第八章-工程中常用的典型天线课件.ppt

1、第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53口径面天线第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53zrdSyxnOdydxHxEyzrdSyxnOdydxHxEysyHsxEn 一、基本口径面辐射源一、基本口径面辐射源惠更斯元的辐射惠更斯元的辐射1 1、惠更斯元定义、惠更斯元定义 口径面内尺寸远小于波长的一个平面可视作惠更斯元，其口径面内尺寸远小于波长的一个平面可视作惠更斯元，其上的幅度和相位可视作均匀分布。它是二次辐射源。上的幅度和相位可视作均匀分布。它是二次辐射源。2 2、惠更斯

2、元的辐射特性、惠更斯元的辐射特性 设平面口径上一个惠更斯元设平面口径上一个惠更斯元dS=dxdy,dS=dxdy,其上切向电场为其上切向电场为E Esxsx,切向磁场为切向磁场为H Hsysy。由等效原理，场分布可等效为相应由等效原理，场分布可等效为相应的面电流和面磁流，故惠更斯元可视作的面电流和面磁流，故惠更斯元可视作电流元电流元 和磁流元和磁流元 叠加而成：叠加而成：sJmsJsyxssHaHnJ sxysmsEaEnJ第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53 由电磁场相关理论，可得等效电流元和磁流元产生的辐由电磁场相关理论，可得

3、等效电流元和磁流元产生的辐射场，进而求得射场，进而求得惠更斯元的远区辐射合成场惠更斯元的远区辐射合成场为为:rjsxeaardsEjEd)cos1(cos)cos1(sin2 两个方向上的辐射方向函数为两个方向上的辐射方向函数为:)cos1(sin),()cos1(cos),(FF 总的辐射方向函数为总的辐射方向函数为:22),(),(),(FFFcos1 归一化方向函数为归一化方向函数为:),(f2cos1第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53 惠更斯元远区辐射特性：惠更斯元远区辐射特性：1 1、辐射场为、辐射场为TEMTEM波波

4、（球面波）；（球面波）；2 2、为、为单向辐射单向辐射，辐射方向图绕法线轴，辐射方向图绕法线轴旋转对称旋转对称；3 3、最大辐射方向为其、最大辐射方向为其正法线正法线方向；方向；二、平面矩形口径的辐射二、平面矩形口径的辐射(喇叭天线喇叭天线)设平面口径面设平面口径面S S位于位于xoyxoy平面上，平面上，口径口径面上电场分布为面上电场分布为EsEs，则其在，则其在M M处产生的辐处产生的辐射场表达式为：射场表达式为：dserEjEjkrss)cos1(21222)()()(ssszzyyxxr式中式中:yxzrMdSD1ORD2ab第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子

5、科技大学电子工程学院电子工程学院9:53 在球坐标系下：在球坐标系下：dseEeRjEsyxjkSjkRss)cossincossin(2cos1cossinsincossinRzRyRx 考虑到远区条件下，距离考虑到远区条件下，距离r r远大于口径尺寸：远大于口径尺寸：11sin)sincos(RryxrRss 将以上近似条件代入远区辐射场表达式，得：将以上近似条件代入远区辐射场表达式，得：若口径为尺寸为若口径为尺寸为a ab b的矩形口径，其远区辐射场为的矩形口径，其远区辐射场为 2222)cossincossin(2cos1aasbbsyxjkSjkRdydxeEeRjEss第八章 口径

6、天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53 1.1.口径场口径场EsEs沿沿y y轴线极化且均匀分布轴线极化且均匀分布 不考虑口径场相位分布的影响，即假设口径场相位相等。不考虑口径场相位分布的影响，即假设口径场相位相等。令口径场为：令口径场为：，则，则0EEESyS 2222)cossincossin(02cos1aasbbsyxjkjkRdydxeeERjEss 对上式积分，即可获得口径场的远区辐射场。工程上常采用数对上式积分，即可获得口径场的远区辐射场。工程上常采用数值积分方法（如高斯积分法）求解。值积分方法（如高斯积分法）求解。其其E E面归

7、一化方向函数为（面归一化方向函数为（）902cos12sin)2sinsin(),(kbkbfE第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:532cos12sin)2sinsin(),(kakafH 其其H H面归一化方向函数为（面归一化方向函数为（）0讨论：讨论：1 1）口径面天线可视作由无线多惠更斯面元组成的二维面阵；）口径面天线可视作由无线多惠更斯面元组成的二维面阵；阵因子阵因子惠更斯元方向函数惠更斯元方向函数2 2）最大辐射方向沿口径面法向（）最大辐射方向沿口径面法向（）；）；03 3）半功率主瓣宽度：）半功率主瓣宽度：21),(Ef

8、bE89.0sin25.021),(HfaH89.0sin25.04 4）E E面和面和H 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0.214,0.214,所以第一旁瓣所以第一旁瓣电平为电平为)(2.13214.0lg201dBSLL51b51a第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:535 5）方向系数）方向系数 根据方向系数的定义，根据方向系数的定义，有有PERD602max2RsEE0max240212020sEdsEPS24SD 2 2、口径场沿、口径场沿y y轴线极化且振幅沿轴线极化且振幅沿x x轴余弦分布轴余

