《天線與電波傳播》第8章

8.1等效原理與惠更斯元的輻射8.2平面口徑的輻射8.3喇叭天線8.4旋轉(zhuǎn)拋物面天線8.5卡塞格倫天線

8.6喇叭拋物面天線習(xí)題八

如圖8-1-1所示，面天線通常由金屬面S1和初級(jí)輻射源組成。

由于口徑面上存在著口徑場(chǎng)ES和HS，根據(jù)惠更斯原理(Huygen’sPrinciple)，將口徑面S2分割成許多面元，這些面元稱(chēng)為惠更斯元或二次輻射源。

由所有惠更斯元的輻射之和即得到整個(gè)口徑面的輻射場(chǎng)。8.1等效原理與惠更斯元的輻射圖8-1-1口徑場(chǎng)法原理圖如同電基本振子和磁基本振子是分析線天線的基本輻射單元一樣，惠更斯元是分析面天線輻射問(wèn)題的基本輻射元。如圖8-1-2所示，設(shè)平面口徑面(xOy面)上的一個(gè)惠更斯元

ds=dxdyen，其上有著均勻的切向電場(chǎng)Ey和切向磁場(chǎng)Hx，根據(jù)等效原理，此面元上的等效面電流密度為

J=en×Hx=Jy(8-1-1)

相應(yīng)的等效電基本振子電流的方向沿y軸方向，其長(zhǎng)度為dy，數(shù)值為

I=Jydx=Hxdx(8-1-2)圖8-1-2惠更斯輻射元及其坐標(biāo)而此面元上的等效面磁流密度為

Jm=-en×Ey=Jmx(8-1-3)

相應(yīng)的等效磁基本振子磁流的方向沿x軸方向，其長(zhǎng)度為dx，數(shù)值為

(8-1-4)

E平面(yOz平面)如圖8-1-3所示，在此平面內(nèi)，根據(jù)式(1-1-4)，電基本振子產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為

(8-1-5)根據(jù)式(1-1-11)，磁基本振子產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為

(8-1-6)考慮到Hx=-，α==-eθ，式(8-1-5)和(8-1-6)可分別重新寫(xiě)為

(8-1-7a)

(8-1-7b)于是，惠更斯元在E平面上的輻射場(chǎng)為

(8-1-8)

H平面(xOz平面)如圖8-1-4所示，在此平面內(nèi)，根據(jù)上述同樣的分析，電基本振子產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為

(8-1-9)圖8-1-3

E平面的幾何關(guān)系圖8-1-4

H平面的幾何關(guān)系磁基本振子產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為

(8-1-10)

于是，惠更斯元在H平面上的輻射場(chǎng)為

(8-1-11)圖8-1-5惠更斯元?dú)w一化方向圖由式(8-1-8)和(8-1-11)可看出，兩主平面的歸一化方向函

數(shù)均為

(8-1-12)

其歸一化方向圖如圖8-1-5所示。由方向圖的形狀可以看出，惠更斯元的最大輻射方向與其本身垂直。8.2.1一般計(jì)算公式

如圖8-2-1，設(shè)有一任意形狀的平面口徑位于xOy平面內(nèi)，口徑面積為S，其上的口徑場(chǎng)仍為Ey，因此該平面口徑輻射場(chǎng)的極化與惠更斯元的極化相同。坐標(biāo)原點(diǎn)至遠(yuǎn)區(qū)觀察點(diǎn)M(r,θ,φ)的距離為r，面元ds(xs,ys)到觀察點(diǎn)的距離為R，將惠更斯元的主平面輻射場(chǎng)積分可得到平面口徑在遠(yuǎn)區(qū)的兩個(gè)主平面輻射場(chǎng)為

(8-2-1)8.2平面口徑的輻射圖8-2-1平面口徑坐標(biāo)系當(dāng)觀察點(diǎn)很遠(yuǎn)時(shí)，可認(rèn)為R與r近似平行，R可表示為

(8-2-2)

對(duì)于E平面(yOz平面)，φ=，R≈r-yssinθ，輻射場(chǎng)為

(8-2-3)

