HFSS天線設計高級培訓教程-十二章雙反射面天線

<<天線原理與設計>>講稿PAGE9第十二章雙反射面天線12.1引言為了改善衛(wèi)星跟蹤與通信應用的大型地面微波反射面天線的性能，多采用雙反射面天線系統(tǒng)。我們已經(jīng)知道，反射面的方向圖形狀（波束指向、主瓣寬度、副瓣電平）決定于天線口徑上的場（或電流）分布。而口徑場分布又由饋源的方向圖和反射面的形狀確定。改變反射面的形狀，即采用長焦距的反射面來得到較均勻的口徑場分布。但是，焦距變長之后，天線縱向尺寸變大，這不僅使結(jié)構(gòu)上不便，而且饋線變長會增加損耗，對遠距離通訊來說增加噪聲，降低效率。另外，要獲得低副瓣(如-40dB)，口徑場振幅分布還不能是均勻的，應滿足一定分布規(guī)律。這由單反射面和一個饋源來調(diào)整是困難的。采用雙反射面天線，可方便地控制口徑場分布。既可以使反射面的焦距較短，又可保證得到所需的天線方向圖，而且使設計增加了靈活性。雙反射面天線系統(tǒng)的設計起源于卡塞格倫光學望遠鏡。這種光學望遠鏡以其發(fā)明人卡塞格倫Cassegrain命名。這一章主要介紹作為雙反射面天線基礎的并已普遍采用的標準卡塞格倫天線，介紹其工作原理，結(jié)構(gòu)組成、幾何參數(shù)、分析方法、增益和效率等。為了提高增益效率，將簡單介紹賦形卡塞格倫天線和高效率饋源相結(jié)合的高效卡塞格倫天線。12.2卡賽格倫天線的工作原理12.2.1標準卡塞格倫天線的組成一副10m地面站卡塞格倫天線如圖12-1所示。圖12-210m地面站卡塞格倫天線標準卡塞格倫天線由主反射面、副反射面和饋源組成。為了獲得聚焦特性，主反射面必須是旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面是旋轉(zhuǎn)雙曲面，饋源可以是各種形式，但一般用喇叭作饋源，安裝在主、副反射面之間，其相位中心應置于旋轉(zhuǎn)雙曲面的焦點上，雙曲面的安裝應使雙曲面的虛焦點與拋物面的焦點重合，如圖12-2所示?？ㄈ駛愄炀€整個就是一個軸對稱結(jié)構(gòu)。副反射面通常置于喇叭饋源的遠區(qū)。如果喇叭輻射的球面波方向圖是旋轉(zhuǎn)對稱的，側(cè)卡式天線就具有軸對稱性能。圖12-2標準卡塞格倫天線圖12-2標準卡塞格倫天線12.2.2卡塞格倫天線的工作原理卡式天線的工作原理與拋物面天線的相似，拋物面天線利用拋物面的反射特性，使得由其焦點處的饋源發(fā)出的球面波前，徑拋物面反射后轉(zhuǎn)變?yōu)樵趻佄锩婵趶缴系钠矫娌ㄇ?，從而使拋物面天線具有銳波束、高增益的性能?？ㄊ教炀€在結(jié)構(gòu)上多了一個雙曲面。天線作反射時，由饋源喇叭發(fā)出的球面波首先由雙曲面反射，然后再經(jīng)主反射面(拋物面)反射出去。根據(jù)雙曲面和拋物面的性質(zhì)，由發(fā)出的任意一條射線到達某一口徑面的波程相等，即則相位中心在處的饋源輻射的球面波前，必將在主反射面的口徑上變?yōu)槠矫娌ㄇ?，呈現(xiàn)同相場，即面為等相位面，使卡式天線具有銳波束。高增益性能。天線作接收時的過程正好相反，外來平面波前經(jīng)主、副反射面反射之后，各射線都將匯聚到饋源所在點，由喇叭接收?！隹ㄊ咸炀€的優(yōu)缺點：優(yōu)點：（1）饋線短（2）空間衰減SA?。?）減小漏溢（4）等效焦距長（3）設計靈活（7個參數(shù)）等缺點：（1）副反射面的遮擋大，但對要求G很高的天線來說，主反射面很大的話，這個遮擋相對就小。（2）造價高。