天線原理與設(shè)計(jì)4.4-旋轉(zhuǎn)拋物面天線

8.4旋轉(zhuǎn)拋物面天線

旋轉(zhuǎn)拋物面天線是在通信、雷達(dá)和射電天文等系統(tǒng)中廣泛使用的一種天線,它是由兩部分組成的,其一是拋物線繞其焦軸旋轉(zhuǎn)而成的拋物反射面,反射面一般采用導(dǎo)電性能良好的金屬或在其它材料上敷以金屬層制成的導(dǎo)體表面或?qū)Ь€柵格網(wǎng)構(gòu)成;其二是置于拋物面焦點(diǎn)處的具有弱方向性的饋源（也稱照射器）,它可以是單個(gè)振子或振子陣，單喇叭或多喇叭，開槽天線等。利用拋物面的幾何特性，拋物面天線可以把方向性較弱的初級輻射器的輻射反射為方向性較強(qiáng)的輻射(手電筒)。饋源把高頻導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變成電磁波能量并投向拋物反射面,而拋物反射面將饋源投射過來的球面波沿拋物面的軸向反射出去,從而獲得很強(qiáng)的方向性。8－4旋轉(zhuǎn)拋物面天線（1）旋轉(zhuǎn)拋物面天線結(jié)構(gòu)（2）口徑場分布（3）遠(yuǎn)區(qū)場（4）口徑天線電參數(shù)由6-2-20and6-2-21積分得到E面和H面的輻射場旋轉(zhuǎn)拋物天線柱形拋物面天線切割拋物天線拋物線（POM）：焦點(diǎn)F，準(zhǔn)線M’’P’’，二者相距2f（焦距），拋物線上任意動點(diǎn)到準(zhǔn)線和焦點(diǎn)的距離相等。坐標(biāo)原點(diǎn)取在F點(diǎn)到準(zhǔn)線距離的中點(diǎn)。ψ為拋物線上任一點(diǎn)M到焦點(diǎn)的連線與焦軸(Oz)之間的夾角；ρ為點(diǎn)M與焦點(diǎn)F之間的距離。6.4.1幾何特性與工作原理r性質(zhì)1：如用FM代表F到拋物線上任意一點(diǎn)M的連線，MM’代表通過M點(diǎn)的一條平行于z軸的直線，則FM和MM’與拋物線的法線MN之間的夾角相等。性質(zhì)2：FM＋MM’和FP＋PP’分別代表由焦點(diǎn)F經(jīng)拋物面任意兩點(diǎn)反射后到達(dá)口徑面M’P’的距離（口徑面是垂直與z軸的平面）。FM＋MM’＝M”M’=P”P’=FP＋PP’＝常數(shù)一條拋物線繞其焦軸(Oz)旋轉(zhuǎn)所得的曲面就是旋轉(zhuǎn)拋物面。旋轉(zhuǎn)拋物面所滿足的直角坐標(biāo)方程為焦距口徑比注意：焦距口徑比f/D是一個(gè)重要的參數(shù)。從增益出發(fā)確定口徑D以后，如再選定f/D，則拋物面的形狀就可以確定了。根據(jù)式（8―4―8），再求出饋源需要照射的角度2Ψ0，也就給定了設(shè)計(jì)饋源的基本出發(fā)點(diǎn)。性質(zhì)1：如用FM代表F到拋物線上任意一點(diǎn)M的連線，MM’代表通過M點(diǎn)的一條平行于z軸的直線，則FM和MM’與拋物線的法線MN之間的夾角相等。性質(zhì)2：FM＋MM’和FP＋PP’分別代表由焦點(diǎn)F經(jīng)拋物面任意兩點(diǎn)反射后到達(dá)口徑面M’P’的距離。FM＋MM’＝M”M’=P”P’=FP＋PP’＝常數(shù)6.4.1幾何特性與工作原理rF

旋轉(zhuǎn)拋物面天線具有以下兩個(gè)重要性質(zhì)：（1）點(diǎn)F發(fā)出的光線經(jīng)拋物面反射后，所有的反射線都與拋物面軸線平行，即（2）由F點(diǎn)發(fā)出的球面波經(jīng)拋物面反射后成為平面波。等相面是垂直O(jiān)F的任一平面。即