對(duì)于H平面(xOz平面)，φ=0，R≈r-xssinθ，輻射場(chǎng)為

(8-2-4)

對(duì)于同相平面口徑，最大輻射方向一定發(fā)生在θ=0處，根據(jù)方向系數(shù)的計(jì)算公式(1-2-11)式，D=，

因此

(8-2-5)

于是，方向系數(shù)D可以表示為

(8-2-7)

如果定義面積利用系數(shù)

(8-2-8)

則式(8-2-7)可以改寫(xiě)為

(8-2-9)8.2.2同相平面口徑的輻射

1.矩形同相平面口徑的輻射

設(shè)矩形口徑(RectangularAperture)的尺寸為a×b，如圖8-2-2所示，利用式(8-2-3)和(8-2-4)，對(duì)于E平面(yOz平面)，

(8-2-10)對(duì)于H平面(xOz平面)，

(8-2-11)圖8-2-2矩形平面口徑坐標(biāo)系當(dāng)口徑場(chǎng)Ey為均勻分布時(shí)，Ey=E0，如果引入

(8-2-12)

(8-2-13)則兩主平面的方向函數(shù)為

(8-2-14)

(8-2-15)

當(dāng)口徑場(chǎng)Ey為余弦分布時(shí)，例如ＴＥ10波激勵(lì)的矩形波導(dǎo)口徑場(chǎng)：

(8-2-16)則兩主平面的方向函數(shù)為

(8-2-17)

(8-2-18)圖8-2-3繪出了a=2λ,b=3λ的矩形口徑的主平面方向圖，由于口徑在E平面的尺寸較大，因此E面方向圖比H

面方向圖主瓣窄，并且E面波瓣個(gè)數(shù)多于H面波瓣個(gè)數(shù)。又因?yàn)橛嘞曳植贾惑w現(xiàn)在x坐標(biāo)上，所以對(duì)應(yīng)的方向圖只在H面上主瓣變寬，而E面方向圖維持不變。

圖8-2-4繪出了a=3λ,b=2λ矩形口徑的立體方向圖，從圖上仍然可以看出尺寸a和尺寸b如何分別影響了H面和E面方向圖的方向性。圖8-2-3矩形口徑的主平面方向圖(a=2λ,b=3λ)(a)E平面極坐標(biāo)方向圖；(b)兩主平面直角坐標(biāo)方向圖圖8-2-4矩形口徑立體方向圖(a)均勻分布；(b)余弦分布

2.圓形同相平面口徑的輻射

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常有圓形口徑(CircularAperture)的天線。對(duì)于圓形口徑可以建立坐標(biāo)系如圖8-2-5所示，引入極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的關(guān)系：

(8-2-19)圖8-2-5圓形平面口徑坐標(biāo)系仍然討論口徑場(chǎng)為單一極化Ey(ρs,φs)，并且假定口徑場(chǎng)分布是φ對(duì)稱(chēng)的，僅是ρ的函數(shù)。

當(dāng)口徑場(chǎng)均勻分布時(shí)，Ey=E0，則兩主平面的輻射場(chǎng)表達(dá)式為

(8-2-20)

(8-2-21)在上式中引入貝塞爾函數(shù)公式

(8-2-22)

在式(8-2-20)和(8-2-21)中引入?yún)⒘?/p>

Ψ3=kasinθ(8-2-23)并注意到積分公式

(8-2-24)

則圓形均勻口徑的兩主平面方向函數(shù)為

(8-2-25)

對(duì)于口徑場(chǎng)分布沿半徑方向呈錐削狀分布的圓形口徑，口徑場(chǎng)分布一般可擬合為

(8-2-26)

或者擬合為

(8-2-27)8.2.3同相平面口徑方向圖參數(shù)

如果統(tǒng)一引入

(8-2-28)

則平面口徑的主平面輻射場(chǎng)可統(tǒng)一表示為

E(θ)=ASF(θ)(8-2-29)

