微波技術(shù)與天線--第7章

1、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27.1 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和磁場?？趶矫嬗懈鞣N形狀，應(yīng)用最多的是矩形和圓形口徑面。分析方法：口徑場法，即將口徑面分解成惠更斯面元，再運用疊加原理分析口徑面的輻射特性。第7章 口徑面的輻射37.1.1 平面口徑遠(yuǎn)區(qū)輻射場的一般公式面元 的遠(yuǎn)區(qū)輻射場 復(fù)振幅 第7章 口徑面的輻射圖7-1-1 平面口徑輻射場的坐標(biāo)系0y,sssxsssxsssssssssyxEyxHyxyxEyxeeHeEsdeeeeEEEyxryxEsskrssssssdddcossinecos12,jdjd

2、sskrsssssyxryxEEEEsddecos12,jdddj2247.1.1 平面口徑遠(yuǎn)區(qū)輻射場的一般公式整個平面口徑S產(chǎn)生的輻射場 采用平行線近似，討論遠(yuǎn)區(qū)場兩個主平面的輻射場 第7章 口徑面的輻射sskrsSssssSyxryxEEEsddecos12,jdjssyxkssSskryxyxErEssdde,cos12ejsinsincossinjjsskxssSskrHyxyxErEsdde,cos12ejsinjj0sskyssSskrEyxyxErEsdde,cos12ejsinjj9057.1.2 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) 口徑場均勻分布口徑場為不均勻

3、分布 口徑的面積利用系數(shù) 第7章 口徑面的輻射AD204A為口徑面的幾何面積 2244AADeeA稱為口徑面的有效面積 SsSssEsEAdd12267.1.3 同相矩形口徑面的輻射1. 均勻分布兩個主平面的輻射場對電大尺寸口徑面，歸一化方向性函數(shù) 第7章 口徑面的輻射圖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

4、數(shù)與均勻直線陣的完全相同。 77.1.3 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相同。 面的輻射場對電尺寸大的口徑面 第7章 口徑面的輻射其它02,2cos,2110DyDxDxEyxEssssssEH211210j021cos2cos12ej0uuDDErEkrH 21121cosuuFH15 . 0682DHdB231H210481. 0DDD 87.1.4 同相圓形口徑面的輻射1. 均勻分布 常數(shù) 對電大尺寸口徑面，歸一化方向性函數(shù)為半功率波瓣寬度第一副瓣電平為 。第7章 口徑面的輻射圖7-1-4 平面圓形口徑及坐標(biāo)系 uuJDErEkr120j24cos12ej uu

5、JF1D 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 。0EEs97.1.4 同相圓形口徑面的輻射2. 拋物漸削分布第7章 口徑面的輻射圖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)107.1.5 口徑場的相位分布對輻射場的影響1. 線性

6、相位分布沿 方向的線性相位分布可寫成口徑場對電尺寸大的口徑面，歸一化方向性函數(shù) 第7章 口徑面的輻射圖7-1-6 線性相位分布xsmsxDx12mxDxsEEE12j0j0eemmkrHDDDDErEsinsinsincos12ej11210j mmHDDFsinsinsin11117.1.5 口徑場的相位分布對輻射場的影響最大輻射方向相對于口徑面法線方向偏離一個角度線性相位分布的其它影響（1）E 面的輻射場強有所下降。（2）面積利用系數(shù)有所下降。 第7章 口徑面的輻射m mmD1arcsin圖7-1-7 線性相位分布時的主瓣方向127.1.5 口徑場的相位分布對輻射場的影響2. 平方律相位分

7、布口徑場和輻射場平方律相位分布引起的方向圖變化是對稱的；當(dāng) 時與同相時的方向圖差別并不大；但是當(dāng) 逐漸增大時，主瓣變寬，波瓣零點消失，副瓣電平升高，甚至主副瓣趨于融合；當(dāng) 達(dá)到 時主瓣發(fā)生分裂，方向性顯著變差。 第7章 口徑面的輻射msDxsEE212j0esDDDxkxkrHxDErEmsxdecos12ej222sinj20j1121圖7-1-8 相位平方律分布時矩形口徑的H面方向圖8mm23m137.1.5 口徑場的相位分布對輻射場的影響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)生不對稱的副瓣。 第7章 口徑面的輻射ms

8、DxsEE312j0e14d)a)b)c)7.2 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。 第7章 口徑面的輻射圖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)拋物面 c)矩形截拋物面 d)桔瓣形截拋物面a)b)157.2.1 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 中的拋物線方程第7章 口徑面的輻射 f d0=2a y1 x 1 Z1 o o1 o F M M K K s r0 r 0 n

9、 K M M1 K1 圖7-2-3 拋物面特性的分析1111zyxo 121214 fzyxrF2seccos122ffr2tan400fd按口徑張角或焦比( )區(qū)分 短焦距拋物面： 長焦距拋物面： 0df20410df20410df167.2.1 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M的法線平分 ，其中， 是焦點至點M的連線， 是點M至口徑面的距離，同時也平行于焦軸； （2）路徑 是常量，等于 。其中 是拋物面頂點至口徑面的距離。拋物面天線的工作原理從焦點發(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的饋源發(fā)出的球面波轉(zhuǎn)變成平面波。 第