注：以上兩個(gè)光學(xué)性質(zhì)是拋物面天線工作的基礎(chǔ)。如果饋源是理想的點(diǎn)源，拋物面尺寸無限大，則饋源輻射的球面波經(jīng)拋物面反射后，將成為理想的平面波?？紤]到一些實(shí)際情況，如反射面尺寸有限，口徑邊緣的繞射和相位畸變，盡管饋源的輻射經(jīng)拋物面反射以后不是理想的平面波，但是反射以后的方向性也會大大加強(qiáng)。

根據(jù)拋物面張角的大小，拋物面的形狀分為如圖8―4―3所示的三種。一般而言，長焦距拋物面天線電特性較好，但天線的縱向尺寸太長，使機(jī)械機(jī)構(gòu)復(fù)雜。分析方法通常采用兩種方法:

①口徑場法——根據(jù)上節(jié)提及的惠更斯原理,拋物面天線的輻射場可以用包圍源的任意封閉曲面（S′+S）上各次級波源產(chǎn)生的輻射場的疊加。對于具體的拋物面天線,S′為拋物面的外表面,S為拋物面的開口徑。這樣,在S′上的場為零,在口徑S上各點(diǎn)場的相位相同。所以只要求出口徑面上的場分布,就可以利用上節(jié)的圓口徑同相場的輻射公式來計(jì)算天線的輻射場。6.4.2

拋物面天線的口徑場分布口徑場法原理圖初級輻射源②面電流法——先求出饋源所輻射的電磁場在反射面上激勵的面電流密度分布,然后由面電流密度分布再求拋物面天線的輻射場。6.4.2

拋物面天線的口徑場分布拋物面天線的分析設(shè)計(jì)有一套成熟的方法,基本上采用幾何光學(xué)和物理光學(xué)導(dǎo)出口徑面上的場分布，然后依據(jù)口徑場分布，求出輻射場。由于拋物面天線是電大尺寸,用這種方法計(jì)算是合理的。計(jì)算口徑場分布時(shí),要依據(jù)兩個(gè)基本定律——幾何光學(xué)反射定律和能量守恒定律,

而且必須滿足如下假定:①饋源輻射理想的球面波,即它有一個(gè)確定的相位中心并與拋物面的焦點(diǎn)重合;②饋源的后向輻射為零;③拋物面的焦距遠(yuǎn)大于一個(gè)波長，因此反射面處于饋源遠(yuǎn)區(qū)，且對饋源的影響忽略；④服從幾何光學(xué)的反射定律（f>>λ時(shí)滿足）。6.4.2

拋物面天線的口徑場分布拋物面天線的分析設(shè)計(jì)有一套成熟的方法,基本上采用幾何光學(xué)和物理光學(xué)導(dǎo)出口徑面上的場分布，然后依據(jù)口徑場分布，求出輻射場。由于拋物面天線是電大尺寸,用這種方法計(jì)算是合理的。計(jì)算口徑場分布時(shí),要依據(jù)兩個(gè)基本定律——幾何光學(xué)反射定律和能量守恒定律,

而且必須滿足如下假定:必須滿足如下假定:①饋源輻射理想的球面波,即它有一個(gè)確定的相位中心并與拋物面的焦點(diǎn)重合;②饋源的后向輻射為零;③拋物面的焦距遠(yuǎn)大于一個(gè)波長，因此反射面處于饋源遠(yuǎn)區(qū)，且對饋源的影響忽略；④服從幾何光學(xué)的反射定律（f>>λ時(shí)滿足）。

