反射面天线课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,反射面天线,反射面天线结构简单，易于设计且性能优越，在分米波段和毫米波段获得了广泛应用，包括卫星通信、远程通信、跟踪雷达、气象雷达和射电天文望远镜等。,反射面天线通常由馈源和反射面组成。馈源可以是振子、喇叭、缝隙等弱方向性天线，反射面可以是旋转抛物面、切割抛物面、柱形抛物面、球面、平面等。,1.,单反射面天线,旋转抛物面天线,最简单的反射面天线由两个部分组成：一个大的反射面和一个非常小的馈源。最常见的形式是抛物面天线，其反射面是一个旋转抛物面。,旋转抛物面的几何关系,旋转抛物面是由抛物线绕轴旋转一周形成的。抛物线在如图所示的直角坐标系中的方程为：,式中，,f,为抛物线焦距，,z=f的点称为焦点。,设抛物线上任意一点P(x,z)与F距离为 ，FP与FO夹角为 ，,则代入式(1.1)得到抛物线的极坐标方程,抛物线的两个重要性质,(1)由P点作PA平行于z轴，则PF和PA与P点抛物线的法线夹角相等。,证明 P点抛物线的切向和法向单位矢量为,式中 ，由式(1-1)得到。设PF与 的夹角为 ，PA与 的夹角为 ，则,因此 。,抛物线的两个重要性质,(2)常数,证明 由(1-2)得,将抛物线截取 的部分并绕,z,轴旋转就得到旋转抛物面。,下图根据不同分析方法的需要，建立了五套坐标系：原点为,O的直角坐标系 与圆柱坐标系 ，原点为F的球坐标系 、以及原点为F的直角坐标系 。,根据抛物线的上述性质可得抛物面的下述两个重要性质：,（,1,）从焦点出发的任一根射线经过抛物面反射，得到的反射线都与抛物面的轴线平行，反之亦然。,（,2,）从焦点发出的射线经过抛物面任一点反射后到达的口径面的距离相等，即口径面为一等相面。因此置于焦点的馈源所辐射的球面波经过抛物面反射后变成沿抛物面轴线,+z方向传播的平面波。,这两条重要性质可以用来形成具有尖锐波瓣的天线即抛物面天线。如果在焦点F放置一个波瓣较宽的馈源，并且焦点与抛物面的距离远大于波长，则照射在抛物面上的是馈源的远区场，其波阵面近似为球面，如果抛物面半径也远大于波长，则在局部区域内此球面波可看成是局部平面波，从而可根据均匀平面波在无穷大导电平面上的反射特性决定抛物面上的电流及反射波。根据抛物面的性质可知，反射波的传播方向是+z方向，并在抛物面口径上形成等相场分布。把口径上的场分布看成是等效场源，如果口径半径远大于波长，则可得到主瓣最强方向在+z方向的尖锐波瓣，如果几何光学是一个严格解，则辐射波束的宽度为零。,设抛物面截获的功率为 则由漏溢所引起的效率为,则抛物面天线增益为,即,这里已设 ，即将抛物面天线方向系数视为其增益（忽略天线本身的损耗，取辐射效率 ）。为口径效率，,称为天线效率。,抛物面天线的增益计算,2.卡塞格伦天线,卡塞格伦天线作为双反射面天线的一种，其工作原理和抛物面天线具有相似之处。抛物面天线利用了抛物面的反射特性，馈源位于抛物面的焦点上，直接照射到抛物面口径上，结构和工作原理简单，但却不能很好地通过调整馈源特性来控制天线口径面上的波束和功率分布。卡塞格伦天线由于引入了双曲副面，并将前馈式馈源结构变为后馈式的馈源结构天线，使得馈源辐射出的电磁波经副面与主面两次反射，到达主面口径面上。所以卡式天线能够很好地控制天线口径面上的场分布,卡式天线最大的优点是馈源天线距离主反射面顶点较近，在实际测量中使得进入馈源区调整馈源更为方便，有利于在馈源后面紧接高频和差器以用作单脉冲天线，也有利于在馈源后面安装冷参接收装置以用作低噪声天线。