微波技术与天线第9章课件.pptx
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1、微波技术与天线第微波技术与天线第9章章图 9 1 面天线的原理 由面元上的场分布即可求出其相应的辐射场,然后再在整个口径面上积分便可求出整个口径的辐射场。下面先来分析惠更斯元的辐射场。如同电基本振子和磁基本振子是分析线天线的基本辐射单元一样,惠更斯元是分析面天线的基本辐射单元。设平面口径上一个惠更斯元dS=dxdy,若面元上的切向电场为Ey,切向磁场为Hx,则根据等效原理,面元上的磁场等效为沿y轴方向放置,电流大小为Hx dx的电基本振子;而面元上的电场则等效为沿x轴方向放置,磁流大小为Ey dy的磁基本振子。因而惠更斯元可视为两正交的长度为dy、大小为Hxdx的电基本振子与长度为dx、大小为
2、Eydy的磁基本振子的组合,如图 9-2 所示,其中 为惠更斯元dS的外法线矢量。它的电流矩和磁流矩分别为图 9 2 惠更斯元 Iyl=(Hx dx)dy=Hx dS IMxl=(Ey dy)dx=Ey dS 类似第6章沿z轴放置的电基本振子的辐射场,可得沿y轴放置的电基本振子辐射场为:同样可得沿x轴放置的磁基本振子的远区场表达式:将式(9-1-1)代入上两式,可得惠更斯元的辐射场为对于平面波,有Ey/Hx=,因此上式简化为 在研究天线方向性时,通常是关心两个主平面的情况,所以,我们只介绍面元的两个主平面的辐射。在上式中令=90得面元在E平面的辐射场:由于式(9-1-6)与(9-1-7)两等式
3、右边在形式上相同,故惠更斯元在E面和H面的辐射场可统一为 因此,惠更斯元的方向函数为 按上式可画出E面和H面的方向图如图 9-3 所示。图 9 3 惠更斯元的方向图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,如抛物面天线及喇叭照射器,它们的口径面S都是平面,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xOy平面上,坐标原点到观察点M的距离为R,面元dS到观察点M的距离为r,如图 9-4 所示。将面元dS在两个主平面上的辐射场(式(9-1-8))dE沿整个口径面积分,即得口面辐射场的一般表达式:式中图 9 4 平面口径的辐射 场点M的坐标也可用球坐标表示为 x=R s
4、incos y=Rsin sin z=Rcos 将式(9-2-3)代入式(9-2-2),并考虑到远区条件,则式(9-2-2)简化为 rR-(xS sincos+ySsinsin)(9-2-4)将上式代入式(9-2-1)得任意口径面在远处辐射场的一般表达式为 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D1D2,如图 9-5 所示。下面讨论两种不同口径分布情形下的辐射特性。1)口径场沿y轴线极化且均匀分布 此时有 Ey=E0 (9-2-6)将式(9-2-6)代入式(9-2-5)积分得E平面和H平面方向函数分别为 图9-5 矩形口径的辐射式中 1=kD1sincos
5、2=kD2 sincos 根据式(9-2-7)和(9-2-8),我们用MATLAB画出了E面和H面方向图,如图 9-6 所示。图 9 6 矩形口径场均匀分布时的方向图(D1=3,D2=2)由图 9-6 可见:最大辐射方向在=0方向上,且当D1/和D2/都较大时,辐射场的能量主要集中在z轴附近较小的角范围内。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 设0.5表示半功率波瓣宽度,即由MATLAB计算或查图 9-7可得0.5=1.39,或 2sin0.5E=0.892 sin0.5H=0.89 图9-7 口径辐射方向函数曲线 E面和H面最邻近主瓣的第一个峰值均为0.2
