第9章-面天线课件.ppt
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1、第第9章章 面天线面天线 与线天线不同的另一类是面天线(又称口径天与线天线不同的另一类是面天线(又称口径天线),它们所载的电流是沿天线体的金属表面分布,线),它们所载的电流是沿天线体的金属表面分布,且面天线的口径尺寸远大于工作波长。面天线长用在且面天线的口径尺寸远大于工作波长。面天线长用在无线电频谱的高频段,特别是微波波段。无线电频谱的高频段,特别是微波波段。 求解面天线问题,通常采用口径场方法,即先由求解面天线问题,通常采用口径场方法,即先由场源求得口径面上的场分布,再求出天线的辐射场。场源求得口径面上的场分布,再求出天线的辐射场。分析的依据是惠更斯分析的依据是惠更斯-菲涅尔原理,即在空间任
2、意一点菲涅尔原理,即在空间任意一点的场,是包围天线的闭封曲面上各点的电磁扰动产生的场,是包围天线的闭封曲面上各点的电磁扰动产生的次级辐射在该点叠加的结果。的次级辐射在该点叠加的结果。第第9章章 面天线面天线第第 9章章 面天线面天线9.1 惠更斯元的辐射惠更斯元的辐射 面天线的结构包括金属导体面面天线的结构包括金属导体面S、金属导体面的开口径、金属导体面的开口径S(即口径面)及由(即口径面)及由S0=S+S所构成的封闭曲面内的辐射源,所构成的封闭曲面内的辐射源,如图如图 9 - 1 所示。所示。 由于在封闭面上有一部分是导体面由于在封闭面上有一部分是导体面S,所以其上的场为,所以其上的场为零,
3、零, 这样使得面天线的辐射问题简化为口径面这样使得面天线的辐射问题简化为口径面S的辐射,即的辐射,即S0=S+SS, 设口径上的场分布设口径上的场分布ES,根据惠更斯,根据惠更斯-菲涅尔原菲涅尔原理理, 把口径面分割为许多面元把口径面分割为许多面元dS,称为惠更斯元。,称为惠更斯元。 第第9章章 面天线面天线图图 9 1 面天线的原理面天线的原理源SS第第9章章 面天线面天线图图 9 2 惠更斯元惠更斯元zrdSyxnOdydxHxEy第第9章章 面天线面天线惠更斯元的方向函数为惠更斯元的方向函数为)cos1 (21)(F图图 9 3 惠更斯元的方向图惠更斯元的方向图0.20.40.60.81
4、1203303060150240210090180270300第第9章章 面天线面天线9.2 平面口径的辐射平面口径的辐射 微波波段的无线电设备微波波段的无线电设备, 如抛物面天线及喇叭照射器如抛物面天线及喇叭照射器, 它它们的口径面们的口径面S都是平面都是平面, 所以讨论平面口径的辐射有普遍的实所以讨论平面口径的辐射有普遍的实用意义。设平面口径面位于用意义。设平面口径面位于xOy平面上平面上, 坐标原点到观察点坐标原点到观察点M的距离为的距离为R, 面元面元dS到观察点到观察点M的距离为的距离为r, 如图如图 9 -4 所示。所示。 任意口径面在远处辐射场的一般表达式为任意口径面在远处辐射场
5、的一般表达式为dSeERejEsyxjkyjkRMss)cossincossin(2cos1第第9章章 面天线面天线图图 9 4 平面口径的辐射平面口径的辐射yMxzrMRdSSO第第9章章 面天线面天线 1. S为矩形口径时辐射场的特性为矩形口径时辐射场的特性 设矩形口径的尺寸为设矩形口径的尺寸为D1D2, 如图如图 9 -5 所示。下面讨论两所示。下面讨论两种不同口径分布情形下的辐射特性。种不同口径分布情形下的辐射特性。 1) 口径场沿口径场沿y轴线极化且均匀分布轴线极化且均匀分布 yxzrMdSD1ORD2 图图9-5 矩形口径的辐射矩形口径的辐射第第9章章 面天线面天线图图 9 6 矩
