天线原理与技术 课件 第8章 反射面天线.pptx

第8章反射面天线;

反射面天线技术的发展大致可分为以下几个阶段。

(1)初级阶段：这一阶段主要是解决雷达、通信的应用问题。

(2)发展阶段：相比初级阶段，在这一时期，接收系统使用了制冷装置，其本身噪声温度较低，这样对天线及其馈源所贡献的噪声温度就需引起重视，并且提出了以品质因数作为衡量天线性能的标准，这就要求天线及其馈源系统有低的噪声温度和高的天线效率，于是发展出了后馈式的卡塞格伦天线和格里高利天线。;

(3)频谱复用和低旁瓣技术阶段：这一阶段低噪声放大器(LNA)开始得到使用，必然要求天线和馈源的噪声温度进一步降低。在应用于卫星通信时，由于卫星的增多，必须减小相邻卫星之间的干扰，使反射面天线具有低旁瓣方向图的包络要求。

(4)新型反射面天线发展阶段：由于频率和带宽不够用，故拓宽频带成为这一阶段的主要任务。现在反射面天线的工作频率已经达到太赫兹频段。;

8.1抛物面天线的基本特性;

;

8.1.1抛物线方程

以旋转抛物面为例，它是由抛物线绕其对称轴旋转而成的。选取如图8.1.2所示的直角坐标系，直角坐标系的原点取在焦点F处，下面对抛物面在yOz平面内的截线(抛物线)进行分析。

抛物线在直角坐标系内的方程为

其中，f为焦距。;

;

在yOz面内建立坐标系ρ－θ，极坐标的原点同样取在焦点F处，F到抛物面上任意点P的距离为ρ，FP与z轴的夹角为θ，则极坐标下的抛物线方程为

或;

8.1.2抛物面的几何特性和光学特性

1.抛物面的几何特性

旋转抛物面的几何特性如下：

(1)由焦点发出的射线经抛物面反射后反射线都平行于对称轴。根据抛物线的几何特性可知∠a1=∠a2，如图8.1.2中所示，证明如下。;;

(2)由焦点发出的射线经抛物面反射后到达此平面的距离为一个常数，即;

2.抛物面的光学特性

抛物面的光学特性如下：

(1)由抛物面焦点F发出的射线经抛物面反射后，所有的反射线都与抛物面的对称轴平行。在焦点处的馈源辐射的球面波经抛物面反射后变成平行的电磁波束。相反，当平行的电磁波沿抛物面的对称轴入射到抛物面上时，被抛物面会聚于焦点。

(2)由焦点处发出的球面波经抛物面反射后，在口径上形成平面波前，口径上的场处处同相。相反，当平面电磁波沿抛物面对称轴入射时，经抛物面反射后不仅会聚于焦点，而且相位相同。;?;

在抛物面的边缘z=f-L处，有

因此，可得到抛物面深度L的表达式为

对于抛物面而言，口径D和焦径比f/D确定以后，抛物面的形状也就确定了，如图8.1.3所示。;

;

根据焦径比f/D不同，抛物面天线可分为三类：

(1)当f/D1/4时，fL，θ090°，为短焦距抛物面天线;

(2)当f/D=1/4时，f=L，θ0=90°，为中焦距抛物面天线;

(3)当f/D1/4时，fL，θ090°，为长焦距抛物面天线。;

8.1.4口径场法

如上所述，口径场的相位是均匀的，口径场的幅度分布取决于馈源的辐射特性。首先假设馈源是位于焦点的各向同性点源，这样我们可单独分析反射面的作用。由于馈源辐射球面波，功率密度随1/ρ2衰减，经抛物面反射后变为平面波，平面波无扩散衰减，因而，在口径面上功率密度随1/ρ2变化，而场强随1/ρ变化。反射面产生一种固有的幅度衰减，称为空间衰减。;;;

整个抛物面天线系统的辐射方向图称为次级方向图，可由口径场计算。我们采用等效磁流公式，由式(7.1.18)辐射积分

辐射场则由式(7.1.28)得出。;

8.2抛物面天线的面电流法;

;;

通过远场近似，如图8.2.2所示，格林函数可写为

在球坐标中，观察点单位矢量为;

;

则式(8.2.5)变为

又通过矢量公式

则式(8.2.8)化简为;

由式(8.2.11)可见，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，就可计算出抛物面辐射的电磁场。当抛物面尺寸远远大于工作波长时，馈源发出的电磁波在抛物曲面上任意一点激励起的电流可以看成是电磁波在与该点相切的导体平面上激励起的电流。反射面上的面电流密度矢量为;;

8.3抛物面天线的电参数;

通常，辐射器的归一化功率方向函数可近似表示为

式中，i是方向函数指数，表示辐射器方向图的尖锐程度。;

我们已经知道天线在最大辐射方向的辐射场强为

式中，Pr为辐射器的辐射功率，ρ为辐射器到抛物面的径向距离。把式(8.1.3)代入式(8.3.3)，可得天线口面P点的场的振幅为;

天线的方向系数为D=2(2i+1)，将F1(ψ)和D代入式(8.3.4)，得到抛物面口面场的一般表达式为;

1.效率

对发射天线来说，天线效率是用来