實(shí)際上，通?？趶匠叽缍歼h(yuǎn)大于λ，因此分析方向圖特性時(shí)可認(rèn)為(1+cosθ)/2≈1。從圖8-2-6可以分別直接讀出|F(Ψ)|=0.707所對(duì)應(yīng)的Ψ值，根據(jù)Ψ的具體表達(dá)式，可求出不同口徑分布、不同主平面的主瓣寬度(見(jiàn)表8-2-1)，還可以根據(jù)式(8-2-8)求出相應(yīng)的面積利用系數(shù)υ。表8-2-1列出了不同口徑的方向圖參數(shù)。圖8-2-6平面口徑的方向函數(shù)(J1(Ψ)為貝塞爾函數(shù))表8-2-1同相口徑輻射特性一覽表8.2.4相位偏移對(duì)口徑輻射場(chǎng)的影響

由于天線制造或安裝的技術(shù)誤差，或者為了得到特殊形狀的波束或?qū)崿F(xiàn)電掃描，口徑場(chǎng)的相位分布常常按一定的規(guī)律分布，這屬于非同相平面口徑的情況。

假設(shè)口徑場(chǎng)振幅分布仍然均勻，常見(jiàn)的口徑場(chǎng)相位偏移有如下幾種：

(1)直線律相位偏移，

(8-2-30)

(2)平方律相位偏移，

(8-2-31)

(3)立方律相位偏移，

(8-2-32)直線律相位偏移相當(dāng)于一平面波傾斜投射到平面口徑上，平方律相位偏移相當(dāng)于球面波或柱面波的投射。圖8-2-7、8-2-8和8-2-9分別計(jì)算了以上三種情況的H面方向圖。從計(jì)算結(jié)果可以分析出，直線律相位偏移帶來(lái)了最大輻射方向的偏移，可以利用此特點(diǎn)產(chǎn)生電掃描效應(yīng)。

立方律相位偏移不僅產(chǎn)生了最大輻射方向偏轉(zhuǎn)，而且還會(huì)導(dǎo)致方向圖不對(duì)稱(chēng)，在主瓣的一側(cè)產(chǎn)生了較大的副瓣，對(duì)雷達(dá)而言，此種情況極易混淆目標(biāo)。圖8-2-7直線律相位偏移的矩形口徑方向圖圖8-2-8平方律相位偏移的矩形口徑方向圖圖8-2-9立方律相位偏移的矩形口徑方向圖喇叭天線是最廣泛使用的微波天線之一。它的出現(xiàn)與早期應(yīng)用可追溯到19世紀(jì)后期。如圖8-3-1所示，逐漸張開(kāi)的過(guò)渡段既可以保證波導(dǎo)與空間的良好匹配，又可以獲得較大的口徑尺寸，以加強(qiáng)輻射的方向性。喇叭天線根據(jù)口徑

的形狀可分為矩形喇叭天線和圓形喇叭天線等。8.3喇叭天線圖8-3-1普通喇叭天線(a)H面喇叭；(b)E面喇叭(c)角錐喇叭；(d)圓錐喇叭8.3.1矩形喇叭天線的口徑場(chǎng)與方向圖

喇叭天線可以作為口徑天線來(lái)處理。圖8-3-2顯示了角錐喇叭的尺寸和坐標(biāo)。圖中，LE、LH分別為E面和H面長(zhǎng)度;a、b為波導(dǎo)的寬邊和窄邊尺寸;ah、bh為相應(yīng)的口徑尺寸。LE≠LH時(shí)，為楔形角錐喇叭；當(dāng)LE=LH時(shí)，為尖頂角錐喇叭；當(dāng)ah=a或LH=∞時(shí)，為E面喇叭；當(dāng)bh=b或LE=∞時(shí)，為H面喇叭。喇叭天線的口徑場(chǎng)可近似地由矩形波導(dǎo)至喇叭結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的相應(yīng)截面的導(dǎo)波場(chǎng)來(lái)決定。

在忽略波導(dǎo)連接處及喇叭口徑處的反射及假設(shè)矩形波導(dǎo)內(nèi)只傳輸TE10模式的條件下，喇叭內(nèi)場(chǎng)結(jié)構(gòu)可以近似看做與波導(dǎo)的內(nèi)場(chǎng)結(jié)構(gòu)

