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1、2014/4/16 Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 天线天线 Antennas 第第1515讲讲 抛物面天线抛物面天线 褚庆昕褚庆昕 华南理工大学电子与信息学院华南理工大学电子与信息学院 天线与射频技术研究所天线与射频技术研究所 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic &
2、Information Engineering 第第1515讲内容讲内容 引言引言 旋转抛物面天线旋转抛物面天线 卡塞格伦天线卡塞格伦天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 旋转抛物面天线是由馈源（初级辐射源）和抛物旋转抛物面天线是由馈源（初级辐射源）和抛物 面反射面（次级辐射器）所组成。面反射面（次级辐射器）所组成。 馈源产生弱方向性的球面波，经抛物面反射面后馈源产生
3、弱方向性的球面波，经抛物面反射面后 变成方向性尖锐的平面波。变成方向性尖锐的平面波。 15.1 15.1 旋转抛物面天线旋转抛物面天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering F F为抛物面的焦点。为抛物面的焦点。 f 为抛物面的焦距。为抛物面的焦距。 y y为从焦点发出的射线与轴线的夹角。为从焦点发出的射线与轴线的夹角。y y0 0为从焦点发出到抛物为从焦点发出到抛物 面边
4、缘的射线与轴线的夹角。面边缘的射线与轴线的夹角。 r r为从焦点发出与抛物面交点的距离。为从焦点发出与抛物面交点的距离。 D=2RD=2R0 0为抛物面的口径直径。为抛物面的口径直径。 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 抛物面在直角坐标系的几何关系抛物面在直角坐标系的几何关系 在极坐标系中：在极坐标系中： 旋转抛物面具有两个主要的几何特性：旋转抛物面具有两个主要的几何特
5、性： 由焦点由焦点F F出发的射线经抛物面反射后，反射线平出发的射线经抛物面反射后，反射线平 行于行于z z轴，形成一束平行线。反之，当平行线经轴，形成一束平行线。反之，当平行线经 抛物面反射后，全都会聚焦在焦点抛物面反射后，全都会聚焦在焦点F F。 由焦点由焦点F F发出并经抛物面反射的各条线到达口径发出并经抛物面反射的各条线到达口径 面（或垂直于面（或垂直于z z轴的任一平面）所走的路程相等。轴的任一平面）所走的路程相等。 这一路程为：这一路程为： 意味着焦点意味着焦点F F发出的球面波反射后成为平面波。发出的球面波反射后成为平面波。 22 4xyfz 2 sin,cos, 1 cos f
6、 yzfryry r y cos(1 cos)2LFMFMfrryry South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 令令y y= =y y0 0, ,则则y=D/2=D/2为为 口径面半径，可得：口径面半径，可得： 焦距口径比焦距口径比f/Df/D越大，越大， 天线波瓣越窄，增益天线波瓣越窄，增益 越高。越高。 给定增益，先确定口给定增益，先确定口 径径D D，再选定，再选定f/
7、Df/D，抛，抛 物面形状就确定了。物面形状就确定了。 由上式或右图可求出由上式或右图可求出 馈源需要照射的角度馈源需要照射的角度 2 2y y0 0，据此设计馈源。，据此设计馈源。 0 1 4tan 2 f D y South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 若给定馈源方向图和抛物面形状，则可求得口面若给定馈源方向图和抛物面形状，则可求得口面 场分布，进而求得抛物面天线场分布，
8、进而求得抛物面天线E E面和面和H H面的辐射场面的辐射场 和方向图。和方向图。 下图为馈源为带圆盘反射器的对称振子的旋转抛下图为馈源为带圆盘反射器的对称振子的旋转抛 物面天线在不同的口径焦距比时物面天线在不同的口径焦距比时计算得到的方向计算得到的方向 图曲线。图曲线。 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 不同不同D D/f 值时的主瓣宽度和旁瓣电平。随值时的主瓣宽度和旁
9、瓣电平。随D D/f 的变的变 小，口面张角小，口面张角y y0变小，方向图的主瓣变窄，旁瓣变小，方向图的主瓣变窄，旁瓣 升高。升高。 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 抛物面天线对馈源的要求抛物面天线对馈源的要求 馈源应有一个确定的等效相位中心，保证辐射馈源应有一个确定的等效相位中心，保证辐射 球面波，相位中心应该在焦点上，以使口径上球面波，相位中心应该在焦点上，以使
