微波技術(shù)課件第七章

1、第7章 面天線7.1 口徑面的輻射7.2 拋物面天線7.3 喇叭天線7.1 口徑面的輻射 口徑面：指具有有限尺寸的平面或曲面，其上分布有交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。 口徑面有各種形狀，應(yīng)用最多的是矩形和圓形口徑面。 分析方法：口徑場(chǎng)法，即將口徑面分解成惠更斯面元，再運(yùn)用疊加原理分析口徑面的輻射特性。7.1.1 平面口徑遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的一般公式 面元 的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng) 復(fù)振幅 圖7-1-1 平面口徑輻射場(chǎng)的坐標(biāo)系0y,sssxsssxsssssssssyxEyxHyxyxEyxeeHeEeeeeEEEyxryxEsskrssssssdddcossinecos12,jdjdsskrsssssyxryxEEEEsdd

2、ecos12,jdddj227.1.1 平面口徑遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的一般公式 整個(gè)平面口徑S產(chǎn)生的輻射場(chǎng) 采用平行線近似，討論遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) 兩個(gè)主平面的輻射場(chǎng) sskrsSssssSyxryxEEEsddecos12,jdjssyxkssSskryxyxErEssdde,cos12ejsinsincossinjjsskxssSskrHyxyxErEsdde,cos12ejsinjj0sskyssSskrEyxyxErEsdde,cos12ejsinjj907.1.2 口徑面的最大方向性系數(shù)和面積利用系數(shù) 最大方向性系數(shù) 口徑場(chǎng)均勻分布 口徑場(chǎng)為不均勻分布 口徑的面積利用系數(shù) AD204A為口徑面的幾何面積

3、2244AADeAe為口徑面的有效面積 SsSssEsEAdd1227.1.3 同相矩形口徑面的輻射1. 均勻分布 兩個(gè)主平面的輻射場(chǎng) 對(duì)電大尺寸口徑面，歸一化方向性函數(shù) 圖7-1-2 矩形平面口徑及其坐標(biāo)系sDDDDkyskrEyxErEsdedcos12ej2222sinj0j901122sDDDDkxskrHxyErEsdedcos12ej2222sinj0j02211 22sinuuFE 11sinuuFHsin11Du sin22Du 0,EyxEsss注：均勻分布口徑面的歸一化方向性函數(shù)與均勻直線陣的完全相同。 7.1.3 同相矩形口徑面的輻射2. 余弦分布 面的情形與均勻分布時(shí)相

4、同。 面的輻射場(chǎng) 對(duì)電尺寸大的口徑面 其它02,2cos,2110DyDxDxEyxEssssss211210j021cos2cos12ej0uuDDErEkrH 21121cosuuFH15 . 0682DHdB231H210481. 0DDD 7.1.4 同相圓形口徑面的輻射1. 均勻分布 常數(shù) 對(duì)電大尺寸口徑面，歸一化方向性函數(shù)為 半功率波瓣寬度 第一副瓣電平為 。圖7-1-4 平面圓形口徑及坐標(biāo)系 uuJF1D 5925 . 0dB6 .17 與均勻分布矩形口徑面比較，均勻分布圓形口徑面的主瓣寬度較寬，副瓣較低 。0EEs uuJDErEkr120j24cos12ej7.1.4 同相圓

5、形口徑面的輻射2. 拋物漸削分布圖7-1-5 圓形口徑拋物漸削分布psEE2101 upEDrEpkr102j114cos12ej pppuuJpu21!表7-1-1 拋物漸削圓口徑分布的輻射特性ppF, u1 u2D47. 1 u3面積利用系數(shù)0.55-30.620.75-24.611.00-17.60第一副瓣電平dB半功率主瓣寬度radD27. 1D02. 1歸一化方向性函數(shù)7.1.5 口徑場(chǎng)的相位分布對(duì)輻射場(chǎng)的影響1. 線性相位分布 沿 方向的線性相位分布可寫(xiě)成 口徑場(chǎng) 對(duì)電尺寸大的口徑面，歸一化方向性函數(shù) 圖7-1-6 線性相位分布xsmsxDx12mxDxsEEE12j0j0eemm