相同，只是因?yàn)槔仁侵饾u張開(kāi)的，所以扇形喇叭內(nèi)傳輸?shù)臑橹娌?，尖頂角錐喇叭內(nèi)傳輸?shù)慕茷榍蛎娌?因此在一級(jí)近似的條件下，喇叭口徑上場(chǎng)的相位分布為平方律，角錐喇叭口徑場(chǎng)為

(8-3-1)口徑場(chǎng)的最大相位偏移發(fā)生在口徑頂角，其值為

(8-3-2)

圖8-3-2角錐喇叭的尺寸與坐標(biāo)圖8-3-3和8-3-4分別計(jì)算了角錐喇叭的通用E面和H面方向圖，圖中的參數(shù)s、t反映了喇叭口徑的E、H面的相位偏移的嚴(yán)重程度。s、t越大，相位偏移越嚴(yán)重，方向圖上零點(diǎn)消失，主瓣變寬，甚至θ=0°方向不再是最大輻射方向，呈現(xiàn)出馬鞍形狀態(tài)，而這是不希望看到的。

為了獲得較好的方向圖，工程上通常規(guī)定E面允許的最大相差為

(8-3-3)

H面允許的最大相差為

(8-3-4)

由于H面的口徑場(chǎng)為余弦分布，邊緣場(chǎng)幅小，所以φmH

可大于φmE。圖8-3-3

E面喇叭和角錐喇叭的通用E面方向圖圖8-3-4

H面喇叭和角錐喇叭的通用H面方向圖

圖8-3-5和8-3-6分別計(jì)算了E面和H面喇叭的方向系數(shù)。從圖中可以看出，在喇叭長(zhǎng)度一定的條件下，起初增大口徑尺寸可以增大口徑面積，進(jìn)而增大了方向系數(shù)，但是當(dāng)口徑尺寸增大到超過(guò)某定值后，繼續(xù)再增大口徑尺寸，方向系數(shù)反而減小。這表明扇形喇叭存在著最佳喇叭尺寸(LE,bhopt)(LH,ahopt)，對(duì)于此尺寸，可以得到最大的方向系數(shù)。實(shí)際上，最佳尺寸即為E面和H面分別允許的最大相差尺寸：

(8-3-5)

(8-3-6)圖8-3-5

E面喇叭方向系數(shù)圖8-3-6

H面喇叭方向系數(shù)滿足最佳尺寸的喇叭稱(chēng)為最佳喇叭。此時(shí)最佳E面扇形喇叭的E面主瓣寬度為

(8-3-7)

而其H面主瓣寬度仍然如表8-2-1所示，即1.18

rad

最佳H面扇形喇叭的H面主瓣寬度為

(8-3-8)而其E面主瓣寬度也仍然如表8-2-1所示，即0.89

rad。

最佳扇形喇叭的面積利用系數(shù)υ=0.64，所以其方向系數(shù)為

(8-3-9)

角錐喇叭的最佳尺寸就是其E面扇形和H面扇形都取最佳尺寸，其面積利用系數(shù)υ=0.51，其方向系數(shù)為

(8-3-10)設(shè)計(jì)喇叭天線時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)工作帶寬，選擇合適的波導(dǎo)尺寸。如果給定了方向系數(shù)，則應(yīng)根據(jù)方向系數(shù)曲線，將喇叭天線設(shè)計(jì)成最佳喇叭。

對(duì)于角錐喇叭，還必須做到喇叭與波導(dǎo)在頸部的尺寸配合。由圖8-3-7知，必須使RE=RH=R，于是由幾何關(guān)系可得

(8-3-11)圖8-3-7角錐喇叭的尺寸8.3.2圓錐喇叭

如圖8-3-8所示，圓錐喇叭(ConicalHorn)一般用圓波導(dǎo)饋電，描述圓錐喇叭的尺寸有口徑直徑dm、喇叭長(zhǎng)度L。圓錐喇叭的口徑場(chǎng)的振幅分布與圓波導(dǎo)中的TE11相同，但是相位按平方律沿半徑方向變化。

