抛物面天线基础理论

1、3抛物面天线基础理论3.1 抛物面天线的结构特点与工作原理3.1.1 结构特点和要求常用的抛物面天线从结构上看，主要由两部分构成：照射器：由一些弱方向性天线来担当，像短点对称振子天线、喇叭天线，其作用是把 高频电流转换为电磁波并投射到抛物面上。抛物面：它一般由导电性能较好的铝合金板构成，其厚度为1.53mm,或者用玻璃钢构成主抛物面，然后在其内表面粘贴一层金属网或金属栏。网孔的最大直径要求小于 :过大将造成对电磁波的漏射现象，影响天线的正常工作性能。其作用是构成天线108辐射场方向性的主要部分，由两部分构成的天线结构原理如图所示：田M.1抛物面天暗构和坐标3.1.2 抛物面的几何尺寸及特性一般

2、用于面天线反射面的抛物面，都具有以剖面图6-6-1中的z轴为中心呈旋转对称式结构。在剖面图中，把 。称为抛物面的顶点，F称为抛物面的焦点，0称为抛物面的张角，是从焦点F到口面边沿射线与 OF轴线的夹角；D=2R称为抛物面口面直径，R为口面半径; 为焦点F到反射面上任意点的距离。由抛物面的定义可知：2 f cos (1 cos )此关系式是以焦点 F为极坐标原点得出的抛物线方程，由此可进一步得到:2f1 cos由图6-6-1还可得到:sin2 f sin1 cos2ftgtgsin1 cos把口面直径y D R, 2Df2 ftg 一 ,或者22 Do代入6-6-3可得到:4 tg把叫捌物前天要

3、的雀直比 是抛物面的一个事要绘L §与g的关系由线 可用图6年-2表示, '_-q0.2J1q06.6-24与K关系曲出由图6K上可见，当二匕 网I, % =至时.工=0N5r此时焦点F落在口D2 D面中心点匕种抛物面天线称为等耕抛物面天线.当必三时，此时焦点F落在口面内部，称为短艇天黑当歹至时，此时£30 25,焦点F落在口面外部，称为长疑天线m2 D进一步分析可见，对£025的长焦距面天线辐射性能较好，实际中通常选用这种形式. D3.1.3抛物面天线的工作原理根据抛物面的集合特性，可以得到抛物面的两个重要性质：(1)由焦点F发出的射线，经旋转抛物面反射

4、后，反射线互相平行，且都平行于其轴 线OF,即MN /M ' N '/OF。反过来，平行于 OF轴线的射线，经旋转抛物面的反射作用, 其反射线均汇聚于其焦点处。(2)由焦点发出的射线，经由旋转抛物面反射到达口面时，其长度相等，即：FM MN FM ' M 'N'6-6-3这说明，由焦点F发出的射线，经旋转抛物面反射后，每条射线路程均相等。根据以上两条可以得到，当把照射器置于焦点位置，并使照射器的相位中心与抛物面焦点重合，照射器辐射出的球面波经旋转抛物面反射后，在口面上将转变成平面波，使抛物 面天线口面场形成均匀分布。由前面讨论结果得知，均匀口面场必将产生

5、强方向性辐射场,这就是利用旋转抛物面产生强方向性辐射场的原理所在。当然，如果把旋转抛物面天线用作接收，入射波又是平面波形式，经抛物面反射后，就会把平面波转换成球面波传送到位于焦点位置的照射器，形成聚集接收，增加照射器接收信号的强度。3.2抛物面天线的口径场和辐射场分布与方向性3.2.1 口径场分布抛物面天线口面场分布情况，直接决定着整个抛物面天线辐射场的方向性。而口面场分布情况又由照射器、反射面共同来决定。对于实际使用的长焦距抛物面天线， 不管采用振 子型照射器，还是喇叭天线照射器，造成抛物面天线口面场分布都具有图 6-6-3所示的分布 特征。图8后3触物面天线口面场分而由图6-6-3可见，在

6、实际抛物面天线口面上，其口面场分布不是严格的单一方向线极化波，而是含有Esy和Esx两个场分量，只是 Esy分量远大于Esx分量。为此我们把 Esy称为主极化分量，Esx称为交叉极化分量。如照射器辐射功率为 P ,方向性系数为 D, 口面场主极化分量与二者的关系为:260P Dcos 一Esy J60 P D 1 cos2f f2cos 一2由图6-6-4可见，随着，Esy ,也就是由口面中心 O'向外，距O'越远，Esy数值越小。换言之，口面场的主极化分量数值随着离口面中心O'距离增大，数值变小。这说明实际使用的抛物面天线口面场并非真正的均匀分布结构。在已知抛物面的主

7、极化分量Esy后，把它代入面天线辐射场表示式中，并对具体的抛物面口面进行积分运算，就可的到抛物面天线的辐射场和方向函数。3.2.2 抛物面天线辐射场的方向性(1)半功率波曲宽度一般糊，照射器方向图主瓣越贰抛物面天线口面面积越小，其口面场分布越 网匀，由此决定的抛物面天然箱射场方向性越好。对长焦直比的抛物面天然其辐射场 最大辐射方向上半功率波瓣宽度可按下式来计票250； =k-= k-(6-6-6)g 2R Dk为参凯期值范固在(65°80°); D为抛物面口面直径；R为抛物面口面半色当抛物面匚面边沿处的场胜比中心。处的场膑低11品或工5倍时，祢为最佳照就此时70,这一特点与