6、krHDDDDErEsinsinsincos12ej11210j mmHDDFsinsinsin117.1.5 口徑場(chǎng)的相位分布對(duì)輻射場(chǎng)的影響 最大輻射方向相對(duì)于口徑面法線方向偏離一個(gè)角度 線性相位分布的其它影響（1）E 面的輻射場(chǎng)強(qiáng)有所下降。（2）面積利用系數(shù)有所下降。 mmmD1arcsin圖7-1-7 線性相位分布時(shí)的主瓣方向7.1.5 口徑場(chǎng)的相位分布對(duì)輻射場(chǎng)的影響2. 平方律相位分布 口徑場(chǎng)和輻射場(chǎng) 平方律相位分布引起的方向圖變化是對(duì)稱(chēng)的；當(dāng) 時(shí)與同相時(shí)的方向圖差別并不大；但是當(dāng) 逐漸增大時(shí)，主瓣變寬，波瓣零點(diǎn)消失，副瓣電平升高，甚至主副瓣趨于融合；當(dāng) 達(dá)到 時(shí)主瓣發(fā)生分裂，方向性顯

7、著變差。 msDxsEE212j0e圖7-1-8 相位平方律分布時(shí)矩形口徑的H面方向圖8mm23m7.1.5 口徑場(chǎng)的相位分布對(duì)輻射場(chǎng)的影響3. 立方律相位分布 最大輻射方向朝相位滯后的方向偏離法向，主瓣變寬，副瓣增大，方向性系數(shù)下降，并且在主瓣兩側(cè)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的副瓣。 msDxsEE312j0e7.2 拋物面天線 拋物面天線由輻射器（饋源）和拋物面形狀的金屬反射體組成，是微波雷達(dá)、微波通信設(shè)備中一種常用的定向天線。 d)a)b)c)圖7-2-1 雷達(dá)中的拋物面天線 a ) ASR-23SS預(yù)警雷達(dá)天線； b ) 宇宙觀測(cè)雷達(dá)天線圖7-2-2 幾種常用的拋物面反射體形狀a)柱形拋物面 b)旋轉(zhuǎn)拋

8、物面 c)矩形截拋物面 d)桔瓣形截拋物面a)b)7.2.1 旋轉(zhuǎn)拋物面的幾何特性 在直角坐標(biāo)系 中，拋物面方程 在極坐標(biāo)系 中的拋物線方程圖7-2-3 拋物面特性的分析1111zyxo 121214 fzyxrF2seccos122ffr2tan400fd0df20410df20410df f d0=2a y1 x 1 Z1 o o1 o F M M K K s r0 r 0 n K M M1 K1 按口徑張角或焦比( )區(qū)分 短焦距拋物面： 長(zhǎng)焦距拋物面： 7.2.1 旋轉(zhuǎn)拋物面的幾何特性 旋轉(zhuǎn)拋物面的幾何特性 （1）拋物面上任意點(diǎn)M的法線平分 ，其中， 是焦點(diǎn)至點(diǎn)M的連線， 是點(diǎn)M至口徑

9、面的距離，同時(shí)也平行于焦軸； （2）路徑 是常量，等于 。其中 是拋物面頂點(diǎn)至口徑面的距離。 拋物面天線的工作原理 從焦點(diǎn)發(fā)出的射線經(jīng)拋物面反射后彼此平行，且在口徑面處同相，即拋物面反射體將位于焦點(diǎn)的饋源發(fā)出的球面波轉(zhuǎn)變成平面波。 MFM FMMM MMFM 10zf 10z7.2.2 拋物面天線的輻射場(chǎng)1. 拋物面天線的口徑場(chǎng)（1）射線管的概念 射線FM 和FN 構(gòu)成圓錐形射線管，射線FM和FN被拋物面反射后由MM 和NN構(gòu)成柱形射線管。 若忽略反射面的損耗，柱形射線管在口徑面處的電磁功率應(yīng)等于圓錐形射線管中任一截面處的電磁功率。圖7-2-5 拋物面天線中的射線管剖面7.2.2 拋物面天線的

10、輻射場(chǎng)（2）口徑面上的電場(chǎng)振幅 與拋物面上的電場(chǎng)振幅 的關(guān)系（3） 的表達(dá)式（4）口徑面上的電場(chǎng)分布 SEiEiSEEiErDPsfti,2210E E10j210e,2,zfksftssSrDPE7.2.2 拋物面天線的輻射場(chǎng)2. 拋物面天線的輻射場(chǎng) 口徑場(chǎng)分布確定后，即可利用7.1.4節(jié)的知識(shí)分析口徑面的輻射場(chǎng)。 3. 拋物面天線的增益（1）對(duì)照射效率的考慮。 （2）對(duì)面積利用系數(shù)的考慮。 （3）對(duì)增益因子的考慮。 AgDG21004圖7-2-6 饋源的能量漏失7.2.3 拋物面天線的饋源 對(duì)饋源的基本要求 1）饋源方向圖應(yīng)與拋物面張角配合，使天線增益因子最大。 2）饋源具有確定的相位中心

