第6章面狀天線

1、第第6章章 面狀天線面狀天線呂劍剛信息與電氣工程學院但在微波波段，廣泛使用的是金屬導體構成的口徑天線和反射面天線，這類天線統(tǒng)稱為面狀天線。喇叭天線 拋物面天線 卡塞格倫天線 面天線類型面狀天線主要有喇叭天線、拋物面天線和卡塞格倫天線l面狀天線由兩部分構成：一部分是初級饋源，它的作用是將無線電設備中的高頻電磁能量轉換為向空間輻射的電磁能量，通常由對稱振子、縫隙或喇叭構成。l另一部分是輻射口面，它的作用是將初級饋源輻射的電磁波形成所需要的方向性波束，常見的口面有喇叭口面、拋物面口面等。l面狀天線廣泛應用于雷達、微波中繼、導航、衛(wèi)星通信、射電天文及氣象中。主要內容：主要內容：l6.1 等效原理和面元

2、的輻射場l6.2 口面場的一般表達式l6.3 口面場輻射特性的一般分析l6.4 喇叭天線l6.5 拋物面天線l6.6 卡塞格倫天線l面狀天線的分析方法與線式天線相類似，先求輻射場，然后求方向系數(shù)和阻抗等。l直接求解復雜，通常用近似求解方法。l波動光學法：對場的求解分為兩個獨立問題，一、求解包圍天線的某一封閉空間V內的場，即求解內部場。二、根據(jù)惠更斯原理，由封閉面上的場分布求解V以外的其他空間的場，即求解外部場。6.1 等效原理和面元的輻射場等效原理和面元的輻射場6.1.1 6.1.1 惠更斯原理惠更斯原理l惠更斯原理：在波傳播的過程中，任一波前面上的各點，都可以當作是新的波源，輻射次級波。所有

3、這些次級波又構成了新的波前。將波前上的任一點波源叫做面元，又稱為惠更斯波源。l費涅爾后來又發(fā)展了惠更斯原理，進一步假設從任一波前面上各點發(fā)出的子波同時傳到空間某一點M時，該點的場強大小是各子波在這點場強的矢量疊加。l因此球解空間某一點場強時，不一定從激勵源出發(fā)求解，可以把實際場源產(chǎn)生的波的某一波前面上場強分布作為次級波源來求解。6.1.2 6.1.2 等效原理等效原理6.1.3 6.1.3 面元的輻射場面元的輻射場面元上的電磁場面元上的電磁場等效面電流密度與等效面磁流密等效面電流密度與等效面磁流密度度面元方向圖面元方向圖P181，圖，圖5.7l面元是面狀天線的基本輻射單元，在計算面狀天線在空間

4、的輻射場時，需要利用面元的輻射場采用積分的方法求得。6.2 6.2 口面場的一般表達式口面場的一般表達式6.3 口面場輻射特性的一般分析口面場輻射特性的一般分析6.4 喇叭天線喇叭天線6.4.1 喇叭天線的結構及分類喇叭天線的結構及分類 6.4.2 喇叭天線的口面場分布規(guī)律喇叭天線的口面場分布規(guī)律6.4.3 喇叭天線輻射場的方向性與最佳喇叭喇叭天線輻射場的方向性與最佳喇叭6.4.1 6.4.1 喇叭天線的結構及分類 可以看出，不管什么形狀，就其結構來講可以看成由兩大部分構成：一是波導管部分，一是波導管部分，橫截面有矩形，也有圓形；二是真正的喇叭天線部分二是真正的喇叭天線部分。 波導部分相當于線

5、天線中的饋線，是供給喇叭天線信號和能量的部分。對工作于厘米波或毫米波段內的面天線，如采用線狀饋線，將因饋線自身的輻射損耗太大不能把能量傳送到面天線上，所以，必須采用自身屏蔽效果很好的波導管波導管作饋線。矩形波導的橫向解HHmanbeEjknbHmaxnby eEjkmaHmaxnby eEHkmaHmaxzzxczyczzxc02020200coscoscossinsincossincoscossinnby eHknbHmaxnby ezycz20kkkmanbcxy22222上面稱為上面稱為TEmn波波 m表示表示x方向變化的半周期數(shù)方向變化的半周期數(shù) (即小即小大大小小) n表示表示y方向

