第八章 工程中常用的典型天线.ppt

第八章 口径天线,微波技术与天线,电子科技大学,电子工程学院,*,*,第八章 口径天线,口径面天线,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,E,sx,切向磁场为,H,sy,。,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：,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,:,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,:,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,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（）,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,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：,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；,3),方向系数：,式中,为口径利用系数。口径场余弦分布时，,=0.81,；,口径场均匀分布时，,=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。,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,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,m,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。,喇叭天线,矩形喇叭：,矩形喇叭口径场分布,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,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,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,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,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。,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：,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。,（,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,P,投射到反射面上的功率为,P,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,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,11 dB,。,4,、抛物面天线对馈源的基本要求,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；,具有确定的相位中心，以保证抛物面口径场相位相同；,尺寸应尽可能地小,以减少对口径的遮挡；,应具有一定的带宽。,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。,双反射面天线特点：,优点：等效焦距长；,缺点：结构复杂，副反射面遮挡较大。,特性,1,：从馈源发射的电磁波经副反射面反射后，所有射线反向延长线汇聚于,P2,，即可,等效为馈源位于,F2,点的抛物面天线,；,特性,2,：,从馈源辐射的电磁波经副反射面、主反射面反射，到达口径面时经过的波程相等,平面波,。,第六章 工程中常用的典型天线,