天线原理与设计讲义课件.ppt

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1、天线原理与设计,教师：王建,电子工程学院二系,第十一章 单反射面天线,11.1 概述,单反射面天线是指用一个反射面来获得所需方向图的天线系统。天线的反射面可以是各种形状的导体表面。见图11-1，如旋转抛物面天线、柱形抛物面天线、球形反射面天线等。根据反射面的形状不同，它可以被一个或多个馈源照射。如柱形抛物面天线,圆环形抛物面天线，其反射面形状决定了应由多个单元天线组成馈源。单反射面天线中最典型的、用的较多的是旋转抛物面天线。,双反射面天线是指用两个反射面，使从馈源发出的电磁波经两次反射后在空间形成所需波束的天线系统。这在第十二章中介绍。,这一章重点介绍旋转抛物面天线,其结构为反射面和放置在焦点

2、处的馈源组成，如右图所示。将介绍其分析方法，几何结构,面电流分布,口径场分布，远区辐射场，电参量及各种馈源。,旋转抛物面天线是一种主瓣窄、副瓣低、增益高的微波天线。它广泛应用于雷达、通信、航天、天文等领域中。,一、旋转抛物面天线结构组成和工作原理,组成 它由一个旋转抛物面和一个馈源组成。其抛物面由抛物线绕其轴线旋转形成；其馈源可以是多种形式，如带反射板的短偶极子，缝隙天线，喇叭天线等，其相位中心放置在抛物面的焦点上。,返回,工作原理,作发射时，旋转抛物面天线利用抛物面的反射特性，使得由其焦点处的馈源发出的球面波前，经抛物面反射后转变为在抛物面口径面上的平面波前，从而使抛物面天线具有锐波束、高增

3、益的性能。,作接收时，外来的平面波经抛物面反射后，聚焦到其焦点处，由馈源接收。,二、分析方法,反射面的分析方法主要有两种:,1.面电流法,即先求出馈源所辐射的电磁场在反射面上激励起的感应电流密度，然后由此电流密度求远场。,在f、D的条件下反射面上某点的感应电流为：,on S(11.1),链接,式中，Hi为馈源辐射磁场在反射面上某点的值；为反射面上某点的法向矢量。见前面图。这个电流密度表示是在理想导电平面上导出的，对于曲面导电面只要该点的曲率半径远大于波长时，式(11.1)也是有效的。,2.口径场法,先根据几何光学定律，分析馈源照射到反射面的入射波，经反射后到达反射面的一个口径面S0上，求得反射

4、面的口径场分布，然后由口径场可求得远区辐射场，见前面图。,11.2 旋转抛物面天线的几何关系,可以证明，这两种方法是等同的。在反射面天线远场的主瓣及邻近的一个范围内两种方法求得结果十分吻合,但在主瓣的较远方向有一定差别。与实验结果比较，面电流法更精确些，但分析也复杂些。,旋转抛物面天线是由抛物线绕其轴旋转而成的，如后面图所示，反射面的焦点为F，由于是旋转抛物面，则由其焦点发出的球面波射线经反射面反射后，将变换为平面波。,几何光学只有波长趋于零时才正确，反射定律也只有当电磁波作用于一个导电平面上才正确。因此口径场法也是近似的。,取通过焦点F而垂直于反射面轴线z轴的一个平面S0，并设M为抛物线上的

5、点，P为S0上的点，Q为准线上的点，且此三个点在一条直线上。由抛物线性质，有,故,则,在 坐标系下，则,返回,(11.4),(11.5),平移坐标系为x,y,z，则得,(11.6),或写作,取x=D/2，=0得,(11.8),链接,当0=/2时，f/D=0.25，称为中等焦距抛物面；,当00.25，称为长焦距抛物面；,当0/2时，f/D0.25，称为短焦距抛物面；,这三种焦距的抛物面天线如图所示。,f/D是一个很重要的参量。一般来说f/D较大时，天线的电特性较好，但也不能取得太大，否则天线纵向尺寸太长，且能量泄漏大，f/D有一最佳值使G最大。,11.3 旋转抛物面表面上的电流分布,若给定抛物面

