反射面天线解读

1、反射面天线 ? 反射面天线结构简单，易于设计且性能优 越，在分米波段和毫米波段获得了广泛应 用，包括卫星通信、远程通信、跟踪雷达、 气象雷达和射电天文望远镜等。 ? 反射面天线通常由馈源和反射面组成。馈 源可以是振子、喇叭、缝隙等弱方向性天 线，反射面可以是旋转抛物面、切割抛物 面、柱形抛物面、球面、平面等。 1.单反射面天线单反射面天线 旋转抛物面天线 ? 最简单的反射面天线由两个部分组成：一 个大的反射面和一个非常小的馈源。最常 见的形式是抛物面天线，其反射面是一个 旋转抛物面。 旋转抛物面的几何关系旋转抛物面的几何关系 旋转抛物面是由抛物线绕轴旋转一周形 成的。抛物线在如图所示的直角坐标

2、系 中的方程为： 式中，f为抛物线焦距，z=f的点称为焦 点。 设抛物线上任意一点P(x,z)与F距离为 ， FP与FO夹角为 ， 则代入式(1.1)得到抛物线的极坐标方程 ) 11 (4 2 ?fzx ? ? cos,sin?fzx )21 () 2 (sec cos1 2 2 ? ? ? ? ? ?f f 抛物线的两个重要性质抛物线的两个重要性质 (1)由P点作PA平行于z轴，则PF和PA与P点抛物线的法 线夹角相等。 证明 P点抛物线的切向和法向单位矢量为 式中 ，由式(1-1)得到。设PF与 的夹角为 ， PA与 的夹角为 ，则 因此 。 2 2 22 ) 2 (1 ?) 2 ( ?

3、? ? ? ) 2 (1 ?) 2 ( ? )()( ? ? x f x f x f x f dzdx dzdx ? ? ? ? ? ? ? ? ? xz ytn zx zx t x f dz dx2 ? n ? n ? ? ? 2 2 22 ) 2 (1 2 ?cos ) 2 (1 2 ? )( ?) ( ? ?cos x f x f x f x f xzf xzf ? ? ? ? ? ? ? zn n xz np ? ? ? 抛物线的两个重要性质抛物线的两个重要性质 (2) 常数 证明 由(1-2)得 将抛物线截取 的部分并绕z轴旋转就得到旋转抛物面。 下图根据不同分析方法的需要，建立了五

4、套坐标系：原点为O 的直角坐标系 与圆柱坐标系 ，原点为F的球坐 标系 、 以及原点为F的直角坐标系 。 ? PAFP dd fdd PAFP 2)cos1 (? ax ? | ),(zyx),(zr? ),(?),(?R),(zyx? 根据抛物线的上述性质可得抛物面的下述两个重要性质： （1）从焦点出发的任一根射线经过抛物面反射，得到的反射线 都与抛物面的轴线平行，反之亦然。 （2）从焦点发出的射线经过抛物面任一点反射后到达的口径面 的距离相等，即口径面为一等相面。因此置于焦点的馈源所辐 射的球面波经过抛物面反射后变成沿抛物面轴线+z方向传播的 平面波。 这两条重要性质可以用来形成具有尖锐波

5、瓣的天线即抛物面天 线。如果在焦点F放置一个波瓣较宽的馈源，并且焦点与抛物面 的距离远大于波长，则照射在抛物面上的是馈源的远区场，其 波阵面近似为球面，如果抛物面半径也远大于波长，则在局部 区域内此球面波可看成是局部平面波，从而可根据均匀平面波 在无穷大导电平面上的反射特性决定抛物面上的电流及反射波。 根据抛物面的性质可知，反射波的传播方向是+z方向，并在抛 物面口径上形成等相场分布。把口径上的场分布看成是等效场 源，如果口径半径远大于波长，则可得到主瓣最强方向在+z方 向的尖锐波瓣，如果几何光学是一个严格解，则辐射波束的宽 度为零。 设抛物面截获的功率为 则由漏溢所引起的效率为 则抛物面天线

6、增益为 即 这里已设 ，即将抛物面天线方向系数视为其增益 （忽略天线本身的损耗，取辐射效率 ）。 为口径效率， 称为天线效率。 1 4 606060 0 2 222222 ? sas r a a M r M in M eeADe P P P rE P rE P rE G ? ? a P 1? ? ? sa a r a s PP P P P e saAA eeeeAG?, 4 0 2 ? ? inr PP ? 1? r e a e A e 抛物面天线的增益计算抛物面天线的增益计算 2.卡塞格伦天线卡塞格伦天线 卡塞格伦天线作为双反射面天线的一种，其工作原 理和抛物面天线具有相似之处。抛物面天线利

7、用了 抛物面的反射特性，馈源位于抛物面的焦点上，直 接照射到抛物面口径上，结构和工作原理简单，但 却不能很好地通过调整馈源特性来控制天线口径面 上的波束和功率分布。卡塞格伦天线由于引入了双 曲副面，并将前馈式馈源结构变为后馈式的馈源结 构天线，使得馈源辐射出的电磁波经副面与主面两 次反射，到达主面口径面上。所以卡式天线能够很 好地控制天线口径面上的场分布 卡式天线最大的优点是馈源天线距离主反射面顶点较 近，在实际测量中使得进入馈源区调整馈源更为方便， 有利于在馈源后面紧接高频和差器以用作单脉冲天线， 也有利于在馈源后面安装冷参接收装置以用作低噪声 天线。并且减少了支撑馈源的硬件问题，减小了损耗