10、7章 口徑面的輻射MFM FMMM MMFM 10zf 10z177.2.2 拋物面天線的輻射場1. 拋物面天線的口徑場（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。第7章 口徑面的輻射圖7-2-5 拋物面天線中的射線管剖面187.2.2 拋物面天線的輻射場（2）口徑面上的電場振幅 與拋物面上的電場振幅 的關(guān)系（3） 的表達(dá)式（4）口徑面上的電場分布 第7章 口徑面的輻射SEiEiSEEiErDPsfti,2210E E10j210e,2

11、,zfksftssSrDPE197.2.2 拋物面天線的輻射場2. 拋物面天線的輻射場口徑場分布確定后，即可利用7.1.4節(jié)的知識分析口徑面的輻射場。 3. 拋物面天線的增益（1）對照射效率的考慮。 （2）對面積利用系數(shù)的考慮。 （3）對增益因子的考慮。 第7章 口徑面的輻射AgDG21004圖7-2-6 饋源的能量漏失207.2.3 拋物面天線的饋源對饋源的基本要求 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，從而保證使相位中心與焦點重合，形成同相分布的口徑場。 3）饋源尺寸應(yīng)盡可能小，以減少對拋物面輻射場的遮擋。 4）饋源應(yīng)有一定的工作帶寬。饋源的種

12、類很多，常見的有振子饋源、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。第7章 口徑面的輻射217.2.4 饋源偏焦對方向性的影響1. 橫向偏焦饋源橫向偏焦使口徑面上同時出現(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，長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 。第7章 口徑面的輻射圖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227.2.4 饋源偏焦對方向性的影響2. 軸向偏焦饋源沿焦軸偏離焦點時稱為軸向偏焦。當(dāng)饋源向拋物面頂點方向偏移時，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

13、偏移時將形成凹形等相位面。這兩種情況都使口徑場近似呈平方律相位分布，形成類似于光學(xué)中的“散焦”現(xiàn)象 。第7章 口徑面的輻射圖7-2-10 軸向偏焦時波束的擴散237.2.5 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)生圓對稱的針狀波束。2. 對稱扇形波束天線（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。 第7章 口徑面的輻射圖7-2-11 拋物柱面天線圖7-2-12 對稱切割橢圓拋物面247.2.5 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 是一種不對稱扇形波束 （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

14、可為余割波束。 第7章 口徑面的輻射 H r max min 圖7-2-13 地對空搜索波瓣(余割波束) cschACrACF圖7-2-14 分布饋源法形成余割波束257.2.5 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，反射面的上部將匯聚從饋源來的入射波，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。第7章 口徑面的輻射圖7-2-15 改變拋物面反射體形狀形成余割波束267.3 喇叭天線將波導(dǎo)終端逐漸張開即形成喇叭天線圖a是將矩形波導(dǎo)的窄壁尺寸擴展形成的E面扇形喇叭。圖b是將矩形波導(dǎo)的寬壁尺寸擴展形成的H面扇形喇叭。圖c

15、是將矩形波導(dǎo)的窄壁和寬壁同時擴展而形成的角錐喇叭。圖d是將圓柱波導(dǎo)逐漸擴展而形成的圓錐喇叭 。第7章 口徑面的輻射圖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)277.3.1 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。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)無源。 第7章 口徑面的輻射 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

16、287.3.1 H面扇形喇叭天線2. 內(nèi)場分布在距喇叭頂點較遠(yuǎn)處，內(nèi)場分布為其場結(jié)構(gòu)與TE10模相似。不同之處主要是： 扇形喇叭的內(nèi)場為柱面波，它從位于喇叭頂點的線源發(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大，喇叭內(nèi)的相速 不是常數(shù)。 第7章 口徑面的輻射120e2cos22212jjykHyEHkCEH圖7-3-3 TE10模激勵的H面扇形喇叭的內(nèi)場分布221aCvp297.3.1 H面扇形喇叭天線3. 口徑場分布H面扇形喇叭口徑場的幅度分布與矩形波導(dǎo)的橫向場相同，即x方向為余弦分布，y方向為均勻分布。不同之處是在于x方向存在平方律相位偏差。 第7章 口徑面的輻射120ecos

17、12j10ysxsRxysEHDxEEs307.3.1 H面扇形喇叭天線 4. H面（ ）的輻射場 5. E面（ ）的輻射場 第7章 口徑面的輻射043432121120jjj22cos12ejuSuSuCuCNuSuSuCuCMRDErEkrH906565224j120jjsinsinsine2cos12ej211uSuSuCuCDDRDErEDRkrEE面方向圖與同相均勻分布口徑面的相同。317.3.1 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，零點消失，副瓣電平升高，增益降低，甚至主副瓣融合。 第7章 口徑面的輻射圖7-3-4 H面扇

18、形喇叭方向圖HM327.3.1 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 第7章 口徑面的輻射115 . 07868. 0arcsin22DDH11D265265112max244uSuSuCuCDRDPSrGH2opt1131DR43HM64. 0337.3.2 E面扇形喇叭天線1. 與H面扇形喇叭內(nèi)場分布的比較與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)的波長等于波導(dǎo)波長；其內(nèi)場分布更類似于波導(dǎo)中TE10波的場分布。第7章 口徑面的輻射圖7-3-6 TE10波激勵的E面扇形喇叭的內(nèi)場分布347.3.2 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相位偏差對E