6、天线的增益G，就可确定口径直径D，再选定合适的f/D，则抛物面的形状就确定了。由下式,可求得0，则馈源需要照射的角度为20，这样便可设计馈源。,由馈源所辐射的电磁波照射抛物面(导电面)，则将在其表面上感应起表面电流，由此电流分布就可求得远区辐射场。,旋转抛物面天线的馈源可为多种形式，不同形式的馈源照射到反射面上的磁场Hi不同，则由 得到的感应电流密度也不同。,不失一般性，作为例子。我们采用带反射盘的短偶极子作馈源。,一、带反射盘的短振子作馈源,1.求Hi,分析模型如图所示。,振子矢量位为,(11.9),镜象振子矢量位为,(11.10),返回,合成矢量位为,(11.11),式中，。由如下公式可计

7、算辐射磁场,(11.13),(11.12),因,若反射面在馈源的远区,忽略项,及代入 和，得,(11.14),链接,2.求,由抛物线极坐标方程,记=，并令，得抛物面法向矢量为,(11.16),其模为,把球坐标系中的矢量转换为直角坐标系中的矢量，可由如下公式,(11.18),3.求 J,在柱坐标系下表示的电流分布的三个分量Jx,Jy,Jz,由书上式(11.15)给出。由此可得图11-10所示的抛物面上的电流分布。,(11.20),4.讨论,由图可见，馈源为x方向极化时，反射面上感应的电流分布主极化分量是Jx，交叉极化分量为Jy和Jz。注意：Jy和Jz对远区场辐射的主瓣方向(z方向)没有贡献，但对

8、副瓣有影响。如果馈源极化为y方向，则感应电流的主极化分量就是Jy。不同焦距时反射面上的感应面电流密度如上图所示。,返回,长焦距情况(0/2),Jx分量大，Jy和Jz分量小，且照射均匀，反射面远场方向性强，副瓣相对较低。,中等焦距情况(0=/2),Jx分量为主，Jy分量增大，使辐射场交叉极化分量大。,短焦距情况(0/2),反射面上电流分布形成了两个极点区，在极点区的Jx与主区中的Jx反向，这将使主波束幅度降低，相应的副瓣就升高。因此，两个极点区我们称之为“害区”。,所以，实际使用中的旋转抛物面天线，一般都采用长焦距情况。如果要采用短焦距情况，则可把“害区”切割掉。,链接,以上分析是针对具体的馈源

9、带反射盘的短振子(x方向极化)进行的。如果不针对具体馈源，一般情况下可以进行如下分析。,二、一般馈源,假设在旋转抛物面焦点处有一增益为Gf(,)的x方向极化的馈源，输入功率为Pi，由增益定义,理想点源辐射功率为,(11.21),(11.23),11.4 旋转抛物面天线口径上的场分布,确定旋转抛物面天线口径上的场分布，首先需要确定其口径面S0，然后通过馈源照射到反射面上的场Ei确定反射场Er，从而求得口径面上的场Es。在这个过程中还要确定反射场的方向单位矢量。,返回,一、确定口径面S0,旋转抛物面天线的口径面，是一个垂直于z轴的平面。口径面大小是旋转抛物面圆口径在该平面上的投影，如下图所示。口径

10、面一般选择为通过焦点的平面。要确定口径面上的场分布，首先要求得馈源发出的场在反射面上的反射场。,二、确定反射场Er,前面式(11.24)给出了馈源入射到反射面上某点的电场Ei(,),若不计反射面损耗，则为全反射，即|Er|=|Ei|，因此有：,返回,则S0面上的场为,式中，r+z0-z=f+z0是射线由焦点到口径平面上的总光程，在口径面S0上，场相位为常数。,三、单位矢量 的确定,可由边界条件 来确定，可得,(11.28),(11.29),对长焦距情况(0/2)，。,链接,四、口径场法和面电流法的比较,重写前面式(11.28)的口径场表示,(11.31),式中，erx和ery由书上式(11.2

