第6章面狀天線

1、第第6章章 面狀天線面狀天線呂劍剛信息與電氣工程學(xué)院但在微波波段，廣泛使用的是金屬導(dǎo)體構(gòu)成的口徑天線和反射面天線，這類天線統(tǒng)稱為面狀天線。喇叭天線 拋物面天線 卡塞格倫天線 面天線類型面狀天線主要有喇叭天線、拋物面天線和卡塞格倫天線l面狀天線由兩部分構(gòu)成：一部分是初級(jí)饋源，它的作用是將無(wú)線電設(shè)備中的高頻電磁能量轉(zhuǎn)換為向空間輻射的電磁能量，通常由對(duì)稱振子、縫隙或喇叭構(gòu)成。l另一部分是輻射口面，它的作用是將初級(jí)饋源輻射的電磁波形成所需要的方向性波束，常見(jiàn)的口面有喇叭口面、拋物面口面等。l面狀天線廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、微波中繼、導(dǎo)航、衛(wèi)星通信、射電天文及氣象中。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l6.1 等效原理和面元

2、的輻射場(chǎng)l6.2 口面場(chǎng)的一般表達(dá)式l6.3 口面場(chǎng)輻射特性的一般分析l6.4 喇叭天線l6.5 拋物面天線l6.6 卡塞格倫天線l面狀天線的分析方法與線式天線相類似，先求輻射場(chǎng)，然后求方向系數(shù)和阻抗等。l直接求解復(fù)雜，通常用近似求解方法。l波動(dòng)光學(xué)法：對(duì)場(chǎng)的求解分為兩個(gè)獨(dú)立問(wèn)題，一、求解包圍天線的某一封閉空間V內(nèi)的場(chǎng)，即求解內(nèi)部場(chǎng)。二、根據(jù)惠更斯原理，由封閉面上的場(chǎng)分布求解V以外的其他空間的場(chǎng)，即求解外部場(chǎng)。6.1 等效原理和面元的輻射場(chǎng)等效原理和面元的輻射場(chǎng)6.1.1 6.1.1 惠更斯原理惠更斯原理l惠更斯原理：在波傳播的過(guò)程中，任一波前面上的各點(diǎn)，都可以當(dāng)作是新的波源，輻射次級(jí)波。所有

3、這些次級(jí)波又構(gòu)成了新的波前。將波前上的任一點(diǎn)波源叫做面元，又稱為惠更斯波源。l費(fèi)涅爾后來(lái)又發(fā)展了惠更斯原理，進(jìn)一步假設(shè)從任一波前面上各點(diǎn)發(fā)出的子波同時(shí)傳到空間某一點(diǎn)M時(shí)，該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小是各子波在這點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的矢量疊加。l因此球解空間某一點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，不一定從激勵(lì)源出發(fā)求解，可以把實(shí)際場(chǎng)源產(chǎn)生的波的某一波前面上場(chǎng)強(qiáng)分布作為次級(jí)波源來(lái)求解。6.1.2 6.1.2 等效原理等效原理6.1.3 6.1.3 面元的輻射場(chǎng)面元的輻射場(chǎng)面元上的電磁場(chǎng)面元上的電磁場(chǎng)等效面電流密度與等效面磁流密等效面電流密度與等效面磁流密度度面元方向圖面元方向圖P181，圖，圖5.7l面元是面狀天線的基本輻射單元，在計(jì)算面狀天線在空間

4、的輻射場(chǎng)時(shí)，需要利用面元的輻射場(chǎng)采用積分的方法求得。6.2 6.2 口面場(chǎng)的一般表達(dá)式口面場(chǎng)的一般表達(dá)式6.3 口面場(chǎng)輻射特性的一般分析口面場(chǎng)輻射特性的一般分析6.4 喇叭天線喇叭天線6.4.1 喇叭天線的結(jié)構(gòu)及分類喇叭天線的結(jié)構(gòu)及分類 6.4.2 喇叭天線的口面場(chǎng)分布規(guī)律喇叭天線的口面場(chǎng)分布規(guī)律6.4.3 喇叭天線輻射場(chǎng)的方向性與最佳喇叭喇叭天線輻射場(chǎng)的方向性與最佳喇叭6.4.1 6.4.1 喇叭天線的結(jié)構(gòu)及分類 可以看出，不管什么形狀，就其結(jié)構(gòu)來(lái)講可以看成由兩大部分構(gòu)成：一是波導(dǎo)管部分，一是波導(dǎo)管部分，橫截面有矩形，也有圓形；二是真正的喇叭天線部分二是真正的喇叭天線部分。 波導(dǎo)部分相當(dāng)于線

5、天線中的饋線，是供給喇叭天線信號(hào)和能量的部分。對(duì)工作于厘米波或毫米波段內(nèi)的面天線，如采用線狀饋線，將因饋線自身的輻射損耗太大不能把能量傳送到面天線上，所以，必須采用自身屏蔽效果很好的波導(dǎo)管波導(dǎo)管作饋線。矩形波導(dǎo)的橫向解HHmanbeEjknbHmaxnby eEjkmaHmaxnby eEHkmaHmaxzzxczyczzxc02020200coscoscossinsincossincoscossinnby eHknbHmaxnby ezycz20kkkmanbcxy22222上面稱為上面稱為T(mén)Emn波波 m表示表示x方向變化的半周期數(shù)方向變化的半周期數(shù) (即小即小大大小小) n表示表示y方向