6、14,所以第一旁瓣电平为 20log10 0.214=-13.2 dB (9-2-11)(2)方向系数 根据第6章中方向系数的定义,有将|Emax|=和代入上式即得口径场均匀分布的矩形口径的方向系数为 2)口径场沿y轴线极化且振幅沿x轴余弦分布 此时有 将上式代入式(9-2-5),并积分得E面和H面方向函数分别为(1)主瓣宽度和旁瓣电平 20.5E=51 ,20.5H=68 E平面第一旁瓣电平为 20log10 0.214=-13.2dB H平面第一旁瓣电平为 20log10 0.071=-23dB(2)方向系数代入式(9-1-14)即得口径场余弦分布的矩形口径的方向系数为 式中,为口径利用因
7、数,此时=0.81,而均匀分布时=1。例 9-1设有一矩形口径ab位于xOy平面内,口径场沿y方向线极化,其口径场的表达式为:ESy=1-,即相位均匀,振幅为三角形分布,其中|x|。求:xOy平面即H平面方向函数;H面主瓣半功率宽度;第一旁瓣电平;口径利用系数。解:根据远区场的一般表达式:将ES=ESy=1-一并代入上式,并令=0得 最后积分得 EH=AS S=ab =kasin 所以其H面方向函数为 求得主瓣半功率波瓣宽度为 20.5H=73 第一旁瓣电平为 20 log10 0.05=-26 (dB)将|Emax|=代入(9-2-12)得方向系数为 所以口径利用系数=0.75。可见口径场振
8、幅三角分布与余弦分布相比,主瓣宽度展宽,旁瓣电平降低,口径利用系数降低。综上所述,与相同口径面积的均匀分布相比,口径场非均匀分布虽可以使旁瓣(H面)电平降低;但主瓣展宽,口径利用系数降低,且不均匀分布程度越高,这种效应越明显。2.S为圆形口径时的辐射特性为圆形口径时的辐射特性 设圆形口径的半径为a,如图 9-8 所示。在圆形口径上建立极坐标系(S,S),则面元的坐标为图 9 8 圆形口径时的辐射特性 xS=S cosS yS=SsinS (9-2-21)将式(9-2-3)和式(9-2-21)代入式(9-2-2)得 r=R-Ssincos(-S)(9-2-22)考虑到面元的面积为 dS=SdS
9、dS (9-2-23)将上述两式代入式(9-2-1)得圆形口径辐射场的一般表达式为 (1)口径场沿y轴线极化且在半径为a的圆面上均匀分布此时有 Ey=E0 (9-2-25)将上式代入式(9-1-27),并注意到 式中,J0(t),J1(t)分别为零阶和一阶贝塞耳函数,于是均匀分布的圆形口径辐射场为 式中,3=kasin S=a2 (9-2-29)因此两主平面的方向函数为所以由图 9-7 得其主瓣宽度为20.5E=20.5H=61 第一旁瓣电平为 20log10 0.132=-17.6dB (9-2-32)方向系数为:D=4 (2)口径场沿y轴线极化且振幅沿半径方向呈锥削分布此时:式中,m取任意
10、非负整数。m越大,意味着锥削越严重,即分布越不均匀,m=0对应于均匀分布。表 9-1 给出了m为不同值时的辐射特性。将式(9-2-34)代入式(9-2-24)即可得到方向函数为|FE()|=|FH()|=|m+1(ka sin)|综合上述不同口径的辐射特性,对于同相口径场而言可得到以下几个结论:平面口径的最大辐射方向在口径平面的法线方向(即=0)上。这是因为在此方向上,平面口径上所有惠更斯元到观察点的波程相位差为零,与同相离散天线阵的情况是一样的。平面口径辐射的主瓣宽度、旁瓣电平和口径利用因数均取决于口径场的分布情况。口径场分布越均匀,主瓣越窄,旁瓣电平越高,口径利用因数越大。在口径场分布一定
11、的情况下,平面口径电尺寸越大,主瓣越窄,口径利用因数越大。3.口径场不同相时对辐射的影响口径场不同相时对辐射的影响 前面的讨论均是假定口径场的相位同相分布,而只考虑口径场幅度分布对天线方向性的影响。但事实上,面天线的口径场一般是不同相的,这是因为一方面某些特殊情况要求口径场相位按一定规律分布,另一方面,即使要求口径场为同相场,由于天线制造安装误差也会引起口径场不同相。下面简单讨论一下口径场的相位分布对天线方向性的影响。(1)直线律相移 平面电磁波垂直投射于平面口径时,口径场的相位偏差等于零,为同相场。当平面电磁波倾斜投射于平面口径时,在口径上形成线性相位相移。在矩形口径上沿x轴有线性相位偏移,