根據(jù)拋物面的幾何特性，口徑場是一同相口徑面。設(shè)饋源的總輻射功率為Pr，方向系數(shù)為Df(ψ,ξ）則拋物面上M點(diǎn)的場強(qiáng)為:電磁波照射到理想導(dǎo)體表面發(fā)生全反射,反射波振幅與入射波振幅相等，并且由M點(diǎn)反射后的電磁波是平面波，平面波不擴(kuò)散（平面波在無耗介質(zhì)中傳播時(shí),振幅不發(fā)生衰減，電磁波的振幅不隨傳播距離的變化而變化），因而至口徑上M′場強(qiáng)的模值為帶入拋物面方程8.4.11式為拋物面天線口徑場振幅分布的表示式，可以看出：口徑場的振幅分布是Ψ的函數(shù)。五個(gè)坐標(biāo)系因而由M點(diǎn)反射至口徑上M’的場強(qiáng)為((1)電磁波照射到理想導(dǎo)體表面發(fā)生全反射,反射波振幅與入射波振幅相等(2)平面波在無耗介質(zhì)中傳播時(shí),振幅不發(fā)生衰減8.4.11式為拋物面天線口徑場振幅分布的表示式，可以看出：口徑場的振幅分布是Ψ的函數(shù)。F(Ψ,ξ)一般隨Ψ增大而下降，值小于1，因此口徑場在中心處為最大值，且口徑場隨著R的增加而減小（衰減）。6.4.11式為拋物面天線口徑場振幅分布的表示式，可以看出：口徑場的振幅分布是Ψ的函數(shù)。F(Ψ,ξ)一般隨Ψ增大而下降，值小于1，因此口徑場在中心處為最大值，且口徑場隨著R的增加而減?。ㄋp）?？诮?jīng)常衰減由兩個(gè)方面原因：(第一項(xiàng))由于饋源方向圖一般隨ψ增大而下降，是由于饋源天線的方向性引起的衰減.(第二項(xiàng))空間衰減因子是由于入射到拋物面的邊緣的射線長于入射到中心的射線，導(dǎo)致邊緣場擴(kuò)散，使得邊緣場較中心場強(qiáng)下降。因此拋物面口徑場沿徑向的減弱程度超過饋源方向圖的衰減程度，即下降得更快。這種情況，在短焦距拋物面天線中更為突出。理想點(diǎn)源天線在不同方向上單位立體角在拋物面上的面積不同，從而引起口徑場由中心向邊緣的衰減。電場強(qiáng)度與傳播距離成反比理想點(diǎn)源天線在不同方向上單位立體角在拋物面上的面積不同，從而引起口徑場由中心向邊緣的衰減

口徑場的極化情況決定于饋源類型與拋物面的形狀、尺寸。一般口徑場有兩個(gè)垂直極化分量。如圖所示,如果饋源的極化為y方向極化，則口徑場的極化可為x和y兩個(gè)極化方向。通常在長焦距情況下，口徑場Ey分量遠(yuǎn)大Ex分量，Ey為主極化分量，而Ex為交叉極化分量。長焦距場的極化短焦距場的極化如果是短焦距拋物面天線，口徑上還會出現(xiàn)反向場區(qū)域，它們將在最大輻射方向起抵消主場的作用，這些區(qū)域稱為有害區(qū)，因此一般不宜采用短焦距拋物面。若因某種特殊原因必須采用短焦距拋物面天線，則最好切去有害區(qū)(切割拋物面天線)。如果饋源方向圖具有理想的軸對稱，則口徑場無交叉極化分量。由于對稱的關(guān)系，交叉極化分量Ex，在兩個(gè)主平面內(nèi)的貢獻(xiàn)為零，而在其它平面內(nèi)，交義極化的影響必須考慮，6.4.3拋物面天線的輻射場求出了拋物面天線的口徑場分布以后，就可以利用圓形同相口徑輻射場積分表達(dá)式來計(jì)算拋物面天線E、H面的輻射場和方向圖?？趶缴系淖鴺?biāo)關(guān)系為：將8.4.14入式（8.2.20）和（8.2.21）得E面、H面的輻射場為故E面、H面的方向函數(shù)為圖8―4―7饋源為帶圓盤反射器的偶極子的拋物面天線方向圖(a)H面(b)E面如果饋源為沿y軸放置的帶圓盤反射器的偶極子，圖8.4.7計(jì)算了這種饋源的旋轉(zhuǎn)拋物面天線在不同條件下兩主平面方向圖。從圖中可以看出，由于饋源在E面方向性較強(qiáng)，對拋物面E面的照射不如H面均勻，故拋物面天線的H面方向性反而強(qiáng)于E面方向性?？趶皆酱?，則方向性越強(qiáng)。當(dāng)口徑電尺寸一定時(shí)，口徑場分布越均勻，其面積利用系數(shù)越大，方向系數(shù)越大，但是副瓣電平越高偶極子圓盤反射器6.4.4拋物面天線的方向系數(shù)和增益系數(shù)拋物面天線的方向系數(shù)仍然由式（6.2.9）即:

