天线原理与设计4.4-旋转抛物面天线

8.4旋转抛物面天线

旋转抛物面天线是在通信、雷达和射电天文等系统中广泛使用的一种天线,它是由两部分组成的,其一是抛物线绕其焦轴旋转而成的抛物反射面,反射面一般采用导电性能良好的金属或在其它材料上敷以金属层制成的导体表面或导线栅格网构成;其二是置于抛物面焦点处的具有弱方向性的馈源（也称照射器）,它可以是单个振子或振子阵，单喇叭或多喇叭，开槽天线等。利用抛物面的几何特性，抛物面天线可以把方向性较弱的初级辐射器的辐射反射为方向性较强的辐射(手电筒)。馈源把高频导波能量转变成电磁波能量并投向抛物反射面,而抛物反射面将馈源投射过来的球面波沿抛物面的轴向反射出去,从而获得很强的方向性。8－4旋转抛物面天线（1）旋转抛物面天线结构（2）口径场分布（3）远区场（4）口径天线电参数由6-2-20and6-2-21积分得到E面和H面的辐射场旋转抛物天线柱形抛物面天线切割抛物天线抛物线（POM）：焦点F，准线M’’P’’，二者相距2f（焦距），抛物线上任意动点到准线和焦点的距离相等。坐标原点取在F点到准线距离的中点。ψ为抛物线上任一点M到焦点的连线与焦轴(Oz)之间的夹角；ρ为点M与焦点F之间的距离。6.4.1几何特性与工作原理r性质1：如用FM代表F到抛物线上任意一点M的连线，MM’代表通过M点的一条平行于z轴的直线，则FM和MM’与抛物线的法线MN之间的夹角相等。性质2：FM＋MM’和FP＋PP’分别代表由焦点F经抛物面任意两点反射后到达口径面M’P’的距离（口径面是垂直与z轴的平面）。FM＋MM’＝M”M’=P”P’=FP＋PP’＝常数一条抛物线绕其焦轴(Oz)旋转所得的曲面就是旋转抛物面。旋转抛物面所满足的直角坐标方程为焦距口径比注意：焦距口径比f/D是一个重要的参数。从增益出发确定口径D以后，如再选定f/D，则抛物面的形状就可以确定了。根据式（8―4―8），再求出馈源需要照射的角度2Ψ0，也就给定了设计馈源的基本出发点。性质1：如用FM代表F到抛物线上任意一点M的连线，MM’代表通过M点的一条平行于z轴的直线，则FM和MM’与抛物线的法线MN之间的夹角相等。性质2：FM＋MM’和FP＋PP’分别代表由焦点F经抛物面任意两点反射后到达口径面M’P’的距离。FM＋MM’＝M”M’=P”P’=FP＋PP’＝常数6.4.1几何特性与工作原理rF

旋转抛物面天线具有以下两个重要性质：（1）点F发出的光线经抛物面反射后，所有的反射线都与抛物面轴线平行，即（2）由F点发出的球面波经抛物面反射后成为平面波。等相面是垂直OF的任一平面。即

注：以上两个光学性质是抛物面天线工作的基础。如果馈源是理想的点源，抛物面尺寸无限大，则馈源辐射的球面波经抛物面反射后，将成为理想的平面波。考虑到一些实际情况，如反射面尺寸有限，口径边缘的绕射和相位畸变，尽管馈源的辐射经抛物面反射以后不是理想的平面波，但是反射以后的方向性也会大大加强。

根据抛物面张角的大小，抛物面的形状分为如图8―4―3所示的三种。一般而言，长焦距抛物面天线电特性较好，但天线的纵向尺寸太长，使机械机构复杂。分析方法通常采用两种方法:

①口径场法——根据上节提及的惠更斯原理,抛物面天线的辐射场可以用包围源的任意封闭曲面（S′+S）上各次级波源产生的辐射场的叠加。对于具体的抛物面天线,S′为抛物面的外表面,S为抛物面的开口径。这样,在S′上的场为零,在口径S上各点场的相位相同。所以只要求出口径面上的场分布,就可以利用上节的圆口径同相场的辐射公式来计算天线的辐射场。6.4.2

抛物面天线的口径场分布口径场法原理图初级辐射源②面电流法——先求出馈源所辐射的电磁场在反射面上激励的面电流密度分布,然后由面电流密度分布再求抛物面天线的辐射场。6.4.2

