HFSS天线设计高级培训教程-十二章双反射面天线

<<天线原理与设计>>讲稿PAGE9第十二章双反射面天线12.1引言为了改善卫星跟踪与通信应用的大型地面微波反射面天线的性能，多采用双反射面天线系统。我们已经知道，反射面的方向图形状（波束指向、主瓣宽度、副瓣电平）决定于天线口径上的场（或电流）分布。而口径场分布又由馈源的方向图和反射面的形状确定。改变反射面的形状，即采用长焦距的反射面来得到较均匀的口径场分布。但是，焦距变长之后，天线纵向尺寸变大，这不仅使结构上不便，而且馈线变长会增加损耗，对远距离通讯来说增加噪声，降低效率。另外，要获得低副瓣(如-40dB)，口径场振幅分布还不能是均匀的，应满足一定分布规律。这由单反射面和一个馈源来调整是困难的。采用双反射面天线，可方便地控制口径场分布。既可以使反射面的焦距较短，又可保证得到所需的天线方向图，而且使设计增加了灵活性。双反射面天线系统的设计起源于卡塞格伦光学望远镜。这种光学望远镜以其发明人卡塞格伦Cassegrain命名。这一章主要介绍作为双反射面天线基础的并已普遍采用的标准卡塞格伦天线，介绍其工作原理，结构组成、几何参数、分析方法、增益和效率等。为了提高增益效率，将简单介绍赋形卡塞格伦天线和高效率馈源相结合的高效卡塞格伦天线。12.2卡赛格伦天线的工作原理12.2.1标准卡塞格伦天线的组成一副10m地面站卡塞格伦天线如图12-1所示。图12-210m地面站卡塞格伦天线标准卡塞格伦天线由主反射面、副反射面和馈源组成。为了获得聚焦特性，主反射面必须是旋转抛物面，副反射面是旋转双曲面，馈源可以是各种形式，但一般用喇叭作馈源，安装在主、副反射面之间，其相位中心应置于旋转双曲面的焦点上，双曲面的安装应使双曲面的虚焦点与抛物面的焦点重合，如图12-2所示。卡塞格伦天线整个就是一个轴对称结构。副反射面通常置于喇叭馈源的远区。如果喇叭辐射的球面波方向图是旋转对称的，侧卡式天线就具有轴对称性能。图12-2标准卡塞格伦天线图12-2标准卡塞格伦天线12.2.2卡塞格伦天线的工作原理卡式天线的工作原理与抛物面天线的相似，抛物面天线利用抛物面的反射特性，使得由其焦点处的馈源发出的球面波前，径抛物面反射后转变为在抛物面口径上的平面波前，从而使抛物面天线具有锐波束、高增益的性能。卡式天线在结构上多了一个双曲面。天线作反射时，由馈源喇叭发出的球面波首先由双曲面反射，然后再经主反射面(抛物面)反射出去。根据双曲面和抛物面的性质，由发出的任意一条射线到达某一口径面的波程相等，即则相位中心在处的馈源辐射的球面波前，必将在主反射面的口径上变为平面波前，呈现同相场，即面为等相位面，使卡式天线具有锐波束。高增益性能。天线作接收时的过程正好相反，外来平面波前经主、副反射面反射之后，各射线都将汇聚到馈源所在点，由喇叭接收。■卡氏天线的优缺点：优点：（1）馈线短（2）空间衰减SA小（3）减小漏溢（4）等效焦距长（3）设计灵活（7个参数）等缺点：（1）副反射面的遮挡大，但对要求G很高的天线来说，主反射面很大的话，这个遮挡相对就小。（2）造价高。12.2.3卡塞格伦天线的几何参数卡式天线的几何参数关系如图12-3所示图12-3卡塞格伦天线的几何参数示意图双曲面的四个参量：抛物面有三个参量：(1)双曲面直径(1)抛物面直径(2)双曲面焦距(2)抛物面焦距(3)双曲面半张角(3)半张角(4)双曲面顶点到抛物面焦点距离在这七个参量中，只有四个是独立的，其余三个可根据抛物面和双曲面的几何关系求出。