11、6)给出。由P260式(11.29)的面电流分布,(11.30),比较式(11.30)和(11.31)可以看出，面电流比口径场多了一个z方向分量，另外一个分量在计算远场时两者幅度是一样的。而多出的z分量对方向图主瓣无贡献。所以不管用面电流还是口径场作为初始数据来求辐射场。两者的结果在主瓣范围内是相同的。,11.5 旋转抛物面天线的辐射场,两种方法的区别是，口径场法未考虑Jz对远区场的贡献。而Jz在主瓣范围内贡献很小，但对远副瓣有贡献。因此，面电流法更准确些。,旋转抛物面天线的辐射场，既可以根据其口径场分布来计算，也可以根据面电流来计算。,一、由口径面S0上的场分布Es求远区辐射场,设S0上的场

12、为，则口径面上的等效电磁流为,(11.32),(11.33),可得,(11.34),二、面电流法计算远区辐射场,式中，s是为反射面表面。若馈源为x方向极化(如前面提到的带反射盘的偶极子)，则抛物面天线的辐射场主要是由抛物面上的Jx确定，因此，由式(11.36)可得分量为,返回,(11.37),式中，,则,式中，sin=R/r。抛物面的表面积分面元为,(11.38),Jx由书上式(11.15)表示，然后可得书上式(11.40)，经一系列运算，最后可得式书上(11.43)的结果。由式(11.43)可得到E面和H面的归一化方向图，见书上图11-16。,链接,比较E面和H面方向图，可见H面方向图主瓣窄

13、些，这是因为口径面上H面的场(或电流密度)分布比E面的要均匀些。,对不同的R0/f 值，方向图也有所不同。这是由于口径场幅度分布随R0/f 的不同所致。小口径(焦距f大)的场分布要均匀些，主瓣也窄些，但副瓣大些。,P264表11.1列出了不同R0/f 值时的主瓣宽度和副瓣电平。当R0/f=1.3时,其增益最大，此时对应的主瓣宽度为,(11.39),11.6 空间衰减因子,一、空间衰减,空间衰减是指球面波在传播过程中随距离的增加而引起的衰减。在前面导出的抛物面天线的口径场分布为,式中，。,此式说明:抛物面天线的的口径场分布，不仅与馈源的方向图函数有关,而且还与由焦点到反射面上某点的距离r有关。,

14、由抛物面天线工作原理可知，由焦点处馈源发出的波为球面波,到达反射面的场与距离成反比(即空间衰减),到达反射面的场经反射后变换为平面波，经过距离z0-z到达口径面。由于假设为平面波，所以这段距离的传播只考虑相位变化，不考虑空间衰减。如下图所示。,抛物面天线的空间衰减因子就集中体现在由焦点发出的球面波入射到反射面这段空间。由,且r+z0-z=C，则口径电场分布可写作,(11.40a),返回,式中，单位矢量 由P260式(11.26)表示。,空间衰减定义为：均匀辐射的馈源在抛物面的边缘与中央的功率密度之比。,按此定义取Ff(,)=1，此时式(11.40a)可写作,(11.40b),在抛物面的中心处(

15、=0)，,(11.41),由功率密度公式，可得空间衰减为,链接,(11.42),二、口径场分布的近似,由馈源方向图函数Ff(,)来计算旋转抛物面天线的口径场分布Es较复杂，从而使得计算远场也复杂。大多情况下可用典型分布来逼近Es。例如,x方向的短电偶极子,其方向图函数为,当抛物面的焦径比为f/D=0.35时,由f/D=ctg(0/2)/4，可得0=71.2，此时可求得口径面上的分布图|Es|。见P267图11-19虚线。,由半空间余弦方向图函数得到的口径场为,对长焦情况。把它代入式(11.34)计算远场是较复杂的。可取典型口径分布,链接,来逼近。式中K为口径边缘的场强,由0确定.当0=71.2

16、和K=0.215，且取P=1.5和P=2时可得两者的口径场分布如P267图11-19所示.图中说明两者的口径场分布十分接近。因此可用近似口径场分布代替实际分布计算远场.由书上P209表9.4可得抛物面天线的方向图参量为,这一节先讨论馈源为带反射盘的偶极子时的增益，然后讨论一般馈源时的旋转抛物面天线的增益。,一、馈源为带反射盘的偶极子,由增益定义出发可得,(相同Pin)(11.43),式中，E为抛物面天线远场，见书上式(11.43)；Gf为馈源增益；Ei=Il/(r)为馈源在最大方向上的远场。增益因子g为,11.7 旋转抛物面天线的增益,(11.44),馈源增益约为Gf05.15，可得gR0/f