6、形口径场均匀分布时的方向图矩形口径场均匀分布时的方向图(D1=3, D2=2)16012015030 330240210180903002700.20.40.60.80第第9章章 面天线面天线 由图由图 9 -6 可见可见: 最大辐射方向在最大辐射方向在=0方向上方向上, 且当且当D1/和和D2/都较大时都较大时, 辐射场的能量主要集中在辐射场的能量主要集中在z轴附近较小的轴附近较小的角范围角范围内。内。 因此在分析主瓣特性时可认为因此在分析主瓣特性时可认为(1+cos)/21。 (1) 主瓣宽度和旁瓣电平主瓣宽度和旁瓣电平 设设0.5表示半功率波瓣宽度表示半功率波瓣宽度, 即即21sin5
7、. 05 . 0由由MATLAB计算或查图计算或查图 9 -7可得可得0.5=1.39, 或或 2sin0.5E=0.89 2 sin0.5H=0.89 2D1D第第9章章 面天线面天线0123456789100.10.20.30.40.50.60.70.80.91*矩形口径非均匀分布矩形口径均匀分布圆形口径均匀分布图图9-7 口径辐射方向函数曲线口径辐射方向函数曲线第第9章章 面天线面天线 E面和面和H面最邻近主瓣的第一个峰值均为面最邻近主瓣的第一个峰值均为0.214, 所以第一所以第一旁瓣电平为旁瓣电平为 20log10 0.214=-13.2 dB(2) 方向系数方向系数 根据第根据第6
8、章中方向系数的定义,章中方向系数的定义, 有有PERD602max2将将|Emax|= RSE0和和240212020SEdSEPS代入上式即得代入上式即得口径场均匀分布的矩形口径的方向系数为口径场均匀分布的矩形口径的方向系数为第第9章章 面天线面天线24SD 2) 口径场沿口径场沿y轴线极化且振幅沿轴线极化且振幅沿x轴余弦分布轴余弦分布(1) 主瓣宽度和旁瓣电平主瓣宽度和旁瓣电平 20.5E=51 , 20.5H=68 2D1D E平面第一旁瓣电平为平面第一旁瓣电平为 20log10 0.214=-13.2dB H平面第一旁瓣电平为平面第一旁瓣电平为 20log10 0.071=-23dB
9、(2) 方向系数方向系数第第9章章 面天线面天线 口径场余弦分布的矩形口径的方向系数为口径场余弦分布的矩形口径的方向系数为222424SSD 式中式中, 为口径利用因数为口径利用因数, 此时此时 =0.81, 而均匀分布时而均匀分布时=1。 第第9章章 面天线面天线9.3 旋转抛物面天线旋转抛物面天线 旋转抛物面天线是在通信、旋转抛物面天线是在通信、 雷达和射电天文等系统中广雷达和射电天文等系统中广泛使用的一种天线泛使用的一种天线, 它是由两部分组成的它是由两部分组成的, 其一是抛物线绕其其一是抛物线绕其焦轴旋转而成的抛物反射面焦轴旋转而成的抛物反射面, 反射面一般采用导电性能良好的反射面一般
10、采用导电性能良好的金属或在其它材料上敷以金属层制成金属或在其它材料上敷以金属层制成; 其二是置于抛物面焦点其二是置于抛物面焦点处的馈源(也称照射器)。馈源把高频导波能量转变成电磁处的馈源(也称照射器)。馈源把高频导波能量转变成电磁波能量并投向抛物反射面波能量并投向抛物反射面, 而抛物反射面将馈源投射过来的球而抛物反射面将馈源投射过来的球面波沿抛物面的轴向反射出去面波沿抛物面的轴向反射出去, 从而获得很强的方向性。从而获得很强的方向性。 1. 抛物面天线的工作原理及分析方法抛物面天线的工作原理及分析方法 (1) 抛物面天线的工作原理抛物面天线的工作原理第第9章章 面天线面天线 1. 抛物面天线的
11、工作原理及分析方法抛物面天线的工作原理及分析方法 (1) 抛物面天线的工作原理抛物面天线的工作原理 抛物面天线的结构如图抛物面天线的结构如图 9 -10 所示所示, 首先来介绍一下旋转首先来介绍一下旋转抛物面天线的几何特性。在抛物面天线的几何特性。在yz平面上平面上,焦点焦点F在在z轴且其顶点通轴且其顶点通过原点的抛物线方程为过原点的抛物线方程为 y2=4fz (9 -3 -1)其中其中, f为焦距。为焦距。 由此抛物线绕由此抛物线绕OF轴旋转而形成的抛物面方程为轴旋转而形成的抛物面方程为: x2+y2=4fz 为了分析方便为了分析方便, 抛物线方程也经常用原点与焦点抛物线方程也经常用原点与焦
