THz频段反射面天线表面电阻引起的噪声温度和增益损失的计算

THz频段反射面天线表面电阻引起的噪声温度和增益损失的计算

秦顺友张文静杜晓恒王聚亮任冀南（中国电子科技集团公司第五十四研究所天线伺服专业部）2013年5月主要内容：引言基本公式数值计算分析结束语参考文献2013年全国微波毫米波年会

引言

近年来，随着现代社会科学技术的发展，毫米波、亚毫米波和THz频段的理论技术研究不断深入，其应用日益广泛。毫米波波卫星通信、THz频段的空间遥感辐射计、天文望远镜等已获得实际应用。

2013年全国微波毫米波年会毫米波卫星通信：Ka、EHF和V频段Ka-band:30/20GHzEHF-band:44/20GHzV-band:50/40GHz毫米波、亚毫米波、THz望远镜工作频率：75GHz375GHz美国和墨西哥合作研制50米毫米波望远镜(1994--2009)ESA—PLANCK空间望远镜ESA：Europeanspaceagency天线口径：1.5米工作频:100857GHz2013年全国微波毫米波年会ESA—Hersche空间望远镜ESA：Europeanspaceagency天线口径：3.5米工作频率:4802700GHz2013年全国微波毫米波年会中德亚毫米波望远镜2013年全国微波毫米波年会中德亚毫米波望远镜，位于海拔4300米的西藏当雄县羊八井，天线口径3米，观测范围为230GHz-1THz国内口径最大的毫米波望远镜，天线口径13.7米，观测范围为85GHz-115GHz青海德令哈毫米波望远镜随着机载、车载和船载通信技术的发展，对天线重量控制非常严格。由于碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高和线膨胀系数低的特点，是制造重量轻、高精度天线的理想材料。

毫米波碳纤维天线碳纤维反射面

天线效率和噪声温度是天线重要参数。天线效率

主副镜漏失效率口面照射效率遮挡效率表面公差效率交叉极化效率

欧姆损耗效率失配效率馈源相心偏差效率馈源插损效率

天线噪声温度主要由天空噪声、地面噪声、天线表面欧姆损耗噪声和馈源网络插入损耗噪声组成。TfeedTgroundT

微波频段，反射面天线表面电阻引起增益损失和噪声温度很小，通常可以忽略，但在毫米波和亚毫米波频段，乃至THz波段，金属的反射率对有些应用系统的灵敏度、精度和传输性能等有很大影响。天线金属表面反射损耗是不可忽略的。2013年全国微波毫米波年会基本公式

i

r天线金属导体面入射波反射波反射面天线金属表面电磁波传播示意图图1：2013年全国微波毫米波年会入射波玻印廷定理可知：入射波的总功率：进一步化简可得：由反射定理可得反射波方程：反射波功率：损耗功率：由电磁波的传播理论可知：电磁波在金属导体界面的反射系数为：

2013年全国微波毫米波年会对于金属表面，其表面电阻Rs和相对复介电常数r可用下式进行计算：

对于金属良导体，其电导率趋于无穷大，表面阻抗趋于零，

/0>>1，则可以利用下面近似公式：

2013年全国微波毫米波年会将近似公式带入反射系数公式进行化简得：由于（0/Rs）2>>2

2013年全国微波毫米波年会增益损失：损耗效率：入射波为线极化，电场垂直入射面，E1=0入射波为线极化，电场平行入射面，E2=0入射波为圆极化，E2=E1同理由反射面天线表面的反射系数，可计算欧姆损耗引起的天线噪声温度为：2013年全国微波毫米波年会2013年全国微波毫米波年会3数值计算分析

由前面分析可知：只要知道天线表面电导率、工作频率和电磁波入射角，很容易计算天线表面欧姆损耗引起的天线噪声温度和增益损失。表1所示，为常用高反射率金属的电导率参数。表1高反射率金属的电导率金属材料电导率(S/m)银6.17107铜5.81107金4.10107铝3.821072A12铝合金2.301072013年全国微波毫米波年会对于反射面天线，电磁波的最小入射角为0，最大入射角max由下式计算

如图2和图3所示，给出了常用的2A12铝合金面板，电磁波垂直入射时，单反射面天线表面电阻引起的天线噪声温度和增益损失计算结果。

频率/GHz增益损失/dB图2：2013年全国微波毫米波年会98.63%99.77%频率/GHz噪声温度/K图3：2013年全国微波毫米波年会图4给出了频率为5000GHz时，2A12铝合金面板，不同极化电磁波天线欧姆损耗引起的天线噪声温度随入射角的变化曲线。电磁波入射角

i/()水平极化圆极化垂直极化频率:5000GHz噪声温度/K2013年全国微波毫米波年会图4：图4计算结果表明：随着电磁波入射角的增大，入射电磁波为水平极化时，反射面天线表面电阻引起的天线噪声温度随入射角的增大而增加；垂直极化随电磁波入射角的增大而减小；圆极化波随入射角增大变化缓慢，由增大趋势。2013年全国微波毫米波年会图5给出了频率为5000GHz时，2A12铝合金面板，不同极化电磁波天线欧姆损耗引起的天线增益损失随入射角的变化曲线。

水平极化垂直极化频率:5000GHz电磁波入射角

i/()增益损失/dB2013年全国微波毫米波年会图5：98.63%99.54%图5计算结果表明：随着电磁波入射角的增大，入射电磁波为水平极化时，反射面天线表面电阻引起的天线增益损失随入射角的增大而增加；垂直极化随电磁波入射角的增大而减小；圆极化波随入射角增大变化缓慢，由增大趋势。

2013年全国微波毫米波年会结束语在THz应用系统中，天线作为设备发射或接收电磁波的重要部件，其噪声温度和增益是天线的重要电性能参数。由于反射面天线金属表面电阻的影响，从而引起天线噪声温度的增加，天线增益降低，这些性能直接影响低噪声应用系统的灵敏度。本文利用金属导体表面不同极化的电磁波传播的反射