抛物面天线的口径场分布抛物面天线的分析设计有一套成熟的方法,基本上采用几何光学和物理光学导出口径面上的场分布，然后依据口径场分布，求出辐射场。由于抛物面天线是电大尺寸,用这种方法计算是合理的。计算口径场分布时,要依据两个基本定律——几何光学反射定律和能量守恒定律,

而且必须满足如下假定:①馈源辐射理想的球面波,即它有一个确定的相位中心并与抛物面的焦点重合;②馈源的后向辐射为零;③抛物面的焦距远大于一个波长，因此反射面处于馈源远区，且对馈源的影响忽略；④服从几何光学的反射定律（f>>λ时满足）。6.4.2

抛物面天线的口径场分布抛物面天线的分析设计有一套成熟的方法,基本上采用几何光学和物理光学导出口径面上的场分布，然后依据口径场分布，求出辐射场。由于抛物面天线是电大尺寸,用这种方法计算是合理的。计算口径场分布时,要依据两个基本定律——几何光学反射定律和能量守恒定律,

而且必须满足如下假定:必须满足如下假定:①馈源辐射理想的球面波,即它有一个确定的相位中心并与抛物面的焦点重合;②馈源的后向辐射为零;③抛物面的焦距远大于一个波长，因此反射面处于馈源远区，且对馈源的影响忽略；④服从几何光学的反射定律（f>>λ时满足）。

根据抛物面的几何特性，口径场是一同相口径面。设馈源的总辐射功率为Pr，方向系数为Df(ψ,ξ）则抛物面上M点的场强为:电磁波照射到理想导体表面发生全反射,反射波振幅与入射波振幅相等，并且由M点反射后的电磁波是平面波，平面波不扩散（平面波在无耗介质中传播时,振幅不发生衰减，电磁波的振幅不随传播距离的变化而变化），因而至口径上M′场强的模值为带入抛物面方程8.4.11式为抛物面天线口径场振幅分布的表示式，可以看出：口径场的振幅分布是Ψ的函数。五个坐标系因而由M点反射至口径上M’的场强为((1)电磁波照射到理想导体表面发生全反射,反射波振幅与入射波振幅相等(2)平面波在无耗介质中传播时,振幅不发生衰减8.4.11式为抛物面天线口径场振幅分布的表示式，可以看出：口径场的振幅分布是Ψ的函数。F(Ψ,ξ)一般随Ψ增大而下降，值小于1，因此口径场在中心处为最大值，且口径场随着R的增加而减小（衰减）。6.4.11式为抛物面天线口径场振幅分布的表示式，可以看出：口径场的振幅分布是Ψ的函数。F(Ψ,ξ)一般随Ψ增大而下降，值小于1，因此口径场在中心处为最大值，且口径场随着R的增加而减小（衰减）。口经常衰减由两个方面原因：(第一项)由于馈源方向图一般随ψ增大而下降，是由于馈源天线的方向性引起的衰减.(第二项)空间衰减因子是由于入射到抛物面的边缘的射线长于入射到中心的射线，导致边缘场扩散，使得边缘场较中心场强下降。因此抛物面口径场沿径向的减弱程度超过馈源方向图的衰减程度，即下降得更快。这种情况，在短焦距抛物面天线中更为突出。理想点源天线在不同方向上单位立体角在抛物面上的面积不同，从而引起口径场由中心向边缘的衰减。电场强度与传播距离成反比理想点源天线在不同方向上单位立体角在抛物面上的面积不同，从而引起口径场由中心向边缘的衰减