17、 曲线如下图所示,由此图可见，当R0/f=1.3时增益因子最大，为 g=0.83,最大增益物理解释,当馈源方向图和抛物面天线的焦径比确定时，并非所有馈源功率都照射在反射面上。焦距大时则照射功率漏失大，如下图所示。,(1)当R0/f减小时(长焦)，漏失的能量增大，使增益因子g减小。,(2)R0/f减小的同时，馈源照射到反射面上的场的均匀程度也增加了，这反而使g增大。,这两个因素的影响结果就得到一个最佳值(R0/f=1.3)。我们可把这两个因素分开写作g1和g2，因此得到增益表示为,(11.45),式中，g1表示口径效率(与同)，与照射均匀程度有关；,g2表示截获效率(或波束效率),与馈源方向图和

18、f/D有关。,下面就一般形式的馈源来讨论g1和g2。,二、一般形式的馈源,一般形式馈源的增益表示可写作,(11.46),1.口径效率g1,把前面式(9.6)重写如下,返回,(11.47),为馈源到反射面上某点的距离。,式(11.47)分母上的面积分计算,注意到该面积分是对馈源功辐射率密度的积分，可看作是馈源在张角为20的一个圆锥立体角内辐射的功率，且式(11.46)表示的增益方向图为旋转对称的(与无关)，则该面积分可化作,链接,(11.50),式中，R0为抛物面天线口径半径。由书上P258式(11.17)得,(11.51),(11.52),返回,在口径边缘，口径面积为,(11.53),把式(1

19、1.51)和(11.52)代入(11.50)得,(11.54),把式(11.49)、(11.53)和(11.51)代入式(11.47)得,(11.55),由此式计算的口径效率g1与张角0的关系曲线如下图所示。,链接,由图可见，当馈源方向图一定时(即n一定)，随0的增大，口径效率g1将下降。0一定时，n增大，g1也下降。,2.截获效率(或波束效率),定义为：,不计热损耗，截获功率就为馈源投射到反射面上的功率。馈源辐射总功率为,(11.56),式中，可得,(11.57),(11.58),式中，,(11.60),(11.61),由上式可得g2与0的关系曲线如下图所示。,由图可见,当n一定时,0加大,

20、g2也大;0一定时,n大,g2也大。而g1与n、0的关系正好相反，因此，g=g1 g2有一最佳值。,3.总效率g,总效率是口径效率与截获效率的乘积，即,(11.63),由此式可给出g与0的关系曲线如下图所示。,由图可见，当馈源方向图一定时(n一定)，增益因子g=g1 g2有一最大值，gmax=0.83，所对应的张角为最佳张角0p。,因f/D=ctg(0/2)/4，则f/D也有一最佳值。,虽然不同的馈源方向图(即不同n)所对应的0p不同，但均有gmax=0.83。,当n=2时，0p66，R0/f=1.3，gmax=0.83，与带反射盘的振子馈源相同。,不同n时的最佳张角0p列于下表中。,三、效率

21、最高时的边缘照射电平,由口径场分布表示|Es()|出发，考虑口径边缘电场|Es(0)|和口径中心点电场|Es(0)|的比值，在效率最佳时的照射张角(0=0p)情况下来确定边缘照射电平值。,口径场为：,式中，,由前表中不同n对应的最佳张角0p代入上式，可得下表:,由表可见，不同馈源(不同n值)的最大效率(增益)时的边缘照射电平均为,(11.68),工程上一般可取。,*抛物面天线的简单设计过程,已知和20.5,(2)由最佳焦径比确定焦距f：,(3)确定馈源照射张角0：,(5)馈源的设计：,(4)计算G和SA：,11.8 旋转抛物面天线的馈源,一、对馈源的要求,馈源是反射面天线的组成之一，对抛物面天

22、线来说，一旦其形状尺寸确定之后，天线系统的性能就取决于馈源了。为了保证天线有良好的性能，一般对馈源有如下要求：,1.有一确定的“视在相位中心”(或称等效相位中心)，且置于焦点。使馈源的视在相位中心放在抛物面的焦点上，这样可保证口径面为等相位面,见右图。否则，会使方向图畸变，增益下降。,2.馈源方向图旋转对称，且满足要求的边缘照射。,旋转对称,满足要求的边缘照射。,如只要求最大增益，则馈源方向图应使抛物面口径得到均匀照射，并且全部功率都投射到抛物面上。此时的馈源方向图是理想的均匀照射，其表示为,(11.69),式中，则归一化方向图函数为,(11.70),理想均匀照射时的馈源归一化方向图如下图所示