10、口径上 得到等相位分布。得到等相位分布。 馈源辐射最好是单向和旋转对称，且副瓣电平馈源辐射最好是单向和旋转对称，且副瓣电平 尽可能低。如果只要求天线增益最大，通常要尽可能低。如果只要求天线增益最大，通常要 求口面边缘的场较口面中心的场低求口面边缘的场较口面中心的场低10dB10dB左右。左右。 馈源及其支撑物对口面的遮挡应尽量小。馈源及其支撑物对口面的遮挡应尽量小。 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Informat
11、ion Engineering 同轴线馈电的振子型馈源同轴线馈电的振子型馈源 图图a:1a:1- -抛物面；抛物面；2 2- -同轴线；同轴线；3 3- -对称振子；对称振子；4 4- -反射圆反射圆 盘；盘；5 5- -短路塞；短路塞；6 6- -l l/4/4阻抗变换器；阻抗变换器；7 7- -l l/4/4扼流套；扼流套； 方向图近似为：方向图近似为： 图图b b是一种宽带馈源。馈源的相位中心位于振子和是一种宽带馈源。馈源的相位中心位于振子和 反射面之间，略靠近反射面。反射面之间，略靠近反射面。 2 0 cosEEy South China University of Technolog
12、y Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 波导馈电的振子型馈源波导馈电的振子型馈源 矩形波导传输矩形波导传输TETE10 10模激励。 模激励。 对称振子安装在伸进波导口的金属平板上。对称
13、振子安装在伸进波导口的金属平板上。 第一个振子长度略短于第一个振子长度略短于l l/2,/2,第二个振子略长于第二个振子略长于 l l/2/2。相距。相距l l/3/3- -l l/4,/4,相位中心在两个振子中间相位中心在两个振子中间 略靠近振子略靠近振子1 1。 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 喇叭馈源喇叭馈源 为了保证喇叭有确定的相位中心，使其辐射球面为了保证喇
14、叭有确定的相位中心，使其辐射球面 波，喇叭口面上的最大相位差不超过波，喇叭口面上的最大相位差不超过l l/4/4- -l l/2/2。 抛物面口面边缘的场要低于中心场抛物面口面边缘的场要低于中心场10dB,10dB,因此需因此需 要知道喇叭方向图的要知道喇叭方向图的10dB10dB波瓣宽度。对于角锥喇波瓣宽度。对于角锥喇 叭，其叭，其- -10dB10dB波瓣宽度按经验公式计算：波瓣宽度按经验公式计算： 2 1 288 23179 o E oo H D D l l South China University of Technology Research Institute of Antenn
15、as & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 偏置馈源偏置馈源 图图(a)(a)和图和图(b)(b)例子的缺点例子的缺点： （1 1）抛物面反射的波又回入初级天线，由于产生抛物面反射的波又回入初级天线，由于产生 互作用而失配。互作用而失配。 （2 2）初级天线起着障碍物的作用，遮挡了口径的）初级天线起着障碍物的作用，遮挡了口径的 中心部分而加大了副瓣。中心部分而加大了副瓣。 可采用偏置馈源解决上述问题。可采用偏置馈源解决上述问题。 South China University of Technology Re
16、search Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 三部分组成：主反射面（通常为抛物面）、副三部分组成：主反射面（通常为抛物面）、副 反射面（通常为双曲面）和馈源。反射面（通常为双曲面）和馈源。 由馈电发出
17、的电磁波到达副反射面由馈电发出的电磁波到达副反射面- -双曲面时，双曲面时， 被反射到主反射面被反射到主反射面- -抛物面上，而后再反射成平抛物面上，而后再反射成平 面波。因此，把前馈方式变为后馈方式。面波。因此，把前馈方式变为后馈方式。 15.2 15.2 卡塞格伦天线卡塞格伦天线 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 卡塞论天线的参数共有卡塞论天线的参数共有7 7个：个