并且减少了支撑馈源的硬件问题，减小了损耗。,卡式天线的几何参数,卡式天线有七个几何参数：,:抛物面的口径直径，也是卡式天线的口径直径；,:抛物面的焦距，也是卡式天线的焦距；,:抛物面的半张角，即馈源对主面的半照射角；,:双曲面的直径，即卡式天线副面直径；,:实、虚焦点之间的距离，即双曲面,的焦距。,:馈源对副面的半照射角；,为双叶双曲面两顶点距离的一,半，,e,为双曲面的离心率；,主面三个参数之间的关系为：,双曲面参数有直径 ，焦距 ,，和 等。,因为,得,并有,又有2 等于边缘点H到两焦点距离之差，即,将上面两式相除，得,即,(2-1),(2-2),(2-3),根据卡式天线的七个几何参数 ，任意取4个，其余3个可根据式(2-1)、式(2-2)及式(2-3)唯一确定。,卡式天线增益由面天线理论可以表示为：,其对应的分贝数为,式中 是口径直径波长比；是天线的效率，和工作波长有关，一般取0.5,0.6。,半功率波束宽度为,根据上面的增益公式可以知道，在 一定时，提高效率 成为增大G的唯一途径。在实际设计中，天线增益的计算往往可以归结为天线效率的计算。,使天线效率降低的因素很多，但主要来自以下三个方面：一是馈源辐射的功率有一部分从主面和副面的边缘漏过，没有照射到主面；二是口径上场的分布不够均匀，使口径面积不能获得充分利用；三是副面和支杆的遮挡作用。,对于标准的卡式天线，以上因素中有的是彼此矛盾的，比如说减小副面遮挡就要增加副面漏泄功率和绕射损失；又如降低副面泄露就要增加口径振幅分布的不均匀性。在设计天线时应根据性能指标，比如天线增益或者回波损耗，加以权衡和侧重。,口径遮挡效应与设计原则,卡式天线的设计关键问题是选择副面大小,和馈源位置。为使口径遮挡小，希望选择,小的副面，但 也随之减小。为保持副面,边缘照射电平不变，则要求馈源尺寸加大，,这将导致馈源遮挡超过副面遮挡。这样，,最小遮挡发生于副面遮挡与馈源遮挡相等,时，即,因,并取 为馈源的10dB宽度：,为10dB波束宽度系数，对一般馈源喇叭，可取 。于是,代入,(2-4),得到,故有,称为副面最小遮挡直径。,副面最小遮挡口径,口径遮挡效应与设计原则,此时遮挡面积比为,这表明，愈大，遮挡比愈小。因此，,卡式天线一般适用于 的场合。,当 时，一般按照式(2-5)选取 ；,若 ，可取 ，以使馈源,小些。只要 ，副面遮挡损失将小于0.1dB，但它随 的增大迅速增大。,当 ，以及 选定后，需要选择 以确定馈源位置和大小。这需要作两方面权衡：若 取小，馈源尺寸小些，但馈源支杆或圆锥筒长；若 取大，则馈源尺寸大，轴向长度长，造价高。当上述4参数确定后，卡式系统其他几何参数便都可以确定了。,副面最小遮挡口径,3.其他形式反射面天线,前面讲的反射面天线中的馈源和支撑杆对反射面反射的波束会形成遮挡，这种遮挡作用不但会降低天线的增益，而且会使副瓣电平增加。消除馈源和支撑杆遮挡的一种有效的方法是采用偏置抛物反射面。将圆形截面的抛物面的一部分切去，使焦点处在反射面主波束之外就构成偏置抛物面天线。提高增益的代价是增大了交叉极化电平，因为这种结构不再具有圆对称性，而非对称性增大了交叉极化辐射。即使馈源辐射不含交叉极化成分，反射面本身也将导致去极化作用的出现。在简单的偏置反射面系统中，交叉极化电平的典型值可达-25,-20dB。,(f)偏置抛物面天线,