微波技术课件第七章

1、第7章 面天线7.1 口径面的辐射7.2 抛物面天线7.3 喇叭天线7.1 口径面的辐射 口径面：指具有有限尺寸的平面或曲面，其上分布有交变的电场和磁场。 口径面有各种形状，应用最多的是矩形和圆形口径面。 分析方法：口径场法，即将口径面分解成惠更斯面元，再运用叠加原理分析口径面的辐射特性。7.1.1 平面口径远区辐射场的一般公式 面元 的远区辐射场 复振幅 图7-1-1 平面口径辐射场的坐标系0y,sssxsssxsssssssssyxEyxHyxyxEyxeeHeEeeeeEEEyxryxEsskrssssssdddcossinecos12,jdjdsskrsssssyxryxEEEEsdd

2、ecos12,jdddj227.1.1 平面口径远区辐射场的一般公式 整个平面口径S产生的辐射场 采用平行线近似，讨论远区场 两个主平面的辐射场 sskrsSssssSyxryxEEEsddecos12,jdjssyxkssSskryxyxErEssdde,cos12ejsinsincossinjjsskxssSskrHyxyxErEsdde,cos12ejsinjj0sskyssSskrEyxyxErEsdde,cos12ejsinjj907.1.2 口径面的最大方向性系数和面积利用系数 最大方向性系数 口径场均匀分布 口径场为不均匀分布 口径的面积利用系数 AD204A为口径面的几何面积

3、2244AADeAe为口径面的有效面积 SsSssEsEAdd1227.1.3 同相矩形口径面的辐射1. 均匀分布 两个主平面的辐射场 对电大尺寸口径面，归一化方向性函数 图7-1-2 矩形平面口径及其坐标系sDDDDkyskrEyxErEsdedcos12ej2222sinj0j901122sDDDDkxskrHxyErEsdedcos12ej2222sinj0j02211 22sinuuFE 11sinuuFHsin11Du sin22Du 0,EyxEsss注：均匀分布口径面的归一化方向性函数与均匀直线阵的完全相同。 7.1.3 同相矩形口径面的辐射2. 余弦分布 面的情形与均匀分布时相

4、同。 面的辐射场 对电尺寸大的口径面 其它02,2cos,2110DyDxDxEyxEssssss211210j021cos2cos12ej0uuDDErEkrH 21121cosuuFH15 . 0682DHdB231H210481. 0DDD 7.1.4 同相圆形口径面的辐射1. 均匀分布 常数 对电大尺寸口径面，归一化方向性函数为 半功率波瓣宽度 第一副瓣电平为 。图7-1-4 平面圆形口径及坐标系 uuJF1D 5925 . 0dB6 .17 与均匀分布矩形口径面比较，均匀分布圆形口径面的主瓣宽度较宽，副瓣较低 。0EEs uuJDErEkr120j24cos12ej7.1.4 同相圆

5、形口径面的辐射2. 抛物渐削分布图7-1-5 圆形口径抛物渐削分布psEE2101 upEDrEpkr102j114cos12ej pppuuJpu21!表7-1-1 抛物渐削圆口径分布的辐射特性ppF, u1 u2D47. 1 u3面积利用系数0.55-30.620.75-24.611.00-17.60第一副瓣电平dB半功率主瓣宽度radD27. 1D02. 1归一化方向性函数7.1.5 口径场的相位分布对辐射场的影响1. 线性相位分布 沿 方向的线性相位分布可写成 口径场 对电尺寸大的口径面，归一化方向性函数 图7-1-6 线性相位分布xsmsxDx12mxDxsEEE12j0j0eemm

6、krHDDDDErEsinsinsincos12ej11210j mmHDDFsinsinsin117.1.5 口径场的相位分布对辐射场的影响 最大辐射方向相对于口径面法线方向偏离一个角度 线性相位分布的其它影响（1）E 面的辐射场强有所下降。（2）面积利用系数有所下降。 mmmD1arcsin图7-1-7 线性相位分布时的主瓣方向7.1.5 口径场的相位分布对辐射场的影响2. 平方律相位分布 口径场和辐射场 平方律相位分布引起的方向图变化是对称的；当 时与同相时的方向图差别并不大；但是当 逐渐增大时，主瓣变宽，波瓣零点消失，副瓣电平升高，甚至主副瓣趋于融合；当 达到 时主瓣发生分裂，方向性显

