2讲 Deng 喇叭天线和抛物面天线

1、第二讲 常见口径面天线一、 喇叭天线1. 喇叭天线的种类、结构和特点根据惠更斯原理，终端开口的波导可以构成一个辐射器，但是波导口面的电尺寸很小，辐射方向性弱。而且，在波导开口处波导与开口面外的空间不匹配，会产生严重的反射，不宜作为天线使用。将波导的截面均匀地逐渐扩展，形成如图1所示的喇叭天线。它们不仅扩大了天线的口面尺寸，同时改善了口面的匹配情况，从而取得了很好的辐射特性。图1 喇叭天线种类上图表示了几种常用的喇叭天线。当矩形波导的截面仅在H面展宽时，形成H面扇形喇叭；仅在E面展宽时，形成E面扇形喇叭；同时在E面和H面展宽则形成角锥喇叭；由圆波导均匀展开形成圆锥喇叭。喇叭天线时一种应用很广泛的

2、微波天线。它具有结构简单、重量轻、易于制造、工作频带较宽、功率容量大等优点。合理选择尺寸，可以获得良好的辐射特性、相当高的方向系数、相当尖锐的主瓣、比较小的副瓣。喇叭天线可以作为独立的天线，也可以作为反射面天线及透镜天线的馈源，还能用作收发共用的双工天线。在天线测量中，也被广泛用作标准增益天线。2. 喇叭天线口面为了确定喇叭天线的辐射特性，必须了解喇叭口面上场的分布，即求解喇叭的内场。求解喇叭内电磁场常采用近似的方法：认为喇叭为无限长，忽略外场对内场的影响，把喇叭的内场结构近似看做与标准波导内的场结构相同，只是因为喇叭是逐渐张开的，使得波形略有变化。在平面状的喇叭口面上，场的振幅分布可近似认为

3、与波导截面上相似，但是口面上场相位偏移的影响则不能忽视。图2(a)、(b)分别表示H面及E面扇形喇叭的几何参数，下面我们来计算口面场上的相位偏移。图2 H面、E面扇形喇叭几何参数图如图2(a)所示，到口面上M点的波程比到口面中心O点的波程长MN的距离。设口面中心处O点的相位偏移为0，则口面上任一点M的相位偏移表示为： 一般，所以，因此有带入上式，得到的无穷级数展开式为由于，则沿口径面上任意点M的相位偏移近似取第一项为： （1）边缘上A点的相位偏移最大为（）： （2）与喇叭相连的矩形波导内通常传输主模为TE10模，场的振幅沿宽边为余弦分布。因而，喇叭口面的电场分布为： 波导内 （3）同理，对于E

4、面扇形喇叭，口面沿y轴向上任意点的相位偏移为： （4）边缘上最大位移偏移点的相位偏移为： （5）喇叭口面的电场分布为： （6）对于角锥喇叭来说，当中心点相位为0时，口面上任意点的相位偏移为 （7）顶角处最大相位偏移点的相位偏移为 （8）喇叭口面上的电场分布为： （9）矩形喇叭实测E面和H面波瓣图随张角和喇叭长度的变化规律（角锥喇叭随尺寸方向图变化动画）3. 矩形喇叭的最佳尺寸在矩形喇叭的E面，口面场的振幅为均匀，相位按平方率变化的情况下，当时，相位偏移对方向性影响不大；相位偏移进一步增大，当时，主瓣明显展宽，甚至在主辐射方向形成凹陷。所以，由，可以得到d2的最佳尺寸为： （10）在矩形喇叭的H

5、面，口面场振幅按照余弦分布，相位按平方率变化的情况下，由于口面场边缘相位偏移最大处的振幅很小，相位偏移对方向性影响减弱，因而允许边缘相位偏移较大，可达。由，可得到d1的最佳尺寸为 （11）在最佳尺寸关系条件下，E面和H面扇形喇叭的方向系数均近似为： 口径效率利用。此时，口面场的最大相位差为在最佳尺寸关系下，角锥喇叭天线的方向系数及口面利用效率分别为：， 。 喇叭天线的效率很高，。由，可近似认为他的增益和方向系数相等。二、 抛物面天线一、概述反射面天线和阵列天线一样，都能实现高增益、低副瓣、在仰角上有宽的覆盖范围。它们之间的本质区别是口面场幅相分布，面天线是连续分布，而阵列天线是离散分布。阵列天

6、线可以独立的控制各个单元的幅相，并能合理的分配功率，而面天线不能。面天线优势：实现成本低、不需要复杂的馈电网络、没有栅瓣问题，可以很方便的做到宽频带、圆极化。喇叭天线是最简单的面天线。它有一个重大缺陷，就是其口面尺寸因口面场按平方律相位分布而不能太大，因而其方向性不可能太强。在实际应用中(如雷达、卫星通信等)往往要求天线具有很强的方向性，此可由反射面天线(主要介绍旋转抛物面天线)来完成。反射面种类很多，各种曲面反射面和多反射面系统。产生强方向性的面天线中用得最多的是旋转抛物面天线。旋转抛物面天线的发明是受到探照灯的启示。人们早就知道，旋转抛物镜面可以把其焦点发出的发散光线经反射后会聚成平行光束