23、。,现实中找不到理想均匀照射的馈源，但可设计馈源使其方向图逼近理想情况。,对大多数馈源，其方向图为，在最大增益情况下，馈源照射的边缘电平约为-11dB。,3.馈源遮挡小。遮挡的影响使G,SLL。,4.馈源的极化、带宽满足要求。,馈源的极化、频带宽度决定了抛物面天线得极化和带宽。即抛物面天线的极化和带宽完全由馈源决定。,5.功率容量、机械强度等的要求。,二、馈源的主要形式,1.波导辐射器,矩形波导辐射器，主模TE10。,圆波导辐射器，主模TE11。,圆波导口作馈源的优点：,(1)圆波导口天线的E面和H面方向图差别不大，其立体方向图形状接近旋转对称。,(2)采用圆波导作馈源，能减小抛物面口径上的感

24、应电流交叉分量。因为圆波导口本身的交叉极化分量和抛物面上产生的交叉极化分量是相反的，见下图。这将降低副瓣，提高增益。,(3)圆波导的副瓣和后瓣也比矩形波导的低。,若采用开口矩形波导作馈源，则应该改善其H面的方向图使其波瓣宽些以达到均匀照射的目的。如采用带扩散棒的切角波导口。见P273图11-27。,2.喇叭馈源,实际应用中，旋转抛物面天线的馈源，大多采用喇叭天线，包括圆锥喇叭和角锥喇叭。喇叭馈源的安装有各种形式，书上P273图11-28给出了两种形式。,为了保证喇叭馈源的方向图在主瓣的一个较大的范围内存在一个“视在相位中心”，则喇叭口径边缘的相位差。角锥喇叭馈源的-10dB波瓣宽度，可按下列经

25、验公式计算。,(11.71),(11.72),若，,考虑空间衰减，应取。例如，当=3.2cm时，可得到P273图11-29时的曲线，该曲线可由下式近似表示,(11.73),由图可查得，则得,上述计算过程，可由如下图来说明。,3.盒形多模馈源,TE10模传输的矩形波导，当其宽边变宽时，则将激励起高次模，如下图所示。,合理选择尺寸a1及对称馈电,使宽波导中只存在TE10和TE30。若宽波导为有限长，则在口径内也有高次模。但是以TE10和TE30为主。这两个模的幅度可由盒形尺寸调节，此二模的合成如下图所示：,11.9抛物面与馈源的相互影响和克服方法,4.振子型馈源,振子馈源有多种形式，见书上P274

26、图11-3211-34。,5.开槽天线馈源,见书上图11-35。振子型馈源和开槽天线馈源的馈电结构紧凑,遮挡小。,其它还有，波纹喇叭馈源，高效率喇叭馈源，甚至可用LPPA天线作馈源。,抛物面与馈源的相互影响是指：,馈源对抛物面天线的遮挡；,抛物面所反射的能量一部分可能进入馈源，这将引起馈源传输线内产生附加反射波，而导致馈线失配。,一、馈源和支撑杆对口径面的遮挡,由于馈源、馈线和支撑杆在电磁波辐射的路径上形成遮挡，其影响相当于口径面减小，见P275图11-36、P276图11-37和图11-38。口径面的减小，使天线方向图的主瓣变宽，副瓣升高，增益降低。,减小馈源的遮挡：比如馈源为喇叭，喇叭口径

27、小则其照射波瓣就宽，f/D就应小，但f/D太小照射均匀程度受影响。f/D大照射虽然均匀些，但喇叭照射波瓣要求尖锐些，喇叭口径就要大，遮挡就大，因此喇叭口径的选择要兼顾f/D的选择。,减小支撑杆的遮挡。合理选择支撑杆可使遮挡造成的增益损失小到0.16dB。见 P278。,二、抛物面反射波对馈源的影响,三、遮挡影响近似计算,遮挡影响可采用几何光学法近似分析。其思路为:,(1)确定遮挡体在口径上的几何阴影区，阴影区面积为遮挡面积；,(2)假设被遮挡的能量全部由遮挡体吸收，无反射，不影响照明区内的场分布，阴影区内的场为零。,这样，天线的辐射场可认为是没有遮挡时的辐射与被馈源所遮挡部分的辐射之差。,为了