7、著变差。 msDxsEE212j0e图7-1-8 相位平方律分布时矩形口径的H面方向图8mm23m7.1.5 口径场的相位分布对辐射场的影响3. 立方律相位分布 最大辐射方向朝相位滞后的方向偏离法向，主瓣变宽，副瓣增大，方向性系数下降，并且在主瓣两侧产生不对称的副瓣。 msDxsEE312j0e7.2 抛物面天线 抛物面天线由辐射器（馈源）和抛物面形状的金属反射体组成，是微波雷达、微波通信设备中一种常用的定向天线。 d)a)b)c)图7-2-1 雷达中的抛物面天线 a ) ASR-23SS预警雷达天线； b ) 宇宙观测雷达天线图7-2-2 几种常用的抛物面反射体形状a)柱形抛物面 b)旋转抛

8、物面 c)矩形截抛物面 d)桔瓣形截抛物面a)b)7.2.1 旋转抛物面的几何特性 在直角坐标系 中，抛物面方程 在极坐标系 中的抛物线方程图7-2-3 抛物面特性的分析1111zyxo 121214 fzyxrF2seccos122ffr2tan400fd0df20410df20410df f d0=2a y1 x 1 Z1 o o1 o F M M K K s r0 r 0 n K M M1 K1 按口径张角或焦比( )区分 短焦距抛物面： 长焦距抛物面： 7.2.1 旋转抛物面的几何特性 旋转抛物面的几何特性 （1）抛物面上任意点M的法线平分 ，其中， 是焦点至点M的连线， 是点M至口径

9、面的距离，同时也平行于焦轴； （2）路径 是常量，等于 。其中 是抛物面顶点至口径面的距离。 抛物面天线的工作原理 从焦点发出的射线经抛物面反射后彼此平行，且在口径面处同相，即抛物面反射体将位于焦点的馈源发出的球面波转变成平面波。 MFM FMMM MMFM 10zf 10z7.2.2 抛物面天线的辐射场1. 抛物面天线的口径场（1）射线管的概念 射线FM 和FN 构成圆锥形射线管，射线FM和FN被抛物面反射后由MM 和NN构成柱形射线管。 若忽略反射面的损耗，柱形射线管在口径面处的电磁功率应等于圆锥形射线管中任一截面处的电磁功率。图7-2-5 抛物面天线中的射线管剖面7.2.2 抛物面天线的

10、辐射场（2）口径面上的电场振幅 与抛物面上的电场振幅 的关系（3） 的表达式（4）口径面上的电场分布 SEiEiSEEiErDPsfti,2210E E10j210e,2,zfksftssSrDPE7.2.2 抛物面天线的辐射场2. 抛物面天线的辐射场 口径场分布确定后，即可利用7.1.4节的知识分析口径面的辐射场。 3. 抛物面天线的增益（1）对照射效率的考虑。 （2）对面积利用系数的考虑。 （3）对增益因子的考虑。 AgDG21004图7-2-6 馈源的能量漏失7.2.3 抛物面天线的馈源 对馈源的基本要求 1）馈源方向图应与抛物面张角配合，使天线增益因子最大。 2）馈源具有确定的相位中心

11、，从而保证使相位中心与焦点重合，形成同相分布的口径场。 3）馈源尺寸应尽可能小，以减少对抛物面辐射场的遮挡。 4）馈源应有一定的工作带宽。 馈源的种类很多，常见的有振子馈源、波导缝隙馈源、喇叭馈源以及适用于抛物柱面天线的线阵馈源。7.2.4 馈源偏焦对方向性的影响1. 横向偏焦 馈源横向偏焦使口径面上同时出现线性率和立方律相位偏差。如果横向偏焦不大，则接近于线性相位偏差，这时，长焦距抛物面天线的主瓣最大值方向偏移角 近似等于馈源偏轴角 。图7-2-8 馈源横向偏焦! 323x图7-2-9 馈源横向偏焦引起的波瓣偏移7.2.4 馈源偏焦对方向性的影响2. 轴向偏焦 馈源沿焦轴偏离焦点时称为轴向偏

12、焦。 当馈源向抛物面顶点方向偏移时，口径中心的相位将超前边缘的相位，形成凸形的等相位面，相反，当馈源反方向偏移时将形成凹形等相位面。这两种情况都使口径场近似呈平方律相位分布，形成类似于光学中的“散焦”现象 。图7-2-10 轴向偏焦时波束的扩散7.2.5 产生特殊波束的抛物面天线1. 针状波束天线 旋转抛物面天线主要用于产生圆对称的针状波束。2. 对称扇形波束天线（1）利用抛物柱面天线产生扇形波束。（2）利用切割抛物面天线产生扇形波束。 图7-2-11 抛物柱面天线图7-2-12 对称切割椭圆抛物面7.2.5 产生特殊波束的抛物面天线3. 余割波束天线（1）余割波束的特点 是一种不对称扇形波束