12、且相位最大偏移为m,振幅为均匀分布,则口径场表达式为将上式代入式(9-2-5)得H平面方向函数为|FH()|=将上式与同相口径场的表达式相比较,不难发现:口径场相位沿x轴有直线律相移时,方向图形状并不发生变化,但整个方向图发生了平移,且m越大,平移越大。(2)平方律相移 当球面波或柱面波垂直投射于平面口径时,口径平面上就形成相位近似按平方律分布的口径场。设在矩形口径上沿x轴有平方律相位偏移,且相位最大偏移为m,振幅为均匀分布,则口径场表达式为 ES=从理论上讲,将上式代入式(9-2-5)即可得到有平方律相位偏移时的H平面方向函数。直接计算是较麻烦的,但借助计算机用MATLAB编程很容易得到其数
13、值解,有兴趣的读者自己可试算一下。通过计算可以得到如下结论:当口径上存在平方律相位偏移时,方向图主瓣位置不变,但主瓣宽度增大、旁瓣电平升高。当m=/2时,旁瓣与主瓣混在一起;m=2时,峰值下陷,主瓣呈马鞍形,方向性大大恶化。因而在面天线的设计、加工及装配中,应尽可能减小口径上的平方律相移,如图 9-9 所示。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、雷达和射电天文等系统中广泛使用的一种天线,它是由两部分组成的,其一是抛物线绕其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处的馈源(也称照射器)。馈源把高频导波能量
14、转变成电磁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面波沿抛物面的轴向反射出去,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 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 抛物面天线的结构如图 9-10 所示,首先来介绍一下旋转抛物面天线的几何特性。在yz平面上,焦点F在z轴且其顶点通过原点的抛物线方程为 y2=4fz (9-3-1)其中,f为焦距。由此抛物线绕OF轴旋转而形成的抛物面方程为:x2+y2=4fz 为了分析方便,抛物线方程也经常用原点与焦点F重合的极坐
15、标(,)来表示,即图 9 10 抛物面几何关系图 式中,为从焦点F到抛物面上任一点M的距离,为与轴线OF的夹角。设D0=2a为抛物面口径的直径,0为抛物面口径的张角,则两者的关系为 抛物面的形状可用焦距与直径比或口径张角的大小来表征,实用抛物面的焦距直径比一般为0.250.5。抛物线的特性之一:通过其上任意一点M作与焦点的连线FM,同时作一直线MM平行于OO,则通过作过抛物线M点切线的垂线(抛物线在M点的法线)与MF的夹角1等于它与MM的夹角2 2。因此抛物面为金属因此抛物面为金属 面时,从焦点F发出的以任意方向入射的电磁波,经它反射后都平行于OF轴,使馈源相位中心与焦点F重合。即从馈源发出的
16、球面波,经抛物线反射后变为平面波,形成平面波束。抛物线的特性之二:其上任意一点到焦点F的距离与它到准线的距离相等。在抛物面口上,任一直线MOK与其准线平行,从图 9-7 可得 FM+MM=FK+KK=FO+OO=f+OO即从焦点发出的各条电磁波射线经抛物面反射后到抛物面口径上的波程为一常数,等相位面为垂直于OF轴的平面,抛物面的口径场为同相场,反射波为平行于OF轴的平面波。由此,如果馈源辐射理想的球面波,抛物面口径尺寸为无限大时,抛物面就把球面波变为理想平面波,能量沿z轴正方向传播,其它方向的辐射为零。但实际上抛物面天线的波束不可能是波瓣宽度为零的理想波束,而是一个与抛物面口径尺寸及馈源方向图
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