8、。 卡式天线的几何参数卡式天线的几何参数 卡式天线有七个几何参数： :抛物面的口径直径，也是卡式天线的口径直径； :抛物面的焦距，也是卡式天线的焦距； :抛物面的半张角，即馈源对主面的半照射角； :双曲面的直径，即卡式天线副面直径； :实、虚焦点之间的距离，即双曲面的焦距。 :馈源对副面的半照射角； 为双叶双曲面两顶点距离的一 半，e为双曲面的离心率； m s s m m m F D F D 2 1 ? ? a 主面三个参数之间的关系为： 双曲面参数有直径 ，焦距 , ， 和 等。 因为 得 并有 又有2 等于边缘点H到两焦点距离之差，即 将上面两式相除，得 即 (2-1) (2-2) (2-

9、3) a m mm F D 42 tan 1 ? ? s DcFs2?e m1 ? m2 ? )cot(cot 2 21mm s s D F? s s mm D F2 cotcot 21 ? mm mms m s m s DDD HOHOa 12 21 12 12 sinsin sinsin 2sin 2/ sin 2/ 2 ? ? ? ? ? mm mms D c 21 21 sinsin )sin( 2 2 ? ? ? mm mm a c e 21 21 sinsin )sin( 2 2 ? ? ? ? ? ) 2 sin( ) 2 sin( 21 21 mm mm e ? ? ? ? ?

10、 根据卡式天线的七个几何参数 ，任意取4个，其 余3个可根据式(2-1)、式(2-2)及式(2-3)唯一确定。 aDFFD mssmmm , 21 ? 卡式天线增益由面天线理论可以表示为： 其对应的分贝数为 式中 是口径直径波长比； 是天线的效率，和工作波长有关，一般取 0.50.6。 半功率波束宽度为 根据上面的增益公式可以知道，在 一定时，提高效率 成为增大G的唯 一途径。在实际设计中，天线增益的计算往往可以归结为天线效率的计算。 使天线效率降低的因素很多，但主要来自以下三个方面：一是馈源辐射的 功率有一部分从主面和副面的边缘漏过，没有照射到主面；二是口径上场 的分布不够均匀，使口径面积不

11、能获得充分利用；三是副面和支杆的遮挡 作用。 对于标准的卡式天线，以上因素中有的是彼此矛盾的，比如说减小副面遮 挡就要增加副面漏泄功率和绕射损失；又如降低副面泄露就要增加口径振 幅分布的不均匀性。在设计天线时应根据性能指标，比如天线增益或者回 波损耗，加以权衡和侧重。 2 m D G ? ? ? ? ? ? ? ()9.9420lg10lg m D G dB? ? ? / m D? 3 (65 80)( ) dB m D ? ? / m D? ? 口径遮挡效应与设计原则口径遮挡效应与设计原则 卡式天线的设计关键问题是选择副面大小 和馈源位置。为使口径遮挡小，希望选择 小的副面，但 也随之减小。

12、为保持副面 边缘照射电平不变，则要求馈源尺寸加大， 这将导致馈源遮挡超过副面遮挡。这样， 最小遮挡发生于副面遮挡与馈源遮挡相等 时，即 因 并取 为馈源的10dB宽度： 为10dB波束宽度系数，对一般馈源喇叭，可取 。于是 代入(2-4)得到 故有 称为副面最小遮挡直径。 m1 ? )42( 1 ? m s s F F D d ?2 0 2 ms FF? m2 2? 1 1 . 01 . 02 22 d K fm ? ? 2 1 . 0 ?K ? ? m sms mm s FK dD dK FD F F 1 . 0 1 11 . 02 / / 2 2 ? ? m s s FK dD D d 1

13、 . 0 11 ? ) 52( 1 . 0 ? ms FKD 副面最小遮挡口径 口径遮挡效应与设计原则口径遮挡效应与设计原则 此时遮挡面积比为 这表明， 愈大，遮挡比愈小。因此， 卡式天线一般适用于 的场合。 当 时，一般按照式(2-5)选取 ； 若 ，可取 ，以使馈源 小些。只要 ，副面遮挡损失将小于0.1dB，但它随 的增大迅速增大。 当 ， 以及 选定后，需要选择 以确定馈源位置和大小。这需要作两方面权衡： 若 取小，馈源尺寸小些，但馈源支杆或圆锥筒长；若 取大，则馈源尺寸大，轴向 长度长，造价高。当上述4参数确定后，卡式系统其他几何参数便都可以确定了。 副面最小遮挡口径 mm m m m m s DD F K D FK D D? )()( 1 . 0 2 1 . 0 2 ? ?/ m D 100/? m D 2 . 0/? ms DD s D 1 . 0/? ms DD ms DD1 . 0? 1 . 0/? sm DDs D m D sm DF / s D m F s F s F 3.其他形式反射面天线其他形式反射面天线 前面讲的反射面天线中的馈源和支撑杆 对反射面反射的波束会形成遮挡，这种 遮挡作用不但会降低天线的增益，而且 会使副瓣电