8、抛物面天线使用的照射器类型无关，属于抛物面天线的一个特 点(2)方向系数D根据面天线方向系数定义，抛物面天线的方向系数为:4M(6-6-7)DAv一其甲A二版为口面面积；v= -,霖g2上为抛物面天线的口面利用系1M2-或II孤男 20数。一般来讲，当照射器一定时，抛物面口面积越大，口面场分布越不搁匀，其口面利 用系数"值越小，抛物面天线辐射场的方向性就越差。从这个意义来讲，要或变抛物面天线辐射场的方向性，不能单一通过更换照宛器类型 或者加颁物面的几何尺寸来实现，而应对二者进行a己合调整，才能达到目的。3.3抛物面天线的技术要求3.3.1 对照射器的要求K对照射器的要求斯照射器的要求

9、有5慈（1）照射器应严格受装醐物面天绘的焦点位置，气祥才能保联辐射出的球面疲 具有确定的相位中心。 嬲翻曲的方向图应解建对雕，且只能有一个主颇，副源电艘 尽可能做具体要求是：口面中心处场地比边沿处场强大11岷；主瓣电平比鼠瓣电斗大10倍（对场强就是20四），主辨上的半功率波瓣宽度,和口面张角应满足2断=2%.（3）照射器绪构时抛物面天线的遮嫩尽可能怛一般采用高奴照射器即可做机”）在通版带内1照射器与馈统间要有良好的阻抗匹配，（5）照射器应具有足筋高的功率容量，以提高整个施物面天线的辎射为瑞依据上面5条，工程中常采用下面几即照射器|依据上面5条，工程中常采用下面几种照射器：采用波导馈电的振子型照

10、射器采用波导馈电的振子型照射器的结构原理如图6-6-4所示。区那:用户吊端聿的布子田打器图仪65爽张保多根喇叫照射器图6一洲给出T采麒导馈电的电用称强子照射器，常帏于1米能物 电和械子垂直安装在金属藏上，甜胖行于彼毓达的金属渤孀趴破 导内（与玛波的电场方耐睡前 让能导崎的电感濡肺丸为 了保证据子产生单幅机电时称旗子"1 "的长度略短于葬子、”的长隹， 且使扳子' '；丁桃度觑2人巳两斜间酬为（±4）,楠24 3中心落在麻千加并靠正好T的位置萍可通过前施动金融板 糊颤祁凝励触，同弛可改变好与波导目的但抗关系。逸台属 翻微版导随阑 好的激励越限易嬲越尢

11、为了减弱波导口对振子型照射器方向图的遮挡影响，把波导窄边逐渐变窄形成一过渡段，就可以达到这一目的。 同时也为了改善振子型照射器方向图的对称性，常在金属薄板的宽边上平行安置“两对”电对称振子构成四振子照射器，如图6-6-4所示，这样就可利用双振子照射器(四振子天线阵) H面方向图比E面方向图主波瓣宽的特性，保证照射器能量均 匀射向抛物面方向。歌雅触的脚雕飘微帚用嵌导慎麟角梅退翻机1捌都畸弥E理娜航越呻.蝴兹的E 舞主期于映嬲施藏躲睇则嬲雕网诋酬瞬期于概鸭嬲I传雅提是珞，螭，螂觑斫引3.3.2 照射器对反射面的影响(1)照射器对反射面产生的遮挡影响选用照射器时，如果尺寸过大，将会产生对反射面二次辐

12、射场的遮挡，降低口面场分 布的均匀程度，辐射场主瓣变宽，副瓣电平升高，方向系数D下降。解决措施是：A 、采用高效照射器；B 、采用后馈式馈电方式；C 、采用斜馈式馈电方式，其原理如图6-6-6所示。图&6石制馈式馈电方式图56， 纵向偏焦示意圉(2)照射器安装公差对辐射场的影响纵向偏焦纵向偏焦指的是照射器虽安装在中心线上，但其相位中心不在抛物面的焦点位置，而 是靠近或远离了焦点位置，如图 6-6-7所示。纵向偏g宣成的后果主要是:口面场产生平方律相位分布.使辐嬲方向图三瓣加愚边髀电平升£ 增至下限偏焦学匕方同性越差，但最大瑁射方向任沿口画法鲂向。冲于志宜比看一定的抛物面天缘在

