THz頻段反射面天線表面電阻引起的噪聲溫度和增益損失的計算

THz頻段反射面天線表面電阻引起的噪聲溫度和增益損失的計算

秦順友張文靜杜曉恒王聚亮任冀南（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所天線伺服專業(yè)部）2013年5月主要內(nèi)容：引言基本公式數(shù)值計算分析結(jié)束語參考文獻(xiàn)2013年全國微波毫米波年會

引言

近年來，隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，毫米波、亞毫米波和THz頻段的理論技術(shù)研究不斷深入，其應(yīng)用日益廣泛。毫米波波衛(wèi)星通信、THz頻段的空間遙感輻射計、天文望遠(yuǎn)鏡等已獲得實際應(yīng)用。

2013年全國微波毫米波年會毫米波衛(wèi)星通信：Ka、EHF和V頻段Ka-band:30/20GHzEHF-band:44/20GHzV-band:50/40GHz毫米波、亞毫米波、THz望遠(yuǎn)鏡工作頻率：75GHz375GHz美國和墨西哥合作研制50米毫米波望遠(yuǎn)鏡(1994--2009)ESA—PLANCK空間望遠(yuǎn)鏡ESA：Europeanspaceagency天線口徑：1.5米工作頻:100857GHz2013年全國微波毫米波年會ESA—Hersche空間望遠(yuǎn)鏡ESA：Europeanspaceagency天線口徑：3.5米工作頻率:4802700GHz2013年全國微波毫米波年會中德亞毫米波望遠(yuǎn)鏡2013年全國微波毫米波年會中德亞毫米波望遠(yuǎn)鏡，位于海拔4300米的西藏當(dāng)雄縣羊八井，天線口徑3米，觀測范圍為230GHz-1THz國內(nèi)口徑最大的毫米波望遠(yuǎn)鏡，天線口徑13.7米，觀測范圍為85GHz-115GHz青海德令哈毫米波望遠(yuǎn)鏡隨著機(jī)載、車載和船載通信技術(shù)的發(fā)展，對天線重量控制非常嚴(yán)格。由于碳纖維復(fù)合材料具有比強度高、比模量高和線膨脹系數(shù)低的特點，是制造重量輕、高精度天線的理想材料。

毫米波碳纖維天線碳纖維反射面

天線效率和噪聲溫度是天線重要參數(shù)。天線效率

主副鏡漏失效率口面照射效率遮擋效率表面公差效率交叉極化效率

歐姆損耗效率失配效率饋源相心偏差效率饋源插損效率

天線噪聲溫度主要由天空噪聲、地面噪聲、天線表面歐姆損耗噪聲和饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗噪聲組成。TfeedTgroundT

微波頻段，反射面天線表面電阻引起增益損失和噪聲溫度很小，通?？梢院雎?，但在毫米波和亞毫米波頻段，乃至THz波段，金屬的反射率對有些應(yīng)用系統(tǒng)的靈敏度、精度和傳輸性能等有很大影響。天線金屬表面反射損耗是不可忽略的。2013年全國微波毫米波年會基本公式

i

r天線金屬導(dǎo)體面入射波反射波反射面天線金屬表面電磁波傳播示意圖圖1：2013年全國微波毫米波年會入射波玻印廷定理可知：入射波的總功率：進(jìn)一步化簡可得：由反射定理可得反射波方程：反射波功率：損耗功率：由電磁波的傳播理論可知：電磁波在金屬導(dǎo)體界面的反射系數(shù)為：

2013年全國微波毫米波年會對于金屬表面，其表面電阻Rs和相對復(fù)介電常數(shù)r可用下式進(jìn)行計算：

對于金屬良導(dǎo)體，其電導(dǎo)率趨于無窮大，表面阻抗趨于零，

/0>>1，則可以利用下面近似公式：

2013年全國微波毫米波年會將近似公式帶入反射系數(shù)公式進(jìn)行化簡得：由于（0/Rs）2>>2

2013年全國微波毫米波年會增益損失：損耗效率：入射波為線極化，電場垂直入射面，E1=0入射波為線極化，電場平行入射面，E2=0入射波為圓極化，E2=E1同理由反射面天線表面的反射系數(shù)，可計算歐姆損耗引起的天線噪聲溫度為：2013年全國微波毫米波年會2013年全國微波毫米波年會3數(shù)值計算分析

由前面分析可知：只要知道天線表面電導(dǎo)率、工作頻率和電磁波入射角，很容易計算天線表面歐姆損耗引起的天線噪聲溫度和增益損失。表1所示，為常用高反射率金屬的電導(dǎo)率參數(shù)。表1高反射率金屬的電導(dǎo)率金屬材料電導(dǎo)率(S/m)銀6.17107銅5.81107金4.10107鋁3.821072A12鋁合金2.301072013年全國微波毫米波年會對于反射面天線，電磁波的最小入射角為0，最大入射角max由下式計算

如圖2和圖3所示，給出了常用的2A12鋁合金面板，電磁波垂直入射時，單反射面天線表面電阻引起的天線噪聲溫度和增益損失計算結(jié)果。

頻率/GHz增益損失/dB圖2：2013年全國微波毫米波年會98.63%99.77%頻率/GHz噪聲溫度/K圖3：2013年全國微波毫米波年會圖4給出了頻率為5000GHz時，2A12鋁合金面板，不同極化電磁波天線歐姆損耗引起的天線噪聲溫度隨入射角的變化曲線。電磁波入射角

i/()水平極化圓極化垂直極化頻率:5000GHz噪聲溫度/K2013年全國微波毫米波年會圖4：圖4計算結(jié)果表明：隨著電磁波入射角的增大，入射電磁波為水平極化時，反射面天線表面電阻引起的天線噪聲溫度隨入射角的增大而增加；垂直極化隨電磁波入射角的增大而減??；圓極化波隨入射角增大變化緩慢，由增大趨勢。2013年全國微波毫米波年會圖5給出了頻率為5000GHz時，2A12鋁合金面板，不同極化電磁波天線歐姆損耗引起的天線增益損失隨入射角的變化曲線。

水平極化垂直極化頻率:5000GHz電磁波入射角

i/()增益損失/dB2013年全國微波毫米波年會圖5：98.63%99.54%圖5計算結(jié)果表明：隨著電磁波入射角的增大，入射電磁波為水平極化時，反射面天線表面電阻引起的天線增益損失隨入射角的增大而增加；垂直極化隨電磁波入射角的增大而減??；圓極化波隨入射角增大變化緩慢，由增大趨勢。

2013年全國微波毫米波年會結(jié)束語在THz應(yīng)用系統(tǒng)中，天線作為設(shè)備發(fā)射或接收電磁波的重要部件，其噪聲溫度和增益是天線的重要電性能參數(shù)。由于反射面天線金屬表面電阻的影響，從而引起天線噪聲溫度的增加，天線增益降低，這些性能直接影響低噪聲應(yīng)用系統(tǒng)的靈敏度。本文利用金屬導(dǎo)體表面不同極化的電磁波傳播的反射