第八章工程中常用的典型天线

第八章工程中常用的典型天线第一页，共三十页，2022年，8月28日口径面天线第二页，共三十页，2022年，8月28日一、基本口径面辐射源——惠更斯元的辐射1、惠更斯元定义口径面内尺寸远小于波长的一个平面可视作惠更斯元，其上的幅度和相位可视作均匀分布。它是二次辐射源。2、惠更斯元的辐射特性设平面口径上一个惠更斯元dS=dxdy,其上切向电场为Esx,切向磁场为Hsy。由等效原理，场分布可等效为相应的面电流和面磁流，故惠更斯元可视作电流元和磁流元叠加而成：第三页，共三十页，2022年，8月28日由电磁场相关理论，可得等效电流元和磁流元产生的辐射场，进而求得惠更斯元的远区辐射合成场为:两个方向上的辐射方向函数为:总的辐射方向函数为:归一化方向函数为:第四页，共三十页，2022年，8月28日惠更斯元远区辐射特性：1、辐射场为TEM波（球面波）；2、为单向辐射，辐射方向图绕法线轴旋转对称；3、最大辐射方向为其正法线方向；二、平面矩形口径的辐射(喇叭天线)设平面口径面S位于xoy平面上，口径面上电场分布为Es，则其在M处产生的辐射场表达式为：式中:第五页，共三十页，2022年，8月28日在球坐标系下：考虑到远区条件下，距离r远大于口径尺寸：将以上近似条件代入远区辐射场表达式，得：若口径为尺寸为a×b的矩形口径，其远区辐射场为第六页，共三十页，2022年，8月28日1.口径场Es沿y轴线极化且均匀分布不考虑口径场相位分布的影响，即假设口径场相位相等。令口径场为：，则对上式积分，即可获得口径场的远区辐射场。工程上常采用数值积分方法（如高斯积分法）求解。其E面归一化方向函数为（）第七页，共三十页，2022年，8月28日其H面归一化方向函数为（）讨论：1）口径面天线可视作由无线多惠更斯面元组成的二维面阵；阵因子惠更斯元方向函数2）最大辐射方向沿口径面法向（）；3）半功率主瓣宽度：4）E面和H面最邻近主瓣的第一个峰值均为0.214,所以第一旁瓣电平为第八页，共三十页，2022年，8月28日5）方向系数根据方向系数的定义，有2、口径场沿y轴线极化且振幅沿x轴余弦分布不考虑口径场相位分布的影响，即假设口径场相位相等。令口径场为：，将其代入口径场远区辐射场表达式，积分可得求得方向函数：第九页，共三十页，2022年，8月28日讨论：2）主瓣宽度和旁瓣电平：,E平面第一旁瓣电平为H平面第一旁瓣电平为1）相对于均匀分布口径场，余弦分布口径场H面方向图改变，则其方向函数也改变——口径场分布决定远区辐射场；第十页，共三十页，2022年，8月28日3)方向系数：式中,υ为口径利用系数。口径场余弦分布时，υ=0.81；口径场均匀分布时，υ=1。

4）对比口径场均匀分布情形，口径场余弦分布时主瓣展宽，方向系数下降（增益降低），同时副瓣电平也下降。第十一页，共三十页，2022年，8月28日3.口径场不同相时对辐射的影响1)直线律相移平面电磁波倾斜投射于平面口径时,在口径上形成直线律相移。若口径面上最大偏移为,振幅为均匀分布,则口径场表达式为代入矩形口径远区辐射场表达式，可求得H面方向函数为从上式可得：直线律相移时，最大辐射方向为，相当于将口径面偏转角，等效口径尺寸下降，口径利用系数减小第十二页，共三十页，2022年，8月28日2)平方律相移球面波或柱面波垂直投射于平面口径时,在口径平面上形成平方律相移。设在矩形口径上沿x轴有平方律相位偏移,且相位最大偏移为βm,振幅为均匀分布,则口径场表达式为通过分析可得：平方律相移不会改变最大辐射方向，但将展宽主瓣，同时抬高副瓣，口径利用系数减小。第十三页，共三十页，2022年，8月28日喇叭天线第十四页，共三十页，2022年，8月28日矩形喇叭：矩形喇叭口径场分布