口径场的极化情况决定于馈源类型与抛物面的形状、尺寸。一般口径场有两个垂直极化分量。如图所示,如果馈源的极化为y方向极化，则口径场的极化可为x和y两个极化方向。通常在长焦距情况下，口径场Ey分量远大Ex分量，Ey为主极化分量，而Ex为交叉极化分量。长焦距场的极化短焦距场的极化如果是短焦距抛物面天线，口径上还会出现反向场区域，它们将在最大辐射方向起抵消主场的作用，这些区域称为有害区，因此一般不宜采用短焦距抛物面。若因某种特殊原因必须采用短焦距抛物面天线，则最好切去有害区(切割抛物面天线)。如果馈源方向图具有理想的轴对称，则口径场无交叉极化分量。由于对称的关系，交叉极化分量Ex，在两个主平面内的贡献为零，而在其它平面内，交义极化的影响必须考虑，6.4.3抛物面天线的辐射场求出了抛物面天线的口径场分布以后，就可以利用圆形同相口径辐射场积分表达式来计算抛物面天线E、H面的辐射场和方向图。口径上的坐标关系为：将8.4.14入式（8.2.20）和（8.2.21）得E面、H面的辐射场为故E面、H面的方向函数为图8―4―7馈源为带圆盘反射器的偶极子的抛物面天线方向图(a)H面(b)E面如果馈源为沿y轴放置的带圆盘反射器的偶极子，图8.4.7计算了这种馈源的旋转抛物面天线在不同条件下两主平面方向图。从图中可以看出，由于馈源在E面方向性较强，对抛物面E面的照射不如H面均匀，故抛物面天线的H面方向性反而强于E面方向性。口径越大，则方向性越强。当口径电尺寸一定时，口径场分布越均匀，其面积利用系数越大，方向系数越大，但是副瓣电平越高偶极子圆盘反射器6.4.4抛物面天线的方向系数和增益系数抛物面天线的方向系数仍然由式（6.2.9）即:

来计算。其中，υ为面积利用系数；

为抛物面的口径面积。超高频天线中，由于天线本身的损耗很小，可以认为天线效率η＝1，所以G＝D，但在抛物面天线中，天线口径截获的功率Prs只是馈源所辐射的总功率Pr的一部分，还有一部分漏失功率。对于张角为ψ0旋转抛物面来说定义漏失效率（截获效率）馈源天线的方向性越强（越不均匀），截获效率越高面积利用系数面积利用系数ν反映了口径场分布的均匀程度，口径场分布越均匀，ν值越大，当口径面均匀分布时ν=1，方向系数越大；馈源天线的方向性越强（越不均匀），截获效率越高；而此时口径场的分布也会越加不均匀，口径场分布不均匀导致面积利用系数ν下降；因此增益因子存在一个最佳值。

如果馈源方向性也是旋转对称的，其归一化方向函数为F(Ψ)，下面将分别计算截获效率与面积利用系数在多数情况下，馈源的方向函数近似地表示为下列形式：式中，n越大，则表示馈源方向图越窄，反之则越宽。面积利用系数ν反映了口径场分布的均匀程度，口径场分布越均匀，面积利用系数（口径效率）ν值越大；馈源天线的方向性越强（越不均匀），截获效率越高；因此为了获得最大增益，必须在二者之间寻求折中，使得二者的乘积最大6.4.9计算了抛物面天线的面积利用系数、效率及增益因子随口径张角的变化曲线。从图中可以看出，由于面积利用系数、效率与口径张角之间的变化关系恰好相反，所以存在着最佳张角，使得增益因子对应着最大值gmax≈0.83。尽管最佳张角与馈源方向性有关，但是和此最佳张角对应的口径边缘的场强都比中心场强低10~11dB。因此可以得到如下结论：不论馈源方向如何，当口径边缘电平比中心低11dB时，抛物面天线的增益因子最大。考虑到实际的安装误差、馈源的旁瓣,以及支架的遮挡等因素，增益因子比理想值要小，通常取g≈0.5~0.6;使用高效率馈源时，g可达0.7~0.8。抛物面天线的面积利用系数、效率及增益因子随口径张角的计算曲线实际工作中，抛物面天线的半功率波瓣宽度和副瓣电平可按下列公式近似计算:6.4.5抛物面天线的馈源

馈源(Feeds)是抛物面天线的基本组成部分，它的电性能和结构对天线有很大的影响。为了保证天线性能良好，对馈源有以下基本要求：（1）馈源应有确定的相位中心，并且此相位中心置于抛物面的焦点，以使口径上得到等相位分布。（2）馈源方向图的形状应尽量符合最佳照射，同时副瓣和后瓣尽量小，因为它们会使得天线的增益下降，副瓣电平抬高。（3）馈源应有较小的体积，以减少其对抛物面的口面的遮挡。（4）馈源应具有一定的带宽，因为抛物面天线的带宽主要取决于馈源的带宽。馈源的形式很多，所有弱方向性天线都可作抛物面天线的馈源。例如振子天线、喇叭天线、对数周期天线、螺旋天线等等。馈源的设计是抛物面天线设计的核心问题。现在的通信体制多样化，所以对馈源的要求也不尽相同，例如超宽频带、双极化以及双波束等等,高效率的馈源势必会有效地提高抛物面天线的整体性能。6.4.6抛物面天线的偏焦及应用由于安装等工程或设计