天線原理與設計課件6.3各論

1、6.3 卡塞格倫天線 卡塞格倫天線是由卡塞格倫光學望遠鏡發(fā)展起來的一種微波天線，它在單脈沖雷達、衛(wèi)星通信以及射電天文等領域中得到了廣泛的應用。 如圖1所示，標準的卡塞格倫天線由饋源、主反射面以及副反射面組成。主反射面為旋轉(zhuǎn)拋物面M，副反射面為雙曲面N。主、副反射面的對稱軸重合，雙曲面的實焦點位于拋物面的頂點附近，饋源置于該位置上，其虛焦點和拋物面的焦點重合。圖1 卡塞格倫天線的結(jié)構(gòu) 根據(jù)雙曲線的幾何性質(zhì)，置于其實焦點FP上的饋源向雙曲面輻射球面波，經(jīng)雙曲面反射后，所有的反射線的反向延長線匯聚于虛焦點F，并且反射波的等相位面為以F點為中心的球面。由于此點重合于拋物面的焦點，因此對于拋物面而言,相

2、當于在其焦點處放置了一個等效球面波源，拋物面的口徑仍然為一等相位面。但是相對于單反射面的拋物面天線而言，由饋源到口徑的路程變長，因此卡塞格倫天線等效于焦距變長的拋物面天線。 與拋物面天線相比，卡塞格倫天線具有以下的優(yōu)點： （1）以較短的縱向尺寸實現(xiàn)了長焦距拋物面天線的口徑場分布，因而具有高增益，銳波束； （2）由于饋源后饋，縮短了饋線長度，減少了由傳輸線帶來的噪聲； （3）設計時自由度多，可以靈活地選取主射面、反射面形狀，對波束賦形。 卡塞格倫天線存在著如下缺點：卡塞格倫天線的副反射面的邊緣繞射效應較大，容易引起主面口徑場分布的畸變，副面的遮擋也會使方向圖變形。 標準的卡塞格倫天線和普通單反射

3、面天線都存在著要求對口面照射盡可能均勻和要求從反射面邊緣溢出的能量盡可能少的矛盾，從而限制了反射面天線增益因子的提高。不過，可以通過修正卡塞格倫天線副反射面的形狀，使其頂點附近的形狀較標準的雙曲面更凸起一些，則饋源輻射到修正后的副反射面中央附近的能量就會被向外擴散到主反射面的非中央部分，從而使得口徑場振幅分布趨于均勻。如此，就能以很低的副面邊緣電平來保證較大的截獲效率，同時又可實現(xiàn)口徑場較為均勻的振幅分布。 在此基礎上，再進一步修正主面形狀以確保口徑場為同相場，最終可以提高增益系數(shù)。這種修改主、副面形狀后的天線，稱為改進型卡塞格倫天線，它是可以提高天線增益因子的研究成果之一。改進型卡塞格倫天線

4、與高效率饋源相結(jié)合，將可使天線增益因子達到0.70.85，因而其在實踐中已得到較多的應用。 表1中列舉了在無線電技術設備中三種實際使用的天線的電參數(shù)，以供參考。 表1 三種實際天線的電參數(shù) 6.4 喇叭拋物面天線 無論拋物面天線還是卡塞格倫天線,都會有一部分由反射面返回的能量被饋源重新吸收，這種現(xiàn)象被稱為陰影效應。陰影效應不僅破壞了天線的方向圖形狀，降低了增益系數(shù)，加大了副瓣電平，而且破壞了饋源與傳輸線的匹配。盡管可以采用一些措施來加以改善，但是會由此縮小天線的工作帶寬，很難做到寬頻帶尤其是多頻段。 假如我們能把饋源移出二次場的區(qū)域，則上面所提到的陰影效應也就可以避免了。喇叭拋物面天線正是基于