28、简化分析，设馈源为圆形口径，则其模型如下图所示，分析时需要知道未遮挡时的口径场分布和遮挡后阴影区的口径场分布。,设未遮挡的原口径场分布为,(11.75),由于dD，故遮挡的场看作是均匀分布的，即,(11.76),式(11.75)的口径分布产生的辐射场ED()，可由P207式(9.71)取p=1得到，即,(11.77),式(11.76)的均匀口径分布产生的远场Ed()，可由P203式(9.46)得到,(11.79),式中,遮挡后的远区合成总辐射场为,返回,当取D/=50，d/=5时，可画出ED()、-Ed()和ET()的方向图，如下图所示。从图中可以看出，-Ed()在=0050范围内接近一条直线

29、。合成总辐射场ET()的主瓣最大值比未遮挡时的ED()的最大值有所降低，副瓣有所升高。,链接,返回,有遮挡时的第一副瓣电平为,式中，ETs1为合成场的第一副瓣值，EDs1为未遮挡时方向图的第一副瓣值。如果未遮挡时天线的副瓣电平已知，即|EDs1|/|ED(0)|为已知，从而可计算有遮挡时的天线副瓣电平SLL1。,(11.81),链接,有遮挡时与无遮挡时的增益之比为,(11.82),用分贝表示为,由此式可计算增益下降了多少。,四、消除反射面的反射波对馈线线路的影响,5.中心挖空或涂敷吸收材料（见P281图11.43）,反射波极化的扭转,馈源偏置的抛物面天线,一、结构,二、公差,根据电气特性和使用

30、环境的要求不同，抛物面可做成实体、栅状、网状和实体上打孔的反射面。波长为3cm以上波段一般采用实体。如卫星地面站天线、射电天文等。波长为5cm以下的波段有时为了抗风力可做成网状。,进行机械设计加工，一般都要求给出加工误差。如何设计估算加工误差与天线的性能指标密切相关。,1.反射面凹凸公差要求,由焦点F发出的波径反射面反射到达一个参考平面上的两点P和P的波程差为(见下图),11.10 抛物面天线的结构和设计公差,若抛物面可能是下凹和凸出两个方向偏离。因此引起的相位偏差为：,(11.84),可见，抛物面上凹凸不平的公差要求随变化而不同。小，小(要求高)边缘公差可大些。大口径抛物面可分区提出公差要求

31、。,抛物反射面公差一般采用均方根误差:,(11.83),均方根误差对G、F()和 SLL的影响可得出定量公式，这里给出对G影响的公式：,(11.87),式中，G0理想抛物面天线增益(无公差时)G 实际增益(有公差时),(11.86),纵向偏焦如右图所示。,由F和F到P的波程差为,(1)纵向偏焦（很小）,(11.88),这表明，纵向偏焦使口径场产生平方率相差。,口径边缘与中心的最大相差为：,馈源的安装，要求其相位中心安装在抛物面的焦点上，但实际安装总存在误差。偏焦分两种情况，即纵向偏焦和横向偏焦。,2.馈源安装误差偏焦,纵向偏焦，口径场相位为平方率分布，使主瓣变宽，增益降低。,在焦径比,反射面直

32、径D=210cm，此时，按式(11.91)计算得,(11.91),(11.90),(11.89),纵向偏焦也有应用，由于纵向偏焦较大时波瓣变得很宽，这样一部天线可以兼作搜索和跟踪之用，大尺寸偏焦时用作搜索，不偏焦时用作跟踪目标。,设工作波长=13.6cm,馈源方向图对抛物面边缘照射电平约为-9dB情况下,馈源纵向偏焦=0,5.08,10.16,15.24,20.32,22.8,25.4,28,30.48(cm),对应f=0,1,2,3,4,5,6,7,8 计算的方向图如下图所示:,（2）横向偏焦（x很小）,横向偏焦如右图所示。,由F和F到P的波程差：,(11.92),当为小角度时,x/f,则,