圖8-3-9計(jì)算了不同軸向長(zhǎng)度圓錐喇叭的方向系數(shù)與口徑直徑的關(guān)系。從圖中可以看出，圓錐喇叭仍然存在著最佳尺寸。與矩形喇叭類(lèi)似，當(dāng)軸向長(zhǎng)度一定時(shí)，增大口徑尺寸的效果將以增大口徑面積為優(yōu)勢(shì)逐漸地轉(zhuǎn)向以平方相位偏移為優(yōu)勢(shì)。圖8-3-8圓錐喇叭尺寸圖8-3-9圓錐喇叭的方向系數(shù)最佳圓錐喇叭的主瓣寬度與方向系數(shù)可以由以下公式近似計(jì)算：

(8-3-12)8.3.3饋源喇叭

對(duì)于普通喇叭天線，由于口徑場(chǎng)的不對(duì)稱(chēng)性，因此其兩主平面的方向圖也不對(duì)稱(chēng)，兩主平面的相位中心也不重合，因而不適宜做旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)型反射面天線的饋源。

1.多模喇叭(MultimodeHorn)

主模喇叭E面的主瓣寬度比H面窄，E面的副瓣高，E面的相位特性和H面的相位特性又很不相同。

圖8-3-10和圖8-3-11所示的為雙模圓錐喇叭的結(jié)構(gòu)和工作特性，它是在圓錐喇叭的頸部加入了一個(gè)不連續(xù)段，除了激勵(lì)主模TE11外還激勵(lì)了高次模TM11。適當(dāng)調(diào)整不連續(xù)段的長(zhǎng)度和直徑，就可以控制TE11和TM11兩種模式之間的幅度比及相位關(guān)系，在喇叭口徑上得到較為均勻的口徑場(chǎng)分布。圖8-3-10雙模圓錐喇叭圖8-3-11雙模圓錐喇叭的口徑場(chǎng)圖8-3-12顯示了一個(gè)二次變錐角的多模喇叭，盡管它利用了不連續(xù)的截面激勵(lì)多個(gè)高次模，可是當(dāng)錐角很小，例如θ≤(0.05~0.1)π時(shí)，仍然可以忽略不連續(xù)處的反射，此時(shí)，不連續(xù)處的反射系數(shù)在1%~2%以下。圖8-3-12二次變錐角多模喇叭利用變錐角模轉(zhuǎn)換理論，可以由選定的幾何尺寸求解出各不連續(xù)截面所產(chǎn)生的各高次模的幅度以及傳播至喇叭口面上的相位差，最后由喇叭口面上的所有模式之和求出喇叭天線的方向圖。經(jīng)驗(yàn)表明，如果在喇叭口面處綜合得到

則方向圖在-20dB范圍內(nèi)可望幅、相等化。

如果在喇叭口面處綜合得到

則方向圖在-14dB范圍內(nèi)可望幅、相等化。如果在喇叭口面處綜合得到則方向圖在-10dB范圍內(nèi)可望幅、相等化。

一個(gè)工作于6GHz微波中繼通信系統(tǒng)的二次變錐角多模喇叭的實(shí)際數(shù)據(jù)為：2a0=54mm，L1=155.3mm，L2=197.2mm，L3=177.5mm，L=560mm，2b=120mm，2a=175mm，θ1=12°，θ2=8°48′。圖8-3-13圓錐波紋喇叭側(cè)視圖

2.波紋喇叭(CorrugatedHorn)

自從1966年A.J.Simons、A.F.Kay以及R.E.Lawrie、L.Peters提出波紋喇叭以來(lái)，這種饋源已在測(cè)控、通信、射電望遠(yuǎn)鏡以及衛(wèi)星接收天線等系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，波紋喇叭的理論與實(shí)踐已日趨完善。

波紋喇叭的結(jié)構(gòu)如圖8-3-13所示。

3.混合模介質(zhì)加載圓錐喇叭(DielectricHybridmodeConicalHorn)

多模喇叭由于其主模和高次模的傳播速度不一樣，因而頻帶特性較差，不宜在頻譜復(fù)用體制中使用。圖8-3-14混合模介質(zhì)加載圓錐喇叭8.4.1幾何特性與工作原理