12.2.3卡塞格倫天線的幾何參數(shù)卡式天線的幾何參數(shù)關(guān)系如圖12-3所示圖12-3卡塞格倫天線的幾何參數(shù)示意圖雙曲面的四個參量：拋物面有三個參量：(1)雙曲面直徑(1)拋物面直徑(2)雙曲面焦距(2)拋物面焦距(3)雙曲面半張角(3)半張角(4)雙曲面頂點到拋物面焦點距離在這七個參量中，只有四個是獨立的，其余三個可根據(jù)拋物面和雙曲面的幾何關(guān)系求出。例如，已知則其它參數(shù)有如下關(guān)系。→(12.1)→(12.2)→(12.3)式中離心率：(12.4)已知放大系數(shù)：→(12.5)■主、副反射面的方程在圖12-3中在XYZ坐標系下，主反射面的曲面方程為(12.6)在xyz坐標系下，副反射面的曲面方程為(12.7)式中，(12.8)，為雙葉雙曲面兩個頂點距離的一半，見圖12-3，e為離心率。12.2.4卡塞格倫天線的分析方法卡式天線的分析方法包括(1)面電流法：需要計算主、副反射面上電流分布，然后計算遠場。(2)口徑場法:又分兩種方法，即分析卡式天線的口徑場法實質(zhì)上是將卡氏天線等效為普通拋物面天線來分析，可以有兩種等效方法。即虛饋源法和等效拋物面法。一、虛饋源法由放在實焦點的饋源(實際饋源)發(fā)出的電磁波，經(jīng)雙曲面反射后再到拋物面，猶如放在焦點的等效饋源(虛饋源)發(fā)出的電磁波一樣。其等效原理是：用相心在拋物面焦點的等效饋源取代卡式天線的饋源和副反射面，從而把卡式天線簡化為焦徑比不變而饋源尺寸改變了的拋物面天線進行定量分析。此時的和不變，但采用虛饋源后有兩點不同。(a)虛饋源發(fā)出的波較實際饋源的光程短；(b)饋源尺寸變小了。等效前：，為系數(shù)。采用虛饋源后：。因，則饋源口徑尺寸等效前后為：這種方法只能估計天線性能，但要作出精確的定量分析較困難，因饋源尺寸發(fā)生了變化。二、等效拋物面法該方法是將卡塞格倫天線等效為一個具有同樣饋源和主反射面口徑尺寸，但焦距變?yōu)橹鞣瓷涿娼咕嗟腗倍的普通拋物面天線。M為式(12.5)表示的放大倍數(shù)。此時的等效拋物面天線焦徑比公式變?yōu)?12.7)由于，則，而不變。則標準卡氏天線的電氣性能就相當于一個口徑不變，但焦距為的等效拋物面天線的電氣性能。這時就可用前面的分析方法了?？ㄊ教炀€等效為拋物面天線如圖12-4所示。圖12-4卡塞格倫天線的等效拋物面法等效原理是：用等效拋物面(虛拋物面)取代卡式天線的主、副反射面，從而把卡式天線的問題簡化為饋源相同、拋物面口徑直徑相同但焦距增大了M倍的單反射面來進行定量分析。3.面電流法用面電流法分析卡氏天線具有較高的精確性。由于有主、副兩個反射面，則面電流分布要計算兩次。整個過程是：（1）由饋源輻射場求副反射面上的電流分布。（2）由副反射面上的電流分布產(chǎn)生的場求主反射面上的電流分布。（3）由主反射面上的電流分布求遠場。12.3空間衰減因子和口徑遮擋影響12.3.1空間衰減因子SA

普通拋物面天線的空間衰減因子為(12.8)由等效拋物面法同樣可得卡式天線的空間衰減因子為(12.9)式中用了等效拋物面的焦徑比公式(12.10)【例】設拋物面的焦徑比為，當其用作普通拋物面天線和卡式天線M=5時，比較兩者的空間衰減因子SA。解：(1)對普通拋物面天線，由，可得，(2)卡式天線，由，，可得，此例可見，卡式天線的空間衰減比普通拋物面天線的衰減要小得多，在設計時可忽略不計。12.3.2最小遮擋卡氏天線的口徑遮擋與普通拋物面有所不同。它有兩個遮擋因素，即副反射面對拋物面反射波的遮擋和饋源對副反射面的遮擋。遮擋使天線增益下降，副瓣電平升高?？紤]副反射面和饋源的遮擋時，同前面普通拋物面天線的分析方法一樣，天線的輻射可認為是沒有遮擋時的輻射與被饋源所遮擋部分的輻射之差。