n 1 n 2 n 1 n 3 1 抛物面递减分布 三 抛物面天线的辐射场 1 求圆口径场的一种有效方法 渐削圆口径分布的特性 2 台阶渐削的圆形口径 前面的分析口径场在口径边缘是0如果口径边缘场不到0 而是在0 1之间的C 那么会是什么结果呢 n 0 n 1 n 2 C 0 2 三 抛物面天线的辐射场 台阶渐削的圆形口径性能对比 三 抛物面天线的辐射场 2 台阶渐削的圆形口径举例 n 1 5 n 2 C 0 215 三 抛物面天线的辐射场 32 四 抛物面天线的增益 讨论抛物面天线的增益 就是要研究如何以最小的口径尺寸去得到最大的增益问题 也就是要研究抛物面天线的效率问题 1 天线效率它包括馈源 反射面的导体损耗和介质损耗 2 口径渐削效率它是因为口径场振幅分布不均匀引起的 33 2 口径渐削效率的计算 四 抛物面天线的增益 34 四 抛物面天线的增益 大多数馈源的增益函数可表示为 1 当馈源方向图一定时 即n一定 随的增加 口径渐削效率下降 2 一定时 n增加 即馈源方向图愈窄 口径渐削效率亦下降 四 抛物面天线的增益 抛物面天线与的关系曲线 36 3 截获效率 故截获效率的一般计算公式为 四 抛物面天线的增益 37 8 6 4 2 抛物面天线与的关系曲线 当n 2 4 6 8时 由图可见 当馈源给定时 即n给定 口径张角愈大 则截获效率愈高 四 抛物面天线的增益 38 三个图的对比 n 2 n 4 n 6 n 8 口径渐消效率et 口径截获效率et 四 抛物面天线的增益 39 抛物面天线的曲线 在不考虑其它因素对抛物面天线增益的影响时 增益因子 结论 1 n一定 即馈源方向图确定时 可以找到一付增益因子为最大的抛物面天线 此时抛物面天线的半张角称为最优张角 2 不论n等于几 最大的增益因子均大约为0 83 3 馈源的方向图愈窄 n愈大 对应最大增益因子的最优张角应愈小 四 抛物面天线的增益 40 例 一10米抛物面天线工作于3GHz f D 0 5 馈源方向图是圆对称的 试求 口径效率 方向性系数 截获效率和递减效率 四 抛物面天线的增益 41 抛物面天线边缘的最佳照射电平 抛物面顶点 口径边缘 抛物面口径边缘与口径中心的电场之比为 四 抛物面天线的增益 42 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 四 抛物面天线的增益 1 实际馈源方向图并不完全圆对称2 实际馈源口径场有交叉极化3 馈源在后向有辐射 影响抛物面天线方向性的因素 1 馈源 馈线以及支撑杆对抛物面天线口径的遮挡效率 2 实际制造出的抛物面天线必然存在制造公差 随机效率3 馈源没有确定的相位中心 4 馈源未放置在焦点 出现横向或纵向偏焦效应 5 抛物面天线有交叉极化分量 极化效率 四 抛物面天线的增益 44 1 馈源 馈线以及支撑杆对抛物面天线口径的遮挡效率 2 实际制造出的抛物面天线必然存在制造公差 随机效率 四 抛物面天线的增益 馈源以及支撑杆的的遮挡 馈源以及支撑杆示意图 45 馈源相位偏差1 馈源喇叭口径上通常都有平方律相位偏差 2 馈源的E面和H面相位中心不重合 3 馈源在安装时没有将相位中心置于抛物面天线的焦点上 有一个横向的移位 4 馈源在安装时没有将相位中心置于抛物面天线的焦点上 有一个纵向的移位 四 抛物面天线的增益 馈源横向的移位 馈源纵向的移位 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 四 抛物面天线的增益 47 6 交叉极化效率 四 抛物面天线的增益 48 1 抛物面天线的馈源类型馈源 Feeds 是抛物面天线的基本组成部分 为了保证天线性能良好 对馈源有以下基本要求 馈源应有确定的相位中心 馈源方向图的形状应尽量符合最佳照射 馈源应有较小的体积 以减少其对抛物面的遮挡 馈源应具有一定的带宽 馈源的交叉极化分量必须很小 馈源应有足够的功率容量 五 抛物面天线的馈源 49 馈源的形式很多 所有弱方向性天线都可作抛物面天线的馈源 例如振子天线 喇叭天线 对数周期天线 螺旋天线等等 一 波导喇叭馈源 五 抛物面天线的馈源 50 二 天线 波纹喇叭天线 结构图 辐射图 口径辐射场 五 抛物面天线的馈源 三 振子型馈源 五 抛物面天线的馈源 52 四 天线 波纹喇叭天线 标量馈源图 五 抛物面天线的馈源 53 反射面天线馈源的种类繁多 究竟采用哪一种馈源取决于天线的工作频段和其它特殊要求 在UHF频段 大量使用偶极子作为馈源 在微波波段 多采用波导辐射器和小喇叭天线 也有采用半波偶极子 缝隙天线 螺旋天线等 五 抛物面天线的馈源 54 2 抛物面天线反射场对馈源的影响 五 抛物面天线的馈源 对馈源反射系数的影响 消除抛物面反射波的影响的方法 一 抵偿法二 极化扭转法三 偏置馈源法 55 五 抛物面天线的馈源 顶片再辐射的功率为 顶片在馈源处产生的场强 抵偿法 56 五 抛物面天线的馈源 二 极化扭转法 三 偏置馈源法 极化扭转法是一种阻止反射波经馈源进入馈线的方法 设法使电磁波经抛物面反射后极化方向旋转了90度 则反射波就不能进入馈源 提高增益的代价是增大了交叉极化电平 即使馈源辐射不含交叉极化成分 57 1 反射面天线的材料有金属 铝 铁和玻璃钢上涂一层很薄的金属层 2 有实体反射面 带有圆孔的反射面 网状反射面和栅条反射面 如果在实体发射面上打圆孔的直径应远远小于圆波导的模的截止直径 六 抛物面天线的结构 58 TGK 384型散射通信 1 8米抛物面天线 六 抛物面天线的结构 解放军理工大学通信工程学院 59 七 其它型式的反射面天线 波束波导示意图 七 其它型式的反射面天线 64米天线传动结构示意图 62 小结 一 抛物面天线的几何结构及光学特性二 抛物面天线的口径场三 抛物面天线的辐射场四 抛物面天线的增益五 抛物面天线的