例如，已知则其它参数有如下关系。→(12.1)→(12.2)→(12.3)式中离心率：(12.4)已知放大系数：→(12.5)■主、副反射面的方程在图12-3中在XYZ坐标系下，主反射面的曲面方程为(12.6)在xyz坐标系下，副反射面的曲面方程为(12.7)式中，(12.8)，为双叶双曲面两个顶点距离的一半，见图12-3，e为离心率。12.2.4卡塞格伦天线的分析方法卡式天线的分析方法包括(1)面电流法：需要计算主、副反射面上电流分布，然后计算远场。(2)口径场法:又分两种方法，即分析卡式天线的口径场法实质上是将卡氏天线等效为普通抛物面天线来分析，可以有两种等效方法。即虚馈源法和等效抛物面法。一、虚馈源法由放在实焦点的馈源(实际馈源)发出的电磁波，经双曲面反射后再到抛物面，犹如放在焦点的等效馈源(虚馈源)发出的电磁波一样。其等效原理是：用相心在抛物面焦点的等效馈源取代卡式天线的馈源和副反射面，从而把卡式天线简化为焦径比不变而馈源尺寸改变了的抛物面天线进行定量分析。此时的和不变，但采用虚馈源后有两点不同。(a)虚馈源发出的波较实际馈源的光程短；(b)馈源尺寸变小了。等效前：，为系数。采用虚馈源后：。因，则馈源口径尺寸等效前后为：这种方法只能估计天线性能，但要作出精确的定量分析较困难，因馈源尺寸发生了变化。二、等效抛物面法该方法是将卡塞格伦天线等效为一个具有同样馈源和主反射面口径尺寸，但焦距变为主反射面焦距的M倍的普通抛物面天线。M为式(12.5)表示的放大倍数。此时的等效抛物面天线焦径比公式变为(12.7)由于，则，而不变。则标准卡氏天线的电气性能就相当于一个口径不变，但焦距为的等效抛物面天线的电气性能。这时就可用前面的分析方法了。卡式天线等效为抛物面天线如图12-4所示。图12-4卡塞格伦天线的等效抛物面法等效原理是：用等效抛物面(虚抛物面)取代卡式天线的主、副反射面，从而把卡式天线的问题简化为馈源相同、抛物面口径直径相同但焦距增大了M倍的单反射面来进行定量分析。3.面电流法用面电流法分析卡氏天线具有较高的精确性。由于有主、副两个反射面，则面电流分布要计算两次。整个过程是：（1）由馈源辐射场求副反射面上的电流分布。（2）由副反射面上的电流分布产生的场求主反射面上的电流分布。（3）由主反射面上的电流分布求远场。12.3空间衰减因子和口径遮挡影响12.3.1空间衰减因子SA

普通抛物面天线的空间衰减因子为(12.8)由等效抛物面法同样可得卡式天线的空间衰减因子为(12.9)式中用了等效抛物面的焦径比公式(12.10)【例】设抛物面的焦径比为，当其用作普通抛物面天线和卡式天线M=5时，比较两者的空间衰减因子SA。解：(1)对普通抛物面天线，由，可得，(2)卡式天线，由，，可得，此例可见，卡式天线的空间衰减比普通抛物面天线的衰减要小得多，在设计时可忽略不计。12.3.2最小遮挡卡氏天线的口径遮挡与普通抛物面有所不同。它有两个遮挡因素，即副反射面对抛物面反射波的遮挡和馈源对副反射面的遮挡。遮挡使天线增益下降，副瓣电平升高。考虑副反射面和馈源的遮挡时，同前面普通抛物面天线的分析方法一样，天线的辐射可认为是没有遮挡时的辐射与被馈源所遮挡部分的辐射之差。设主副反射面都是圆口径，则遮挡部分阴影区的辐射电场最大值与没有遮挡时的辐射电场最大值之比仍可由式(11.74)表示，即式中，D为主反射面直径，d为副反射面。