來計(jì)算。其中，υ為面積利用系數(shù)；

為拋物面的口徑面積。超高頻天線中，由于天線本身的損耗很小，可以認(rèn)為天線效率η＝1，所以G＝D，但在拋物面天線中，天線口徑截獲的功率Prs只是饋源所輻射的總功率Pr的一部分，還有一部分漏失功率。對于張角為ψ0旋轉(zhuǎn)拋物面來說定義漏失效率（截獲效率）饋源天線的方向性越強(qiáng)（越不均勻），截獲效率越高面積利用系數(shù)面積利用系數(shù)ν反映了口徑場分布的均勻程度，口徑場分布越均勻，ν值越大，當(dāng)口徑面均勻分布時(shí)ν=1，方向系數(shù)越大；饋源天線的方向性越強(qiáng)（越不均勻），截獲效率越高；而此時(shí)口徑場的分布也會越加不均勻，口徑場分布不均勻?qū)е旅娣e利用系數(shù)ν下降；因此增益因子存在一個(gè)最佳值。

如果饋源方向性也是旋轉(zhuǎn)對稱的，其歸一化方向函數(shù)為F(Ψ)，下面將分別計(jì)算截獲效率與面積利用系數(shù)在多數(shù)情況下，饋源的方向函數(shù)近似地表示為下列形式：式中，n越大，則表示饋源方向圖越窄，反之則越寬。面積利用系數(shù)ν反映了口徑場分布的均勻程度，口徑場分布越均勻，面積利用系數(shù)（口徑效率）ν值越大；饋源天線的方向性越強(qiáng)（越不均勻），截獲效率越高；因此為了獲得最大增益，必須在二者之間尋求折中，使得二者的乘積最大6.4.9計(jì)算了拋物面天線的面積利用系數(shù)、效率及增益因子隨口徑張角的變化曲線。從圖中可以看出，由于面積利用系數(shù)、效率與口徑張角之間的變化關(guān)系恰好相反，所以存在著最佳張角，使得增益因子對應(yīng)著最大值gmax≈0.83。盡管最佳張角與饋源方向性有關(guān)，但是和此最佳張角對應(yīng)的口徑邊緣的場強(qiáng)都比中心場強(qiáng)低10~11dB。因此可以得到如下結(jié)論：不論饋源方向如何，當(dāng)口徑邊緣電平比中心低11dB時(shí)，拋物面天線的增益因子最大?？紤]到實(shí)際的安裝誤差、饋源的旁瓣,以及支架的遮擋等因素，增益因子比理想值要小，通常取g≈0.5~0.6;使用高效率饋源時(shí)，g可達(dá)0.7~0.8。拋物面天線的面積利用系數(shù)、效率及增益因子隨口徑張角的計(jì)算曲線實(shí)際工作中，拋物面天線的半功率波瓣寬度和副瓣電平可按下列公式近似計(jì)算:6.4.5拋物面天線的饋源

饋源(Feeds)是拋物面天線的基本組成部分，它的電性能和結(jié)構(gòu)對天線有很大的影響。為了保證天線性能良好，對饋源有以下基本要求：（1）饋源應(yīng)有確定的相位中心，并且此相位中心置于拋物面的焦點(diǎn)，以使口徑上得到等相位分布。（2）饋源方向圖的形狀應(yīng)盡量符合最佳照射，同時(shí)副瓣和后瓣盡量小，因?yàn)樗鼈儠沟锰炀€的增益下降，副瓣電平抬高。（3）饋源應(yīng)有較小的體積，以減少其對拋物面的口面的遮擋。（4）饋源應(yīng)具有一定的帶寬，因?yàn)閽佄锩嫣炀€的帶寬主要取決于饋源的帶寬。饋源的形式很多，所有弱方向性天線都可作拋物面天線的饋源。例如振子天線、喇叭天線、對數(shù)周期天線、螺旋天線等等。饋源的設(shè)計(jì)是拋物面天線設(shè)計(jì)的核心問題?，F(xiàn)在的通信體制多樣化，所以對饋源的要求也不盡相同，例如超寬頻帶、雙極化以及雙波束等等,高效率的饋源勢必會有效地提高拋物面天線的整體性能。6.4.6拋物面天線的偏焦及應(yīng)用由于安裝等工程或設(shè)計(jì)