天线原理与设计课件6.3各论

1、6.3 卡塞格伦天线 卡塞格伦天线是由卡塞格伦光学望远镜发展起来的一种微波天线，它在单脉冲雷达、卫星通信以及射电天文等领域中得到了广泛的应用。 如图1所示，标准的卡塞格伦天线由馈源、主反射面以及副反射面组成。主反射面为旋转抛物面M，副反射面为双曲面N。主、副反射面的对称轴重合，双曲面的实焦点位于抛物面的顶点附近，馈源置于该位置上，其虚焦点和抛物面的焦点重合。图1 卡塞格伦天线的结构 根据双曲线的几何性质，置于其实焦点FP上的馈源向双曲面辐射球面波，经双曲面反射后，所有的反射线的反向延长线汇聚于虚焦点F，并且反射波的等相位面为以F点为中心的球面。由于此点重合于抛物面的焦点，因此对于抛物面而言,相

2、当于在其焦点处放置了一个等效球面波源，抛物面的口径仍然为一等相位面。但是相对于单反射面的抛物面天线而言，由馈源到口径的路程变长，因此卡塞格伦天线等效于焦距变长的抛物面天线。 与抛物面天线相比，卡塞格伦天线具有以下的优点： （1）以较短的纵向尺寸实现了长焦距抛物面天线的口径场分布，因而具有高增益，锐波束； （2）由于馈源后馈，缩短了馈线长度，减少了由传输线带来的噪声； （3）设计时自由度多，可以灵活地选取主射面、反射面形状，对波束赋形。 卡塞格伦天线存在着如下缺点：卡塞格伦天线的副反射面的边缘绕射效应较大，容易引起主面口径场分布的畸变，副面的遮挡也会使方向图变形。 标准的卡塞格伦天线和普通单反射

3、面天线都存在着要求对口面照射尽可能均匀和要求从反射面边缘溢出的能量尽可能少的矛盾，从而限制了反射面天线增益因子的提高。不过，可以通过修正卡塞格伦天线副反射面的形状，使其顶点附近的形状较标准的双曲面更凸起一些，则馈源辐射到修正后的副反射面中央附近的能量就会被向外扩散到主反射面的非中央部分，从而使得口径场振幅分布趋于均匀。如此，就能以很低的副面边缘电平来保证较大的截获效率，同时又可实现口径场较为均匀的振幅分布。 在此基础上，再进一步修正主面形状以确保口径场为同相场，最终可以提高增益系数。这种修改主、副面形状后的天线，称为改进型卡塞格伦天线，它是可以提高天线增益因子的研究成果之一。改进型卡塞格伦天线

4、与高效率馈源相结合，将可使天线增益因子达到0.70.85，因而其在实践中已得到较多的应用。 表1中列举了在无线电技术设备中三种实际使用的天线的电参数，以供参考。 表1 三种实际天线的电参数 6.4 喇叭抛物面天线 无论抛物面天线还是卡塞格伦天线,都会有一部分由反射面返回的能量被馈源重新吸收，这种现象被称为阴影效应。阴影效应不仅破坏了天线的方向图形状，降低了增益系数，加大了副瓣电平，而且破坏了馈源与传输线的匹配。尽管可以采用一些措施来加以改善，但是会由此缩小天线的工作带宽，很难做到宽频带尤其是多频段。 假如我们能把馈源移出二次场的区域，则上面所提到的阴影效应也就可以避免了。喇叭抛物面天线正是基于

5、这种考虑提出的。 喇叭抛物面天线是由角锥喇叭馈源及抛物面的一部分构成的。馈源喇叭置于抛物面的焦点，并将喇叭的三个面延伸与抛物面相接，在抛物面正前方留一个口，让经由抛物面反射的电波发射出来。其天线的结构如图3所示。图3 喇叭抛物面天线结构 喇叭抛物面天线是由角锥喇叭馈源及抛物面的一部分构成的。馈源喇叭置于抛物面的焦点，并将喇叭的三个面延伸与抛物面相接，在抛物面正前方留一个口，让经由抛物面反射的电波发射出来。其天线的结构如图3所示。喇叭抛物面天线的工作原理与一般抛物面天线的工作原理相同，即将角锥喇叭辐射的球面波经抛物面反射后变为平面波辐射出去。从图3可以看出，喇叭抛物面天线的波导轴x与抛物面的焦轴

6、z垂直，经抛物面的反射波不再回到喇叭馈源，从而克服了抛物面天线的前述缺点 喇叭抛物面天线的喇叭张角20做得较小，一般取为3040；喇叭顶点到抛物面之长度h做得比较长，常取为(50100)；在喇叭与馈电波导之间接有一段长为(1015)的过渡段，以改善匹配性能。喇叭抛物面天线具有不少优越性能：（1）由于喇叭很长，张角又不大，因此它的口径场分布比较均匀，面积利用系数得到提高（65%）。（2）由于喇叭很长，还有过渡段，故特性阻抗变化缓慢，且消除了反射波对馈源的影响，因此可以在极宽的频带内获得较好的匹配（驻波比s1.2），如，这种天线可以同时工作于4、6和11GHz等几个频段。（3）由于这种天线三面皆由

7、金属屏蔽，消除了因馈源量散开所产生的副瓣，反向辐射亦甚小。两副并排放置的喇叭抛物面天线之间隔离度可达90dB（每副45dB），而两副靠背喇叭抛物面天线之间的隔离度可达130dB（每副65dB）。 喇叭抛物面天线在实际电路上使用时，为了防止雨水、潮气、尘埃等进入馈电喇叭内，破坏天线的电气性能，天线开口处用介质密封，内部充有加压的干燥空气或惰性气体。这种天线虽然具有尺寸大、重量重、造价高等缺点，但由于其电气性能良好，且可同时供几个频段的微波线路使用，因此，在多波道大容量微波干线通信中应用较广。图4 频段复用天线结构图 喇叭抛物面天线虽然具有频段复用能力，效率较高等优点，但体积庞大笨重，加工密封不便

8、，成本也很高。为了达到既能频段复用，又有良好的结构特点的目的，研制出了改进型的频段复用天线，其中最具有代表性的如图4所示。它是一种偏置激励的双反射面天线，由一个小喇叭抛物面馈电及偏置的主、副反射面组成。这样，既保证了天线有较高的效率，又避免了直接反射，以达到多频段的良好匹配；天线顶部加罩吸收，避免了有害辐射；结构紧凑，加工方便，而复用能力又比较强。 这种天线在结构上与喇叭抛物面天线相比有效高度可以缩短一半，给装置排列带来方便；在充气密封方面它只需要对小口径馈电器进行密封，使工艺大为简便。若采用多模及混合模喇叭，还可望在交叉极化去耦及口径效率等方面有进一步的改进。 在结束这一章讨论之前还应指出，旋转抛物面天线和卡塞格伦天线产生的都是针状波束，方向性强。但是，