如圖8-4-1所示，拋物線上動(dòng)點(diǎn)M(ρ，ψ)所滿足的極坐標(biāo)方程為

(8-4-1)8.4旋轉(zhuǎn)拋物面天線圖8-4-1拋物面的幾何關(guān)系M(y,z)所滿足的直角坐標(biāo)方程為

y2=4fz(8-4-2)

上兩式中，f為拋物線的焦距；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。

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

x2+y2=4fz(8-4-3)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

∠FMN=∠NMM′=

MM′∥OF

(8-4-4)

(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

FMM′=FPP′

(8-4-5)圖8-4-2拋物面的口徑與張角如圖8-4-2所示，拋物面天線常用的結(jié)構(gòu)參數(shù)有：

f：拋物面焦距；

2ψ0：拋物面口徑張角；

R0：拋物面反射面的口徑半徑；

D：拋物面反射面的口徑直徑,D=2R0。

另根據(jù)極坐標(biāo)方程：得

(8-4-6)又因?yàn)閳D8-4-2所示的幾何關(guān)系，有

(8-4-7)

由上式

即可以得到焦距口徑比

(8-4-8)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(zhǎng)焦距拋物面天線電特性較好，但天線的縱向尺寸太長(zhǎng)，使機(jī)械機(jī)構(gòu)復(fù)雜。焦距口徑比f(wàn)/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)。圖8-4-3拋物面張角的類(lèi)型(a)長(zhǎng)焦距拋物面；(b)中焦距拋物面；(c)短焦距拋物面8.4.2拋物面天線的口徑場(chǎng)

拋物面的分析設(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(chǎng)分布，然后依據(jù)口徑場(chǎng)分布，求出輻射場(chǎng)。由于拋物面是電大尺寸,用這種方法計(jì)算是合理的。圖8-4-4拋物面天線的口徑場(chǎng)及其計(jì)算根據(jù)拋物面的幾何特性，口徑場(chǎng)是一同相口徑面。如圖8-4-4所示，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(chǎng)強(qiáng)為

(8-4-9)

因而由M點(diǎn)反射至口徑上M′的場(chǎng)強(qiáng)為(平面波不擴(kuò)散)

(8-4-10)式中，F(xiàn)(ψ,ξ)是饋源的歸一化方向函數(shù)。將式(8-4-1)代入式(8-4-10)，得

(8-4-11)此式即為拋物面天線口徑場(chǎng)振幅分布的表示式，可以看出：口徑場(chǎng)的振幅分布是ψ的函數(shù)。

口徑邊緣與中心的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)為

(8-4-12)

其衰減的分貝數(shù)為

(8-4-13)口徑場(chǎng)的極化情況決定于饋源類(lèi)型與拋物面的形狀、尺寸。如圖8-4-5所示，如果饋源的極化可為y方向極化，口徑場(chǎng)的極化可為x和y兩個(gè)極化方向。如圖8-4-6所示，如果是短焦距拋物面天線，口徑上還會(huì)出現(xiàn)反向場(chǎng)區(qū)域，它們將在最大輻射方向起抵消主場(chǎng)的作用，這些區(qū)域稱(chēng)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)。如果饋源方向圖

具有理想的軸對(duì)稱(chēng)，則口徑場(chǎng)無(wú)交叉極化分量。圖8-4-5拋物面口徑場(chǎng)的極化圖8-4-6短焦距拋物面口徑場(chǎng)的極化8.4.3拋物面天線的輻射場(chǎng)

求出了拋物面天線的口徑場(chǎng)分布以后，就可以利用圓形同相口徑輻射場(chǎng)積分表達(dá)式(8-2-20)和(8-2-21)來(lái)計(jì)算拋物面天線E、H面的輻射場(chǎng)和方向圖。參照?qǐng)D8-4-4，得口徑上的坐標(biāo)關(guān)系為

(8-4-14)將以上關(guān)系代入式(8-2-20)和(8-2-21)得E面、H面的輻射場(chǎng)為

(8-4-15a)(8-4-15b)故E面、H面的方向函數(shù)為

(8-4-16a)