7、以照射较远的地方。由此可用一旋转抛物面形状的金属面作反射面，而把一个馈源(产生电磁波的初级辐射器)置于焦点处，即构成了旋转抛物面天线。当馈源接发射机时构成发射天线，馈源接接收机时为接收天线。分析时，设其处于发射状态。此时，由馈源产生的方向性较弱的初级辐射波束经金属面反射后可形成方向性很强的针状波束。由于旋转抛物面天线是利用金属反射面对馈源来波进行反射而增强辐射方向性的，因此也称为反射面天线。根据互易定理可知，在接收状态，旋转抛物面形金属面可以把远处传来的平行光束会聚到焦点实现有效接收。反射面采用导电性能良好的金属或在其它材料上敷以金属层(网)制成。它将入射到面上的电磁波几乎完全反射。最简单的反

8、射面天线由两部分组成：一个远大于波长的反射表面和一个比较小的馈源。所有从焦点F发出的射线经反射面反射后的射线平行于反射器轴；所有从焦点F发出的射线经反射面反射后再到口径平面的路径长度，相等且等于2F。馈源的相位中心处于焦点，将在口径面上产生均匀的相位。几点假设：1、主反射器的曲率远大于波长，因此每个反射点的局部区域可以看成平面；2、来自馈源的入射波的曲率半径很大，在反射点处可以当作平面波处理；3、反射器是一个理想导体，所以反射波和入射波的幅度相等，相位相反。抛物面反射器天生是一个带宽很宽的天线，仅由低频段处反射器的尺寸决定。在实际应用中，抛物面反射器的带宽通常受到馈源的限制，而不受反射面本身的

9、限制。二、旋转抛物面天线的几何参数及辐射特性1、抛物线方程以旋转抛物面为例，它是由抛物线绕其对称轴oz旋转而成。选取抛物面在yoz平面内的截线（抛物线）进行分析。抛物线在直角坐标内的方程为（1），式中，f为焦距，其坐标选取下图1所示。 在yoz面内建立坐标系, 极坐标的原点取在焦点F处。F到抛物面上任意点P的距离为，FP与负z轴夹角为。由下图可得极坐标系中变量与直角坐标系中的变量的关系为（2）将上式带入（1）式，得到极坐标下抛物线方程为：（3）图1 抛物面几何关系2、焦径比设抛物面的口面直径为2a，定义为焦径比，可得：（4）式中，为抛物面的半张角，则2为抛物面的张角。当时，成为长焦距抛物面；当

10、时，称为中焦距抛物面；当，称为中焦距抛物面。图2 不同焦距的抛物面3、口面场分布抛物面的分析设计，一般采用几何光学和物理光学的方法导出口径场面上的场分布，然后依据口径场分布，求出辐射场。利用这种方法计算口面上的场分布时，为了使求解简单，需要做以下假定：（1） 馈源辐射理想球面波，即它有一个确定的相位中心，并与抛物面焦点F重合，否则口面场就不是同相场。（2） 馈源后向辐射为0，即在时的区域中辐射为0。（3） 抛物面焦距远大于波长，抛物面位于馈源的远区，且对馈源的影响可忽略。（4） 抛物面是旋转对称的，馈源的方向图也是旋转对称的，即它们只是的函数。下面计算抛物面口面上的场分布。先要计算抛物面口面A

11、上的场强分布。 图3 抛物面天线如图3所示，假设辐射器（馈源）的尺寸很小，其相位中心位于抛物面的焦点上。根据抛物面的几何特性，从焦点出发经过抛物面反射的全部射线都是平行的，且在与z轴垂直的平面上是同相的。由于从抛物面表面到口面A的路程中，平行反射波的能量密度不变，因此口面A上场的振幅与上的相同。即图3（b）p点与点的场强相同。从馈源到抛物面表面的过程中，电磁波为球面波，由于能量的扩散，场强的振幅与距离成反比，随着离开馈源距离的增大，场强减小。设馈源归一化功率方向性函数为，则根据式，可得天线口面P点场的振幅为： （5）式中，D1是馈源最大辐射方向的方向系数， Pr是馈源辐射功率，是馈源到抛物面的镜像距离。将（3）带入（5），得： （6）由式（6）可以看出，口面上的场分布时角度的函数，因此口面上的场分布是不均匀的。口面场分布的不均匀性，一方面是由馈源辐射不均匀引起的，体现为；另一方面是由于馈源到抛物面上各点的行程不同，因而球面波的扩散衰减不同引起的，体现为。当馈源均匀照射时，, 口面上的场分布为。在抛物面上的中心点，口面场在此处具有最大值。在抛物面口面的边缘，。可见，越小，口面上中心点的场与边缘的场的差值越小，