11、，從而保證使相位中心與焦點(diǎn)重合，形成同相分布的口徑場(chǎng)。 3）饋源尺寸應(yīng)盡可能小，以減少對(duì)拋物面輻射場(chǎng)的遮擋。 4）饋源應(yīng)有一定的工作帶寬。 饋源的種類(lèi)很多，常見(jiàn)的有振子饋源、波導(dǎo)縫隙饋源、喇叭饋源以及適用于拋物柱面天線的線陣饋源。7.2.4 饋源偏焦對(duì)方向性的影響1. 橫向偏焦 饋源橫向偏焦使口徑面上同時(shí)出現(xiàn)線性率和立方律相位偏差。如果橫向偏焦不大，則接近于線性相位偏差，這時(shí)，長(zhǎng)焦距拋物面天線的主瓣最大值方向偏移角 近似等于饋源偏軸角 。圖7-2-8 饋源橫向偏焦! 323x圖7-2-9 饋源橫向偏焦引起的波瓣偏移7.2.4 饋源偏焦對(duì)方向性的影響2. 軸向偏焦 饋源沿焦軸偏離焦點(diǎn)時(shí)稱(chēng)為軸向偏

12、焦。 當(dāng)饋源向拋物面頂點(diǎn)方向偏移時(shí)，口徑中心的相位將超前邊緣的相位，形成凸形的等相位面，相反，當(dāng)饋源反方向偏移時(shí)將形成凹形等相位面。這兩種情況都使口徑場(chǎng)近似呈平方律相位分布，形成類(lèi)似于光學(xué)中的“散焦”現(xiàn)象 。圖7-2-10 軸向偏焦時(shí)波束的擴(kuò)散7.2.5 產(chǎn)生特殊波束的拋物面天線1. 針狀波束天線 旋轉(zhuǎn)拋物面天線主要用于產(chǎn)生圓對(duì)稱(chēng)的針狀波束。2. 對(duì)稱(chēng)扇形波束天線（1）利用拋物柱面天線產(chǎn)生扇形波束。（2）利用切割拋物面天線產(chǎn)生扇形波束。 圖7-2-11 拋物柱面天線圖7-2-12 對(duì)稱(chēng)切割橢圓拋物面7.2.5 產(chǎn)生特殊波束的拋物面天線3. 余割波束天線（1）余割波束的特點(diǎn) 是一種不對(duì)稱(chēng)扇形波束

13、 （2）分布饋源反射面天線 適當(dāng)控制各饋源的功率比，其合成波束可為余割波束。 H r max min 圖7-2-13 地對(duì)空搜索波瓣(余割波束) cschACrACF圖7-2-14 分布饋源法形成余割波束7.2.5 產(chǎn)生特殊波束的拋物面天線（3）單彎曲反射面天線 當(dāng)焦線上放置線陣饋源時(shí)，反射面的上部將匯聚從饋源來(lái)的入射波，下部則按原方向反射。若適當(dāng)選擇兩部分反射面的面積和饋源的方向圖，其合成波束即可為余割波束。圖7-2-15 改變拋物面反射體形狀形成余割波束7.3 喇叭天線 將波導(dǎo)終端逐漸張開(kāi)即形成喇叭天線 圖a是將矩形波導(dǎo)的窄壁尺寸擴(kuò)展形成的E面扇形喇叭。 圖b是將矩形波導(dǎo)的寬壁尺寸擴(kuò)展形成

14、的H面扇形喇叭。 圖c是將矩形波導(dǎo)的窄壁和寬壁同時(shí)擴(kuò)展而形成的角錐喇叭。 圖d是將圓柱波導(dǎo)逐漸擴(kuò)展而形成的圓錐喇叭 。圖7-3-l 喇叭天線的基本形式a) E面扇形喇叭； b) H面扇形喇叭； c) 角錐喇叭； d)圓錐喇叭d)a)b)c)7.3.1 H面扇形喇叭天線1. 推導(dǎo)條件1）喇叭被矩形波導(dǎo)中的TE10模激勵(lì)。2）喇叭與輻射空間匹配。3）喇叭壁為理想導(dǎo)體。4）喇叭內(nèi)無(wú)源。 a b y o y x z P P D1 D2 a) o x z a y H R1 B B C C o D1 2 x M N b) 圖7-3-2 H面扇形喇叭天線坐標(biāo)系a)結(jié)構(gòu) b)x-z剖面圖7.3.1 H面扇形喇