13、 （2）分布馈源反射面天线 适当控制各馈源的功率比，其合成波束可为余割波束。 H r max min 图7-2-13 地对空搜索波瓣(余割波束) cschACrACF图7-2-14 分布馈源法形成余割波束7.2.5 产生特殊波束的抛物面天线（3）单弯曲反射面天线 当焦线上放置线阵馈源时，反射面的上部将汇聚从馈源来的入射波，下部则按原方向反射。若适当选择两部分反射面的面积和馈源的方向图，其合成波束即可为余割波束。图7-2-15 改变抛物面反射体形状形成余割波束7.3 喇叭天线 将波导终端逐渐张开即形成喇叭天线 图a是将矩形波导的窄壁尺寸扩展形成的E面扇形喇叭。 图b是将矩形波导的宽壁尺寸扩展形成

14、的H面扇形喇叭。 图c是将矩形波导的窄壁和宽壁同时扩展而形成的角锥喇叭。 图d是将圆柱波导逐渐扩展而形成的圆锥喇叭 。图7-3-l 喇叭天线的基本形式a) E面扇形喇叭； b) H面扇形喇叭； c) 角锥喇叭； d)圆锥喇叭d)a)b)c)7.3.1 H面扇形喇叭天线1. 推导条件1）喇叭被矩形波导中的TE10模激励。2）喇叭与辐射空间匹配。3）喇叭壁为理想导体。4）喇叭内无源。 a b y o y x z P P D1 D2 a) o x z a y H R1 B B C C o D1 2 x M N b) 图7-3-2 H面扇形喇叭天线坐标系a)结构 b)x-z剖面图7.3.1 H面扇形喇

15、叭天线2. 内场分布 在距喇叭顶点较远处，内场分布为 其场结构与TE10模相似。不同之处主要是： 扇形喇叭的内场为柱面波，它从位于喇叭顶点的线源发出。而矩形波导内是平面波； 由于喇叭的截面尺寸逐渐扩大，喇叭内的相速 不是常数。 120e2cos22212jjykHyEHkCEH图7-3-3 TE10模激励的H面扇形喇叭的内场分布221aCvp7.3.1 H面扇形喇叭天线3. 口径场分布 H面扇形喇叭口径场的幅度分布与矩形波导的横向场相同，即x方向为余弦分布，y方向为均匀分布。不同之处是在于x方向存在平方律相位偏差。 120ecos12j10ysxsRxysEHDxEEs7.3.1 H面扇形喇叭

16、天线 4. H面（ ）的辐射场 5. E面（ ）的辐射场 043432121120jjj22cos12ejuSuSuCuCNuSuSuCuCMRDErEkrH6565224j120jjsinsinsine2cos12ej211uSuSuCuCDDRDErEDRkrEE面方向图与同相均匀分布口径面的相同。907.3.1 H面扇形喇叭天线6. H面扇形喇叭的方向性（1）归一化方向图 随着 增大，H面方向图的主瓣增宽，零点消失，副瓣电平升高，增益降低，甚至主副瓣融合。 图7-3-4 H面扇形喇叭方向图HM7.3.1 H面扇形喇叭天线（2）主瓣宽度（3）增益 最优H面扇形喇叭 115 . 07868.

17、 0arcsin22DDH11D265265112max244uSuSuCuCDRDPSrGH2opt1131DR43HM64. 07.3.2 E面扇形喇叭天线1. 与H面扇形喇叭内场分布的比较 与H面扇形喇叭不同之处是，E面扇形喇叭内的相速不变，且等于波导内的相速；喇叭内的波长等于波导波长；其内场分布更类似于波导中TE10波的场分布。图7-3-6 TE10波激励的E面扇形喇叭的内场分布7.3.2 E面扇形喇叭天线2. 与H面扇形喇叭方向图的比较 口径场相位偏差对E面扇形喇叭的影响比对H面扇形喇叭的影响严重。 半功率主瓣宽度 图7-3-7 E面扇形喇叭方向图25 . 0542DE12D7.3.2 E面扇形喇叭天线3. 与H面扇形喇叭增益的比较 最优E面扇形喇叭 2opt2221DR图7-3-8 E面喇叭的增益与口径电尺寸的关系2EM64. 07.3.3 角锥喇叭天线 角锥喇叭天线的壁面不是正交坐标系中任何坐标为定值的面，难以用解析方法求解。给出定性描述如下： 1）对于由TE10模矩形波导馈电的角锥喇叭，其内场分布通常借助于H面和E面扇形喇叭的内场分布定性描述，口径场的相位分布也沿用前两种扇形喇叭口径场的相位分布。 a b y x z D1 D2 x z a R1 D1 L y z