12、点F重合的重合的极坐标(极坐标(, )来表示)来表示, 即即第第9章章 面天线面天线图图 9 10 抛物面几何关系图抛物面几何关系图OD0 xfKMyzMKOF210第第9章章 面天线面天线 (2) 分析方法分析方法 通常采用两种方法通常采用两种方法: 口径场法口径场法根据上节提及的惠更斯原理根据上节提及的惠更斯原理, 抛物面天线的抛物面天线的辐射场可以用包围源的任意封闭曲面(辐射场可以用包围源的任意封闭曲面(S+S)上各次级波源产)上各次级波源产生的辐射场的叠加。对于具体的抛物面天线生的辐射场的叠加。对于具体的抛物面天线, S为抛物面的外为抛物面的外表面表面, S为抛物面的开口径。为抛物面的
13、开口径。 这样这样, 在在S上的场为零上的场为零, 在口径在口径S上上各点场的相位相同。所以只要求出口径面上的场分布各点场的相位相同。所以只要求出口径面上的场分布, 就可以就可以利用圆口径同相场的辐射公式来计算天线的辐射场。利用圆口径同相场的辐射公式来计算天线的辐射场。 面电流法面电流法先求出馈源所辐射的电磁场在反射面上激励先求出馈源所辐射的电磁场在反射面上激励的面电流密度分布的面电流密度分布, 然后由面电流密度分布再求抛物面天线的然后由面电流密度分布再求抛物面天线的辐射场。辐射场。 第第9章章 面天线面天线 2. 抛物面天线的辐射特性抛物面天线的辐射特性 1) 口径场分布口径场分布 计算口径
14、场分布时计算口径场分布时, 要依据两个基本定律要依据两个基本定律几何光学反射几何光学反射定律和能量守恒定律定律和能量守恒定律, 而且必须满足以下几个条件而且必须满足以下几个条件: 馈源辐射理想的球面波馈源辐射理想的球面波, 即它有一个确定的相位中心并即它有一个确定的相位中心并与抛物面的焦点重合与抛物面的焦点重合; 馈源的后向辐射为零馈源的后向辐射为零; 抛物面位于馈源辐射场的远区抛物面位于馈源辐射场的远区, 即不考虑抛物面与馈源即不考虑抛物面与馈源之间的耦合。之间的耦合。 第第9章章 面天线面天线 2) 方向函数方向函数 抛物面天线的辐射场如图抛物面天线的辐射场如图 9 -12所示所示图图 9
15、 12 抛物面天线的辐射特性抛物面天线的辐射特性yzFRrxdSS远区场OS第第9章章 面天线面天线 因为抛物面是旋转对称的因为抛物面是旋转对称的, 馈源的方向函数也是旋转对称馈源的方向函数也是旋转对称的的, 所以抛物面天线的所以抛物面天线的E面和面和H面方向函数相同并表示为面方向函数相同并表示为dkaJDFf)sin2tan2cot(2tan)()(0000 如果给定抛物面的张角如果给定抛物面的张角0及馈源方向函数及馈源方向函数Df(), 即可由即可由MATLAB画出天线方向图。画出天线方向图。 一般情况下一般情况下, 馈源的方向图越宽及口径张角越小馈源的方向图越宽及口径张角越小, 则口径场
16、则口径场越均匀越均匀, 因而抛物面方向图的主瓣越窄、旁瓣电平越高。因而抛物面方向图的主瓣越窄、旁瓣电平越高。 另外另外, 旁瓣电平除了直接与口径场分布的均匀程度有关外旁瓣电平除了直接与口径场分布的均匀程度有关外, 馈源在馈源在0以外的漏辐射也是旁瓣的部分以外的漏辐射也是旁瓣的部分, 漏辐射越强漏辐射越强, 则旁瓣电平越高。则旁瓣电平越高。此外此外, 反射面边缘电流的绕射、馈源的反射、交叉极化等都会反射面边缘电流的绕射、馈源的反射、交叉极化等都会影响旁瓣电平。影响旁瓣电平。 第第9章章 面天线面天线 对于大多数抛物面天线对于大多数抛物面天线, 主瓣宽度在如下范围内主瓣宽度在如下范围内: 20.5
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