第6章 面状天线

1、第第6章章 面状天线面状天线吕剑刚信息与电气工程学院但在微波波段，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l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。l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。l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：主要内容：l6.1 等效原理和面元

2、的辐射场l6.2 口面场的一般表达式l6.3 口面场辐射特性的一般分析l6.4 喇叭天线l6.5 抛物面天线l6.6 卡塞格伦天线l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。l直接求解复杂，通常用近似求解方法。l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等效原理和面元的辐射场6.1.1 6.1.1 惠更斯原理惠更斯原理l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

3、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。l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。l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 6.1.2 等效原理等效原理6.1.3 6.1.3 面元的辐射场面元的辐射场面元上的电磁场面元上的电磁场等效面电流密度与等效面磁流密等效面电流密度与等效面磁流密度度面元方向图面元方向图P181，图，图5.7l面元是面状天线的基本辐射单元，在计算面状天线在空间

4、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 6.2 口面场的一般表达式口面场的一般表达式6.3 口面场辐射特性的一般分析口面场辐射特性的一般分析6.4 喇叭天线喇叭天线6.4.1 喇叭天线的结构及分类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喇叭天线辐射场的方向性与最佳喇叭6.4.1 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，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二是真正的喇叭天线部分。 波导部分相当于线

5、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波导管作馈线。矩形波导的横向解HHmanbeEjknbHmaxnby eEjkmaHmaxnby eEHkmaHmaxzzxczyczzxc02020200coscoscossinsincossincoscossinnby eHknbHmaxnby ezycz20kkkmanbcxy22222上面称为上面称为TEmn波波 m表示表示x方向变化的半周期数方向变化的半周期数 (即小即小大大小小) n表示表示y方向

6、变化的半周期数。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矩形喇叭天线的口面场结构场结构 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

7、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l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

8、向图2、矩形喇叭的方向系数与最佳喇叭6.5 抛物面天线抛物面天线6.6 卡塞格伦天线卡塞格伦天线 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，在口径面形成同相场，从而得到平行于轴向的电磁辐射波。 卡塞格伦天线由三部分组成：1、主反射面（旋转抛物面）2、副反射面（双曲面）3、馈电喇叭其他类型的天线其他类型的天线l微带天线l智能天线第第7章章 电波传播电波传播l电波传播的基本知识l空间波传播l地面波传播l天波传播l外层空间传播天线制造和测量天线制造和测量l天线制造l天线测量基础l阻抗、S11、VSWR和回损测量l辐射模式测量l增益测量天线制造天线制造l导电材料（导电率越高越好） 机械、环境、成本、重量 铜（黄铜、青铜）、铝l介质材料 天线测量天线测量l阻抗 输入阻抗、S11、VSWR（电压驻波比）、回损l辐射特性 复杂、耗时测量基础测量基础l散射参数网络分析仪网络分析仪l标量网络分析仪（SNA） 测量参数的幅度，如VSWR、回损，增益等l矢量网络分析仪（VNA） 测量参数幅度和相位VNAl透射测量 增益、插入损耗、插入相位、透射系数（S12，S21）、电长度、电延迟、