18、：D D、f f、d d、fcfc，y y0 0、 0 0、LvLv。 独立的参数只有独立的参数只有4 4个，其余个，其余3 3个参数可由抛物面及个参数可由抛物面及 双曲面的性质求出。双曲面的性质求出。 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 双曲面的性质：双曲面的性质： （1 1）双曲线上任一点）双曲线上任一点N N到两个焦点的距离之差等于到两个焦点的距离之差等于 常数常数
19、 （2 2）点源由双曲线的实焦点）点源由双曲线的实焦点F F向另一条双曲线照射，向另一条双曲线照射， 不同点的反射线反向延长时，都相交于虚焦点不同点的反射线反向延长时，都相交于虚焦点FF。 因此，反射线犹如从位于因此，反射线犹如从位于FF点的点源所辐射出来。点的点源所辐射出来。 这说明，由实焦点这说明，由实焦点F F发出的球面波可以等效为从虚发出的球面波可以等效为从虚 焦点焦点FF发出。而双曲线的虚焦点发出。而双曲线的虚焦点FF又为抛物面又为抛物面 的焦点，故从焦点发出的球面波经抛物面反射后的焦点，故从焦点发出的球面波经抛物面反射后 必然成为口径面上的平面波必然成为口径面上的平面波 2a y
20、rr South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 下列下列3 3个方程表示卡塞论天线各参数之间的关系：个方程表示卡塞论天线各参数之间的关系： 离心率：离心率： 已知已知4 4个参数可获得其他个参数可获得其他3 3个。个。 0 00 00 00 4tan 2 2 cotcot 1 sin() 21 2 11 1 sin() 2 c v c D f f d L fe y y y y
21、00 00 1 sin() 1 2 12 sin()1 2 v c e L f y y South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 卡塞格伦天线的分析方法卡塞格伦天线的分析方法 虚馈源法：虚馈源法： 馈源辐射出的电磁波，经双曲面反射后到达馈源辐射出的电磁波，经双曲面反射后到达 抛物面，犹如放在虚焦点抛物面，犹如放在虚焦点F的馈源辐射出的的馈源辐射出的 电磁波。只是后者较前者少走了
22、电磁波。只是后者较前者少走了2a2a的路程。的路程。 卡塞伦天线的馈源口径尺寸与等效馈源相比，卡塞伦天线的馈源口径尺寸与等效馈源相比， 允许有一个较大的值，也就是馈源口径尺寸允许有一个较大的值，也就是馈源口径尺寸 的放大作用。的放大作用。 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 等效抛物面法：等效抛物面法： FNN经抛物面反射的经抛物面反射的 平行线和平行线和FNFN线的延伸
23、线的延伸 线得到交点线得到交点Q Q。从馈源。从馈源 向副反射面其他各点向副反射面其他各点 作一系列的射线，然作一系列的射线，然 后可得到一系列与后可得到一系列与Q Q点点 相类似的交点，这些相类似的交点，这些 交点形成的面为一抛交点形成的面为一抛 物面。这个抛物面叫物面。这个抛物面叫 做卡塞格伦天线的等做卡塞格伦天线的等 效抛物面。效抛物面。 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Enginee
24、ring 根据等效抛物面的形成过程，两根射线管（根据等效抛物面的形成过程，两根射线管（d dy y 和和d d ）在等效抛物面处的横截面相等。相对应）在等效抛物面处的横截面相等。相对应 的抛物面和等效抛物面反射的任意点能量密度的抛物面和等效抛物面反射的任意点能量密度 也相等，因此两者的口面场分布相同，辐射特也相等，因此两者的口面场分布相同，辐射特 性相同。这样，就可以用对抛物面天线的方法性相同。这样，就可以用对抛物面天线的方法 进行分析。进行分析。 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF
25、Techniques School of Electronic & Information Engineering 卡塞格伦天线的优点卡塞格伦天线的优点 提高了口面利用系数提高了口面利用系数 结构紧凑，馈电方便结构紧凑，馈电方便 缩短天线的纵向尺寸缩短天线的纵向尺寸 匹配好匹配好 比抛物面天线略高的效率比抛物面天线略高的效率 South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering South China University of Technology Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering 习题习题1515 1515- -1 1 简述旋转抛物面天线简述旋转抛物面天线和卡塞格伦天线的原和卡塞格伦天线的原 理，比较异同处，并作出评述。理，比较异同处，并作出评述。