13、保证将婀方向性破坏不十分严重的条件下（即产生纵向偏焦, 但由此引起的口而场户国最大雌偏差又小于最大允肺纵向偏焦值血AT =二16(1-051)炉咫火为口面为沿冲点点F的张战由或（64可见抛物面天线的辐比越汽珈？，筑；即允存的 氯丽层值邮对猷，端是新采眯黯比抛物面浮睡理所根对于嬲面天线，产域同雕时，由于口面上出瓣方律相位偏电这样当由纵向偏焦引起口面场 工的最对目位偏差不大于2时.最大璐射方向仃沿主勒魏妇孤向偏焦太大，便匚酶£最大相位偏差大于£时，辎版主瓣会出现凹除方向性严重被破坏，通信效果无法保正 3横向偏焦横向偏焦指的是照射器相位中心在过焦点F,且在垂直于OF轴的平面 上偏

14、离F点的位置，偏离距离设为与，如图6一百3所示。横向偏焦对辐射场造成的主要氯响是：对口面场选产生直线律和立方律 相位分布，即；(6-6-9)* l 2tt . y2/r , 1 .y .34/a 3E V这样能成幅射脑向图主脑群噬且向工相端后一方偏转,向瑜射场方向图主触不联于主轴野麻一般值向偏辆瘦福射场的敏 响大于觊向扁焦。和焦直比一定的天线在瑁射场方向修本保证的条件三允许的最大横向 偏焦丸筑610) 8sin(由鄢610间见对长篇曲曲质天绦口面长角%数值较丸允许的懈偏凝离较尢3.3.3 反射面对照射器的影响反射面对照射器的影响，主要是经反射面的作用，把一部分电磁波投射到照射器上，也相当于被照

15、射器再次吸收。照射器通过波导管与发射机相连， 它吸收的这部分能量将通过波导管反传给发射机，其结果相当于照射器改变了馈电波导管的输入阻抗，造成照射器与馈线之间的阻抗失配，在馈线中产生大量驻波成份。 驻波的出现相当于波导管的传输效率下降， 直接影响面天线辐射功率的有效输出。解决这一问题的技术措施主要有：C13补偿法补偿法就是在抛物面顶点附近安装一块圆形金属板，如图6-6-9 4L9科信徐厚守酊补偿法的原理是；反射面和金属圆板均为良导体，二者各自产生的反 射波到达照射器位置时，其相位正好相反，叠加结果为0,从而达到了限 制反射波进入照射器的目的。为达至脑一目的，要求金属圆板的半径：要求金属圆板的厚度

16、;Cn=O, 1, 244”(6-6-123补偿法的特点是:工作频带是中等的，对直径为 1.5米、焦距为0.573米的抛物面天线，驻波比小于1.4时，其工作频带为(29003400) MHz)金属圆盘产生的反射场和抛物面其余部分产生的反射场存在相位差，造成整个抛物 面天线辐射场主瓣电平稍有下降，增益稍有减小。相当于口面场振幅作非均匀分布的结果(2)中心挖孔或敷设吸收材料中心刘国敷设吸收楸罹硼物面中心整一八空洞或深抹一层吸收电窿技的材 札目的是中心酚不产生反柒(彼如面天稣中心部位的反耕阴大于边潞隋),达到 照躺搠嫩贩腋的目乩据IJ激掷及收楙物面积可接近6.6.场计算S = 4(6-6/3)4犯稣

17、为蜩器最端脑向地方向系堀(3)旋转极化面法旋转极化面法是在抛物面内表面上安装许多与主极化场用方向成45°角的平行金属片，金属片厚度d = -f相邻两条金属片间距&=w24108安装原理如图6-6-1Q所示口圉6 6-10 .旋转极旬面法原理田图6-6-11旋转极化向量图采用懈榭的瓶制反射被到达照射弱珈购 入射到金属条上的电用r可分解为两部分,其一题行于金属条的电场分量I.；ritfl ri其二建直Ti属条的电9t%。对入射波却耒濡由二利金属条平行，将在械导内恻面形成较大的信导电乐以 热能脑颜嵇,器定不能进入金属条构成视得内，另一小部分正靠近照射器一侧的金属条表面直接反射回照购

18、率但根据R导体表面 入射彼城赚的和氏在金属条责而反撅与人用波用位相差加对人射波却用成 的敷嘲肺,可忽略不讥 助向如图6-5-11所示。对瓦拉来讲，由于垂直金属条表面，金属条对其产生的热损耗较小，它可以波劫形 贰直接进入相邻金属条间隙组成的披导内部，并沿“波导”传到抛物面天线的内表面， 直到被抛物面内表面进行反射*在抛物面内表面入射波与反射波相位也相差”，设经抛 物面内表面反射后传到靠近照射器一侧金属片表面处的反射波电场为豆 它比瓦多 走3十3 = g路程，这样，在靠近照射器一侧金属片表面，瓦,和嘉廿由路程差造成的 相位差以及因抛物面内表面反射造成的总相位差为2 jiA# = - 一+ 歼=2*(6-6-14)N 2这样后位经抛物面内表面反射后再次到达金属条表面的叫其相位和入射波的艮城构成同相位关系，相当于后工与入射波的瓦.肚方向相同，如图8-6-11所示的向量关系。由图5611可见，经复合反射面反射后电波到达照射器时，反射波电场取的极讹方 向比入射波电场舄的极化方向恸了90、对具有确定极化方向的照射器就无法