15、叭天線2. 內(nèi)場(chǎng)分布 在距喇叭頂點(diǎn)較遠(yuǎn)處，內(nèi)場(chǎng)分布為 其場(chǎng)結(jié)構(gòu)與TE10模相似。不同之處主要是： 扇形喇叭的內(nèi)場(chǎng)為柱面波，它從位于喇叭頂點(diǎn)的線源發(fā)出。而矩形波導(dǎo)內(nèi)是平面波； 由于喇叭的截面尺寸逐漸擴(kuò)大，喇叭內(nèi)的相速 不是常數(shù)。 120e2cos22212jjykHyEHkCEH圖7-3-3 TE10模激勵(lì)的H面扇形喇叭的內(nèi)場(chǎng)分布221aCvp7.3.1 H面扇形喇叭天線3. 口徑場(chǎng)分布 H面扇形喇叭口徑場(chǎng)的幅度分布與矩形波導(dǎo)的橫向場(chǎng)相同，即x方向?yàn)橛嘞曳植迹瑈方向?yàn)榫鶆蚍植?。不同之處是在于x方向存在平方律相位偏差。 120ecos12j10ysxsRxysEHDxEEs7.3.1 H面扇形喇叭

16、天線 4. H面（ ）的輻射場(chǎng) 5. E面（ ）的輻射場(chǎng) 043432121120jjj22cos12ejuSuSuCuCNuSuSuCuCMRDErEkrH6565224j120jjsinsinsine2cos12ej211uSuSuCuCDDRDErEDRkrEE面方向圖與同相均勻分布口徑面的相同。907.3.1 H面扇形喇叭天線6. H面扇形喇叭的方向性（1）歸一化方向圖 隨著 增大，H面方向圖的主瓣增寬，零點(diǎn)消失，副瓣電平升高，增益降低，甚至主副瓣融合。 圖7-3-4 H面扇形喇叭方向圖HM7.3.1 H面扇形喇叭天線（2）主瓣寬度（3）增益 最優(yōu)H面扇形喇叭 115 . 07868.

17、 0arcsin22DDH11D265265112max244uSuSuCuCDRDPSrGH2opt1131DR43HM64. 07.3.2 E面扇形喇叭天線1. 與H面扇形喇叭內(nèi)場(chǎng)分布的比較 與H面扇形喇叭不同之處是，E面扇形喇叭內(nèi)的相速不變，且等于波導(dǎo)內(nèi)的相速；喇叭內(nèi)的波長(zhǎng)等于波導(dǎo)波長(zhǎng)；其內(nèi)場(chǎng)分布更類(lèi)似于波導(dǎo)中TE10波的場(chǎng)分布。圖7-3-6 TE10波激勵(lì)的E面扇形喇叭的內(nèi)場(chǎng)分布7.3.2 E面扇形喇叭天線2. 與H面扇形喇叭方向圖的比較 口徑場(chǎng)相位偏差對(duì)E面扇形喇叭的影響比對(duì)H面扇形喇叭的影響嚴(yán)重。 半功率主瓣寬度 圖7-3-7 E面扇形喇叭方向圖25 . 0542DE12D7.3.2 E面扇形喇叭天線3. 與H面扇形喇叭增益的比較 最優(yōu)E面扇形喇叭 2opt2221DR圖7-3-8 E面喇叭的增益與口徑電尺寸的關(guān)系2EM64. 07.3.3 角錐喇叭天線 角錐喇叭天線的壁面不是正交坐標(biāo)系中任何坐標(biāo)為定值的面，難以用解析方法求解。給出定性描述如下： 1）對(duì)于由TE10模矩形波導(dǎo)饋電的角錐喇叭，其內(nèi)場(chǎng)分布通常借助于H面和E面扇形喇叭的內(nèi)場(chǎng)分布定性描述，口徑場(chǎng)的相位分布也沿用前兩種扇形喇叭口徑場(chǎng)的相位分布。 a b y x z D1 D2 x z a R1 D1 L y z