第十五页，共三十页，2022年，8月28日根据幂级数展开，并取第一项：

H面扇形喇叭

同理：E面扇形喇叭

平方率的相位分布幅度按主模分布

第十六页，共三十页，2022年，8月28日第十七页，共三十页，2022年，8月28日

矩形喇叭口径场平方率相位分布的特性，使得最大化其增益的方法不能单纯的在保持喇叭长度条件下增大口径面积，这是因为喇叭横向尺寸过大会导致口径面上最大相位差增大，从而使增益下降。增益最大值时，这种喇叭称为最佳喇叭：

最大相位偏差口径效率第十八页，共三十页，2022年，8月28日喇叭天线口径场相位的校正：

喇叭天线口面上场相位的平方率分布引起的最大相差是决定天线辐射特性很重要的参数。

介质透镜金属透镜第十九页，共三十页，2022年，8月28日第二十页，共三十页，2022年，8月28日三、旋转抛物面天线栅格抛物面天线单脉冲天线切割抛物面天线后馈式抛物面天线第二十一页，共三十页，2022年，8月28日1、结构组成：旋转抛物面＋馈源(位于焦点)2、抛物面天线的工作原理准线抛物线：到定点和定线距离相等的点构成的曲线。位于焦点的馈源辐射的电磁波，经旋转抛物面天线反射后到达抛物面口径面，所经过的波程相等。抛物面天线将发散的球面波反射形成单向辐射的平面波，形成电磁能量会聚——强方向性。第二十二页，共三十页，2022年，8月28日第二十三页，共三十页，2022年，8月28日3、抛物面天线的辐射特性可以求得：旋转抛物面E面和H面方向函数均为式中：为馈源方向函数；说明：旋转抛物面天线主瓣宽度一般可用下式估算：第二十四页，共三十页，2022年，8月28日4、抛物面天线的最佳照射影响抛物面性能的因素：口径利用系数馈源辐射截获效率（1）口径利用系数旋转抛物面天线方向系数：在反射面确定时，馈源方向图越宽，其在口径面上形成口径场分布越均匀，口径利用因子越大。第二十五页，共三十页，2022年，8月28日（2）口径截获系数馈源辐射的功率,部分被反射面截获,其余的功率都溢失在自由空间。设馈源辐射的功率为PΣ,投射到反射面上的功率为P´Σ,则截获系数为在反射面确定时，馈源方向图越宽，泄漏的功率越大，口径截获系数越小。（3）方向系数D:方向系数因素第二十六页，共三十页，2022年，8月28日由于口径利用因数和口径截获因数是两个相互矛盾的因素，因此,对于一定的馈源方向函数,必对应着一个最佳张角,使得最大,即方向系数最大。反射面张角等于最佳张角时，馈源对抛物面的照射称为最佳照射。一般最佳照射时g＝0.83,且抛物面口径边缘处的场强比中心处低11dB。4、抛物面天线对馈源的基本要求①馈源方向图与抛物面张角配合,使天线方向系数最大，同时使能量漏失尽可能小；②具有确定的相位中心，以保证抛物面口径场相位相同；③尺寸应尽可能地小,以减少对口径的遮挡；④应具有一定的带宽。第二十七页，共三十页，2022年，8月28日四、双反射面天线

1、结构组成：主反射器(旋转抛物面)、副反射器(双曲面)和辐射器(馈源)三部分组成。2、工作原理主反射器副反射器辐射器主反射面焦点与福反射面一个焦点重合，馈源置于福反射面另一焦点位置。双曲面特性：1、双曲面上任意点P与焦点F1连线PF1与过改点与另一焦点F2连线的反向延长线PF2的夹角，被过该点的法线平分。2、双曲线上任一点P到两焦点的距离差等于常数。第二十八页，共三十页，2022年，8月28日双反射面天线特点：优点：等效焦距长；缺点