33、(11.93),横向偏焦时偏离点的小范围内为直线律和立方律相差。,一般情况：,口径边缘与中心的最大相差为,(11.94),允许的最大偏差，由 确定，x由书上式(11.109)表示.考虑到(长焦情况)且x很小,(11.95),(11.96),线性律相位分布影响,由书上P284图11-49可见，,由 得口径边缘(x=D/2)最大相位差为,(11.97),由P212式(9.87)可得01=0。说明线性率相位分布将引起波束偏离轴向0。如下图所示。,(a)极坐标图(b)直角坐标图,立方律相位分布影响,(11.98),3m的影响有两个方面:,使总相差 小，使波束的轴线偏移01减小;,使波瓣变宽，G，SLL

34、。,横向偏焦，等相位面偏转01角度。这将使主瓣变宽，副瓣升高，增益减小，而且在波束偏向的另一边副瓣大。,应用：馈源横向偏焦引起波束偏移这一现象在雷达的圆锥扫描和焦平面上的多个馈源(阵列)形成多波束天线等方面得到应用。,设有一副开口波导作馈源的旋转抛物面天线，采用面电流法分析了馈源横向偏焦和纵向偏焦的方向图。,馈源波导尺寸为：宽为 a=0.85，高为 b=0.42。,按最大增益40dB进行设计得到反射面尺寸为：,口径直径 D=35，焦距 f=13.4，张角 0=66o。,馈源横向偏焦对方向图的影响 横向偏焦每次移动的距离为2/3，得到方向图如下,横向偏焦时的E面方向图,横向偏焦时的H面方向图,馈

35、源纵向偏焦对方向图的影响 纵向偏焦每次移动的距离为/3，得到方向图如下,纵向偏焦时的E面方向图,纵向偏焦时的H面方向图,前面介绍的旋转抛物面天线的方向图是针状方向图。它在雷达、通信、射电天文等方面获得了广泛应用。但是在雷达、导航等应用中，为了容易发现目标，常常要求在保持一个主平面有尖锐方向图的同时，加宽另一个主平面的方向图，即希望得到扇形方向图。为了产生扇形方向图，通常采用切割抛物面天线，柱形抛物面，弓形抛物面等。,一、切割抛物面天线,旋转抛物面的部分切掉,就得到切割抛物面天线,如P288图11-53所示,它产生扇形方向图。一般来说,宽口径方向波束窄，窄口径方向波束宽。,11.11 扇形波束反

36、射面天线,因矩形喇叭在给定-10dB电平下，其方向图接近椭圆，因此，反射面的外形也应为椭圆形。见图11-53(b)和图11-54。图11-54产生的是垂直面内展宽的扇形方向图。图11-54天线的馈源喇叭口径哪个面宽、哪个面窄？,二.柱形抛物面天线,当要求E面和H面方向图主瓣宽度相差很大，比如说垂直面(E面)很宽(20.5E=100200)，而水平面(H面)很窄(20.5H=1020)。这时可采用P288如图11-55所示的柱形抛物面天线,这种天线的焦点变为焦线,采用沿焦线放置的线阵馈源很容易得到扇形方向图。馈源可以是水平振子阵、波导缝阵等。其分析方法类似于旋转抛物面天线。,三.弓形抛物面天线（

37、见图11-60等）,从探测观点来看，简单的扇形方向图不能保证辐射功率的合理利用，能否找到这样一种天线的方向图，它能对不同的斜距，在同一高度上的目标提供均匀照射。这种方向图就是余割平方方向图。,如上图所示，天线在目标处产生的场强为,(11.99),11.12 余割平方方向图天线,返回,要使h=常数时，电场E不变。则得,(11.100),满足上式关系的功率方向图称为余割平方方向图。,由0/2时,csc由1。显然要在范围内得到这样的功率照射是不可能的,只能在一个扇面内均匀照射。,(11.102),目前可以做到的余割平方天线 1100,2700。实现余割平方方向图的方法主要有两种:,链接,分布馈源法：见P294图11-64。,改变反射面法：如单弯曲反射面，图11-65;双弯曲反射面，图11-69。,