(8-4-16b)圖8-4-7計(jì)算了這種饋源的旋轉(zhuǎn)拋物面天線在不同R0/f條件下兩主平面方向圖。圖8-4-7饋源為帶圓盤(pán)反射器的偶極子的拋物面天線方向圖(a)H面；(b)E面8.4.4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(8-2-9)即:D=

Sυ來(lái)計(jì)算。其中，υ為面積利用系數(shù)；

，為拋物面的口徑面積。圖8-4-8截獲功率與漏射功率如圖8-4-8所示，定義口徑截獲效率

(8-4-17)

則拋物面天線的增益系數(shù)G可寫(xiě)成

(8-4-18)

式中，g=υηA，稱(chēng)為增益因子。如果饋源也是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的，其歸一化方向函數(shù)為F(ψ)，根據(jù)式(8-4-10)，

(8-4-19)

可以得到面積利用系數(shù)為

(8-4-20)口徑截獲效率為

(8-4-21)

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：

(8-4-22)圖8-4-9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。盡管最佳張角與饋源方向性有關(guān)，但是和此最佳張角對(duì)應(yīng)的口徑邊緣的場(chǎng)強(qiáng)都比中心場(chǎng)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。考慮到實(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。圖8-4-9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(a)ν(ψ0);(b)η(ψ0);(c)g(ψ0)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:

(8-4-23)

SLL=-16~-19dB

(8-4-24)8.4.5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(duì)天線有很大的影響。

為了保證天線性能良好，對(duì)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?huì)使得天線的增益下降，副瓣電平抬高。

(3)饋源應(yīng)有較小的體積，以減少其對(duì)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。8.4.6拋物面天線的偏焦及應(yīng)用

由于安裝等工程或設(shè)計(jì)上的原因，饋源的相位中心不與拋物面的焦點(diǎn)重合，這種現(xiàn)象稱(chēng)為偏焦。偏焦分為兩種：饋源的相位中心沿拋物面的軸線偏焦，稱(chēng)為縱向偏焦；饋源的相位中心垂直于拋物面的軸線偏焦，稱(chēng)為橫向偏焦。縱向偏焦使得拋物面口徑上發(fā)生旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的相位偏移，方向圖主瓣變寬，但是最大輻射方向不變，有利于搜索目標(biāo)。正焦時(shí)方向圖主瓣窄，有利于跟蹤目標(biāo)。卡塞格倫天線是由卡塞格倫光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)展起來(lái)的一種微波天線，它在單脈沖雷達(dá)、衛(wèi)星通信以及射電天文等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

如圖8-5-1所示，標(biāo)準(zhǔn)的卡塞格倫天線由饋源、主反射面以及副反射面組成。主反射面為旋轉(zhuǎn)拋物面M，副反射面為雙曲面N。

表8-5-1中列舉了在無(wú)線電技術(shù)設(shè)備中三種實(shí)際使用的天線的電參數(shù)，以供參考8.5卡塞格倫天線圖8-5-1卡塞格倫天線的結(jié)構(gòu)表8-5-1三種實(shí)際天線的電參數(shù)無(wú)論拋物面天線還是卡塞格倫天線,都會(huì)有一部分由反射面返回的能量被饋源重新吸收，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為陰影效應(yīng)。陰影效應(yīng)不僅破壞了天線的方向圖形狀，降低了增益系數(shù)，加大了副瓣電平，而且破壞了饋源與傳輸線的匹配。盡管可以采用一些措施來(lái)加以改善，但是會(huì)由此縮小天線的工作帶寬，很難做到寬頻帶尤其是多頻段。8.6喇叭拋物面天線

假如我們能把饋源移出二次場(chǎng)的區(qū)域，則上面所提到的陰影效應(yīng)也就可以避免了。喇叭拋物面天線正是基于這種考慮提出的。喇叭拋物面天線是由角錐喇叭饋源及拋物面的一部分構(gòu)成的。饋源喇叭置于拋物面的焦點(diǎn)，并將喇叭的三個(gè)面延伸與拋物面相接，在拋物面正前方留一個(gè)口