因此，卡式天线的遮挡分析计算仍可采用普通抛物面天线的方法。显然，限制遮挡面积就能减小遮挡损失。一般情况下，副反射面的遮挡大于馈源的遮挡。在对卡式天线进行最佳设计时，为了保证主反射面的有效照射(波束效率高)，必须对加大馈源的口径尺寸，副反射面尺寸则可减小；当副反射面尺寸减小到一定程度时可使馈源口径尺寸增大到某个程度，使得副反射面和馈源在主反射面上的遮挡相同，此时遮挡效应到达最小值。见P308图12-6。其图(a)是副反射面遮挡大于馈源遮挡的情况；图(b)是馈源遮挡大于副反射面的情况；图(c)是二者的遮挡相同情况。显然图(c)设计最合理，此时遮挡最小。这时的副反射面的直径称为最小遮挡直径。设馈源口径为，则有(12.11)(12.12)副反射面的最小遮挡直径也可由下式近似确定(12.13)式中，K为系数，一般可取为K=0.7；为工作波长。副反射面的尺寸一般由产生最小遮挡来确定。但是，副反射面的直径也不能太小，否则能量漏溢损失增大。一般取副反射面直径，则有，为抛物面口径直径。12.4卡塞格伦天线的增益和效率卡氏天线增益可表示为(12.14)式中，为主反射面直径，g为天线总效率。显然，在一定的情况下，提高g成为增大G的唯一途径。由于卡式天线结构相对复杂，影响天线效率降低的因素较多，但主要来自如下三个方面：馈源照射副反射面时的漏溢影响；主反射面口径上的场不够均匀，即口径效率低；是副反射面及其支撑杆的遮挡影响。对标准卡式天线，上述因素是彼此矛盾的。例如，减少副反射面的遮挡，就要使副反射面的漏溢损失增加；而降低副反射面漏溢损失将增加主反射面口径幅度分布的均匀性，即口径效率会降低。设计天线时应根据性能指标权衡考虑。通常，卡式天线的效率可归纳为六个方面的影响因素，即(12.15)式中，——副反射面截获效率——主反射面截获效率——主反射面的口径效率——遮挡效率（副反射面）——支撑杆遮挡效率——主反射面公差效率由于这些因素的影响，使得在相同主反射面尺寸下，卡氏天线的效率只比普通抛物面天线略高一点。例如，一个典型的D=12.2m的卡式天线在频率为7.3GHz时的增益为←m，mm2dB副反射面截获效率(-1.313dB)主反射面截获效率(-0.021dB)主反射面的口径效率(-0.786dB)遮挡效率(-0.225dB)主反射面公差效率(-0.212dB)总效率(-2.587dB)增益为

dB为了提高卡氏天线的效率，主要采取两种途径。（1）保持反射系统不变，使馈源方向图最佳化，即采用高效馈源，提高。高效馈源的方向图都能较均匀地照射主反射面，漏溢小。理想馈源方向图见图12-9。这类馈源的方向图旋转对称、低旁瓣。如有多模圆锥喇叭，波纹喇叭，介质加载喇叭等。（2）保持馈源方向图不变，使反射系统最佳化。即采用修正型的卡塞格伦天线。它是从给定的馈源方向图出发，按波动条件修正主、副反射面的形状，使主反射面口径上得到均匀照射来提高效率，使提高。实际中既采用高效馈源，又采用修正型的卡氏天线。12.5变形卡塞格伦天线由称作赋形卡塞格伦天线。标准卡式天线和普通抛物面天线一样存在对口径的均匀照射的口径效率和能量漏溢的截获效率之间的矛盾，限制了天线效率的提高。然而，卡式天线多了一个可以控制口径场幅度分布的副反射面，如果把副反射面的形状加以修改，使其顶点附近比双曲面更为突起，即减小副反射面中央部分的曲率半径，则馈到副反射面中央部分的能量就会向主反射面边缘扩