6、變化的半周期數(shù)。方向變化的半周期數(shù)。6.4.2 矩形喇叭天線口面場(chǎng)分布規(guī)律 1、矩形喇叭天線的口面矩形喇叭天線的口面場(chǎng)結(jié)構(gòu)場(chǎng)結(jié)構(gòu) 為了說(shuō)明喇叭天線的口面場(chǎng)結(jié)構(gòu)，可用一個(gè)矩形喇叭來(lái)說(shuō)明。右圖畫(huà)出了一個(gè)矩形扇形喇叭天線的場(chǎng)分布圖。 （1）當(dāng)矩形波導(dǎo)前端面開(kāi)口時(shí)，也同樣能產(chǎn)生電磁輻射，只是因?yàn)榭诿嬷睆教?，按面天線理論，口面積越大，輻射場(chǎng)越強(qiáng)，方向性越好。這樣由矩形波導(dǎo)前端面產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)將較弱，方向性也相對(duì)較差。如果采用開(kāi)口形狀喇叭，口面積相對(duì)增大，輻射場(chǎng)也將增強(qiáng)； （2）當(dāng)矩形波導(dǎo)前端開(kāi)口時(shí)，將造成電磁波在波導(dǎo)內(nèi)、外的存在空間不同。兩個(gè)大小不同的空間環(huán)境對(duì)電磁波呈現(xiàn)的阻抗也不相同，其結(jié)果就是電磁

7、波在波導(dǎo)中形成駐波形式，影響能量傳輸。如把波導(dǎo)開(kāi)口做成喇叭形狀，可以使電磁波由波導(dǎo)傳到大空間時(shí)有一個(gè)漸變過(guò)程或過(guò)渡過(guò)程，這樣能減緩阻抗的驟變，使電磁波在波導(dǎo)內(nèi)傳輸時(shí)的駐波成份減少，有利于提高能量在波導(dǎo)中的傳輸效率。2、矩形喇叭天線口面場(chǎng)相位分布特點(diǎn)3、矩形喇叭天線口面場(chǎng)振幅分布l對(duì)于矩形喇叭天線，可以看成是由矩形波導(dǎo)沿不同邊逐漸張開(kāi)而形成，因此，在矩形喇叭天線中，其口面場(chǎng)相位除隨變化邊坐標(biāo)按平方律分布外，振幅總是隨寬邊x按余弦規(guī)律分布。把三種喇叭天線口面場(chǎng)振幅和相位隨寬邊x和窄邊y的分布用數(shù)學(xué)式子表示出來(lái)就是：6.4.3 喇叭天線輻射場(chǎng)的方向性與最佳喇叭 E面喇叭的E面方向圖 H面喇叭的H面方

8、向圖2、矩形喇叭的方向系數(shù)與最佳喇叭6.5 拋物面天線拋物面天線6.6 卡塞格倫天線卡塞格倫天線 卡塞格倫天線的工作原理是，根據(jù)雙曲面的性質(zhì)，由F2發(fā)出的電磁波被副面反射，其反射的電磁波方向可以看成是共軛焦點(diǎn)F1發(fā)出的射線方向。又因?yàn)镕1是拋 物面的焦點(diǎn)，所以，由F2發(fā)出的電磁波經(jīng)副反射面和主反射面反射后，在口徑面形成同相場(chǎng)，從而得到平行于軸向的電磁輻射波。 卡塞格倫天線由三部分組成：1、主反射面（旋轉(zhuǎn)拋物面）2、副反射面（雙曲面）3、饋電喇叭其他類型的天線其他類型的天線l微帶天線l智能天線第第7章章 電波傳播電波傳播l電波傳播的基本知識(shí)l空間波傳播l地面波傳播l天波傳播l外層空間傳播天線制造和測(cè)量天線制造和測(cè)量l天線制造l天線測(cè)量基礎(chǔ)l阻抗、S11、VSWR和回?fù)p測(cè)量l輻射模式測(cè)量l增益測(cè)量天線制造天線制造l導(dǎo)電材料（導(dǎo)電率越高越好） 機(jī)械、環(huán)境、成本、重量 銅（黃銅、青銅）、鋁l介質(zhì)材料 天線測(cè)量天線測(cè)量l阻抗 輸入阻抗、S11、VSWR（電壓駐波比）、回?fù)pl輻射特性 復(fù)雜、耗時(shí)測(cè)量基礎(chǔ)測(cè)量基礎(chǔ)l散射參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀l標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀（SNA） 測(cè)量參數(shù)的幅度，如VSWR、回?fù)p，增益等l矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA） 測(cè)量參數(shù)幅度和相位VNAl透射測(cè)量 增益、插入損耗、插入相位、透射系數(shù)（S12，S21）、電長(zhǎng)度、電延遲、