6、變化的半周期數(shù)。方向變化的半周期數(shù)。6.4.2 矩形喇叭天線口面場分布規(guī)律 1、矩形喇叭天線的口面矩形喇叭天線的口面場結構場結構 為了說明喇叭天線的口面場結構，可用一個矩形喇叭來說明。右圖畫出了一個矩形扇形喇叭天線的場分布圖。 （1）當矩形波導前端面開口時，也同樣能產(chǎn)生電磁輻射，只是因為口面直徑太小，按面天線理論，口面積越大，輻射場越強，方向性越好。這樣由矩形波導前端面產(chǎn)生的輻射場強將較弱，方向性也相對較差。如果采用開口形狀喇叭，口面積相對增大，輻射場也將增強； （2）當矩形波導前端開口時，將造成電磁波在波導內、外的存在空間不同。兩個大小不同的空間環(huán)境對電磁波呈現(xiàn)的阻抗也不相同，其結果就是電磁

7、波在波導中形成駐波形式，影響能量傳輸。如把波導開口做成喇叭形狀，可以使電磁波由波導傳到大空間時有一個漸變過程或過渡過程，這樣能減緩阻抗的驟變，使電磁波在波導內傳輸時的駐波成份減少，有利于提高能量在波導中的傳輸效率。2、矩形喇叭天線口面場相位分布特點3、矩形喇叭天線口面場振幅分布l對于矩形喇叭天線，可以看成是由矩形波導沿不同邊逐漸張開而形成，因此，在矩形喇叭天線中，其口面場相位除隨變化邊坐標按平方律分布外，振幅總是隨寬邊x按余弦規(guī)律分布。把三種喇叭天線口面場振幅和相位隨寬邊x和窄邊y的分布用數(shù)學式子表示出來就是：6.4.3 喇叭天線輻射場的方向性與最佳喇叭 E面喇叭的E面方向圖 H面喇叭的H面方

8、向圖2、矩形喇叭的方向系數(shù)與最佳喇叭6.5 拋物面天線拋物面天線6.6 卡塞格倫天線卡塞格倫天線 卡塞格倫天線的工作原理是，根據(jù)雙曲面的性質，由F2發(fā)出的電磁波被副面反射，其反射的電磁波方向可以看成是共軛焦點F1發(fā)出的射線方向。又因為F1是拋 物面的焦點，所以，由F2發(fā)出的電磁波經(jīng)副反射面和主反射面反射后，在口徑面形成同相場，從而得到平行于軸向的電磁輻射波。 卡塞格倫天線由三部分組成：1、主反射面（旋轉拋物面）2、副反射面（雙曲面）3、饋電喇叭其他類型的天線其他類型的天線l微帶天線l智能天線第第7章章 電波傳播電波傳播l電波傳播的基本知識l空間波傳播l地面波傳播l天波傳播l外層空間傳播天線制造和測量天線制造和測量l天線制造l天線測量基礎l阻抗、S11、VSWR和回損測量l輻射模式測量l增益測量天線制造天線制造l導電材料（導電率越高越好） 機械、環(huán)境、成本、重量 銅（黃銅、青銅）、鋁l介質材料 天線測量天線測量l阻抗 輸入阻抗、S11、VSWR（電壓駐波比）、回損l輻射特性 復雜、耗時測量基礎測量基礎l散射參數(shù)網(wǎng)絡分析儀網(wǎng)絡分析儀l標量網(wǎng)絡分析儀（SNA） 測量參數(shù)的幅度，如VSWR、回損，增益等l矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA） 測量參數(shù)幅度和相位VNAl透射測量 增益、插入損耗、插入相位、透射系數(shù)（S12，S21）、電長度、電延遲、