設主副反射面都是圓口徑，則遮擋部分陰影區(qū)的輻射電場最大值與沒有遮擋時的輻射電場最大值之比仍可由式(11.74)表示，即式中，D為主反射面直徑，d為副反射面。因此，卡式天線的遮擋分析計算仍可采用普通拋物面天線的方法。顯然，限制遮擋面積就能減小遮擋損失。一般情況下，副反射面的遮擋大于饋源的遮擋。在對卡式天線進行最佳設計時，為了保證主反射面的有效照射(波束效率高)，必須對加大饋源的口徑尺寸，副反射面尺寸則可減??；當副反射面尺寸減小到一定程度時可使饋源口徑尺寸增大到某個程度，使得副反射面和饋源在主反射面上的遮擋相同，此時遮擋效應到達最小值。見P308圖12-6。其圖(a)是副反射面遮擋大于饋源遮擋的情況；圖(b)是饋源遮擋大于副反射面的情況；圖(c)是二者的遮擋相同情況。顯然圖(c)設計最合理，此時遮擋最小。這時的副反射面的直徑稱為最小遮擋直徑。設饋源口徑為，則有(12.11)(12.12)副反射面的最小遮擋直徑也可由下式近似確定(12.13)式中，K為系數(shù)，一般可取為K=0.7；為工作波長。副反射面的尺寸一般由產(chǎn)生最小遮擋來確定。但是，副反射面的直徑也不能太小，否則能量漏溢損失增大。一般取副反射面直徑，則有，為拋物面口徑直徑。12.4卡塞格倫天線的增益和效率卡氏天線增益可表示為(12.14)式中，為主反射面直徑，g為天線總效率。顯然，在一定的情況下，提高g成為增大G的唯一途徑。由于卡式天線結(jié)構(gòu)相對復雜，影響天線效率降低的因素較多，但主要來自如下三個方面：饋源照射副反射面時的漏溢影響；主反射面口徑上的場不夠均勻，即口徑效率低；是副反射面及其支撐桿的遮擋影響。對標準卡式天線，上述因素是彼此矛盾的。例如，減少副反射面的遮擋，就要使副反射面的漏溢損失增加；而降低副反射面漏溢損失將增加主反射面口徑幅度分布的均勻性，即口徑效率會降低。設計天線時應根據(jù)性能指標權(quán)衡考慮。通常，卡式天線的效率可歸納為六個方面的影響因素，即(12.15)式中，——副反射面截獲效率——主反射面截獲效率——主反射面的口徑效率——遮擋效率（副反射面）——支撐桿遮擋效率——主反射面公差效率由于這些因素的影響，使得在相同主反射面尺寸下，卡氏天線的效率只比普通拋物面天線略高一點。例如，一個典型的D=12.2m的卡式天線在頻率為7.3GHz時的增益為←m，mm2dB副反射面截獲效率(-1.313dB)主反射面截獲效率(-0.021dB)主反射面的口徑效率(-0.786dB)遮擋效率(-0.225dB)主反射面公差效率(-0.212dB)總效率(-2.587dB)增益為

dB為了提高卡氏天線的效率，主要采取兩種途徑。（1）保持反射系統(tǒng)不變，使饋源方向圖最佳化，即采用高效饋源，提高。高效饋源的方向圖都能較均勻地照射主反射面，漏溢小。理想饋源方向圖見圖12-9。這類饋源的方向圖旋轉(zhuǎn)對稱、低旁瓣。如有多模圓錐喇叭，波紋喇叭，介質(zhì)加載喇叭等。（2）保持饋源方向圖不變，使反射系統(tǒng)最佳化。即采用修正型的卡塞格倫天線。它是從給定的饋源方向圖出發(fā)，按波動條件修正主、副反射面的形狀，使主反射面口徑上得到均勻照射來提高效率，使提高。實際中既采用高效饋源，又采用修正型的卡氏天線。12.5變形卡塞格倫天線由稱作賦形卡塞格倫天線。標準卡式天線和普通拋物面天線一樣存在對口徑的均勻照射的口徑效率和能量漏溢的截獲效率之間的矛盾，限制了天線效率的提高。然而，卡式天線多了一個可以控制口徑場幅度分布的副反射面，如果把副反射面的形狀加以修改，使其頂點附近比雙曲面更為突起，即減小副反射面中央部分的曲率半徑，則饋到副反射面中央部分的能量就會向主反射面邊緣擴