5、這種考慮提出的。 喇叭拋物面天線是由角錐喇叭饋源及拋物面的一部分構(gòu)成的。饋源喇叭置于拋物面的焦點，并將喇叭的三個面延伸與拋物面相接，在拋物面正前方留一個口，讓經(jīng)由拋物面反射的電波發(fā)射出來。其天線的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 喇叭拋物面天線結(jié)構(gòu) 喇叭拋物面天線是由角錐喇叭饋源及拋物面的一部分構(gòu)成的。饋源喇叭置于拋物面的焦點，并將喇叭的三個面延伸與拋物面相接，在拋物面正前方留一個口，讓經(jīng)由拋物面反射的電波發(fā)射出來。其天線的結(jié)構(gòu)如圖3所示。喇叭拋物面天線的工作原理與一般拋物面天線的工作原理相同，即將角錐喇叭輻射的球面波經(jīng)拋物面反射后變?yōu)槠矫娌ㄝ椛涑鋈?。從圖3可以看出，喇叭拋物面天線的波導軸x與拋物面的焦軸

6、z垂直，經(jīng)拋物面的反射波不再回到喇叭饋源，從而克服了拋物面天線的前述缺點 喇叭拋物面天線的喇叭張角20做得較小，一般取為3040；喇叭頂點到拋物面之長度h做得比較長，常取為(50100)；在喇叭與饋電波導之間接有一段長為(1015)的過渡段，以改善匹配性能。喇叭拋物面天線具有不少優(yōu)越性能：（1）由于喇叭很長，張角又不大，因此它的口徑場分布比較均勻，面積利用系數(shù)得到提高（65%）。（2）由于喇叭很長，還有過渡段，故特性阻抗變化緩慢，且消除了反射波對饋源的影響，因此可以在極寬的頻帶內(nèi)獲得較好的匹配（駐波比s1.2），如，這種天線可以同時工作于4、6和11GHz等幾個頻段。（3）由于這種天線三面皆由

7、金屬屏蔽，消除了因饋源量散開所產(chǎn)生的副瓣，反向輻射亦甚小。兩副并排放置的喇叭拋物面天線之間隔離度可達90dB（每副45dB），而兩副靠背喇叭拋物面天線之間的隔離度可達130dB（每副65dB）。 喇叭拋物面天線在實際電路上使用時，為了防止雨水、潮氣、塵埃等進入饋電喇叭內(nèi)，破壞天線的電氣性能，天線開口處用介質(zhì)密封，內(nèi)部充有加壓的干燥空氣或惰性氣體。這種天線雖然具有尺寸大、重量重、造價高等缺點，但由于其電氣性能良好，且可同時供幾個頻段的微波線路使用，因此，在多波道大容量微波干線通信中應用較廣。圖4 頻段復用天線結(jié)構(gòu)圖 喇叭拋物面天線雖然具有頻段復用能力，效率較高等優(yōu)點，但體積龐大笨重，加工密封不便

8、，成本也很高。為了達到既能頻段復用，又有良好的結(jié)構(gòu)特點的目的，研制出了改進型的頻段復用天線，其中最具有代表性的如圖4所示。它是一種偏置激勵的雙反射面天線，由一個小喇叭拋物面饋電及偏置的主、副反射面組成。這樣，既保證了天線有較高的效率，又避免了直接反射，以達到多頻段的良好匹配；天線頂部加罩吸收，避免了有害輻射；結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，而復用能力又比較強。 這種天線在結(jié)構(gòu)上與喇叭拋物面天線相比有效高度可以縮短一半，給裝置排列帶來方便；在充氣密封方面它只需要對小口徑饋電器進行密封，使工藝大為簡便。若采用多模及混合模喇叭，還可望在交叉極化去耦及口徑效率等方面有進一步的改進。 在結(jié)束這一章討論之前還應指出，旋轉(zhuǎn)拋物面天線和卡塞格倫天線產(chǎn)生的都是針狀波束，方向性強。但是，