9、弦分布 不考虑口径场相位分布的影响，即假设口径场相位相等。不考虑口径场相位分布的影响，即假设口径场相位相等。令口径场为：令口径场为：，将其代入口径场远区，将其代入口径场远区辐射场表达式，积分可得求得方向函数：辐射场表达式，积分可得求得方向函数：)cos(0axEEEyS第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:532cos12sin)2sinsin(),(kbkbfE2cos1)sin(1)2sincos(),(2kakafH讨论：讨论：2 2）主瓣宽度和旁瓣电平：主瓣宽度和旁瓣电平：,bE5125.0aH6825.0E E平面第一旁瓣电平

10、为平面第一旁瓣电平为H H平面第一旁瓣电平为平面第一旁瓣电平为)(2.13214.0lg201dBSLL)(23071.0lg201dBSLL1 1）相对于均匀分布口径场，余弦分布口径场相对于均匀分布口径场，余弦分布口径场H H面方向图改变，则面方向图改变，则其方向函数也改变其方向函数也改变口径场分布决定远区辐射场；口径场分布决定远区辐射场；第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:533)3)方向系数：方向系数：48021202SEdsEPSy22max60R EDPRSEE0max2vSSD222484 式中式中,为口径利用系数。口径场

11、余弦分布时，为口径利用系数。口径场余弦分布时，=0.81=0.81；口径场均匀分布时，口径场均匀分布时，=1=1。4 4）对比口径场均匀分布情形，口径场余弦分布时主瓣展宽，）对比口径场均匀分布情形，口径场余弦分布时主瓣展宽，方向系数下降（增益降低），同时副瓣电平也下降。方向系数下降（增益降低），同时副瓣电平也下降。第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:533.3.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 1)1)直线律相移直线律相移 平面电磁波倾斜投射于平面口径时平面电磁波倾斜投射于平面口径时,在在口径上形成直线律相移。口径

12、上形成直线律相移。若口径面上最大偏移为若口径面上最大偏移为 ,振幅为均振幅为均匀分布匀分布,则口径场表达式为则口径场表达式为 口径面 maxjSeEE)2/(0 代入矩形口径远区辐射场表达式，可求得代入矩形口径远区辐射场表达式，可求得H H面方向函数为面方向函数为)sin2()sin(),(kafmmHm 从上式可得：直线律相移时，最大辐射方向为从上式可得：直线律相移时，最大辐射方向为 ，相当于将口径面偏转相当于将口径面偏转 角，等效口径尺寸下降，口径利用系数减小角，等效口径尺寸下降，口径利用系数减小ammarcsinm第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工

13、程学院电子工程学院9:532)2)平方律相移平方律相移 球面波或柱面波垂直投射于平面口径时球面波或柱面波垂直投射于平面口径时,在口径平面在口径平面上形成平方律相移。上形成平方律相移。设在矩形口径上沿设在矩形口径上沿x x轴有平方律相位偏移轴有平方律相位偏移,且相位最且相位最大偏移为大偏移为m m,振幅为均匀分布振幅为均匀分布,则口径场表达式为则口径场表达式为 口 径 面 2()/20smxjasEE e 通过分析可得：平方律相移不会改变最大辐射方向，但将展宽主通过分析可得：平方律相移不会改变最大辐射方向，但将展宽主瓣，同时抬高副瓣，口径利用系数减小。瓣，同时抬高副瓣，口径利用系数减小。第八章

14、口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53喇叭天线喇叭天线第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53矩形喇叭：矩形喇叭：矩形喇叭口径场分布矩形喇叭口径场分布 第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53222()()0 xHHyOMOORxR根据幂级数展开，并取第一项：根据幂级数展开，并取第一项：2xHxRH H面扇形喇叭面扇形喇叭 同理：同理：20 xyEyRE E面扇形喇叭面扇形喇叭 平方率的相位分布平方率的相位分布幅度按主模分

15、布幅度按主模分布 第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:532212124EHHHD RDCCSSD扇112HHHHRDDR212HEEHRDDR226422EEEEEEERDDDCCDRR扇32HEHEDDDDD角扇扇第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53 矩形喇叭口径场平方率相位分布的特性，使矩形喇叭口径场平方率相位分布的特性，使得最大化其增益的方法不能单纯的在保持喇叭得最大化其增益的方法不能单纯的在保持喇叭长度条件下增大口径面积，这是因为喇叭横向长度条件下增大口径面积，

16、这是因为喇叭横向尺寸过大会导致口径面上最大相位差增大，从尺寸过大会导致口径面上最大相位差增大，从而使增益下降。而使增益下降。增益最大值时，这种喇叭称为最佳喇叭：增益最大值时，这种喇叭称为最佳喇叭：23HHopDR34Hm0.64H最大相位偏差口径效率22EEopDR第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53喇叭天线口径场相位的校正：喇叭天线口径场相位的校正：喇叭天线口面上场相位的平方率分布引起的最大相喇叭天线口面上场相位的平方率分布引起的最大相差是决定天线辐射特性很重要的参数。差是决定天线辐射特性很重要的参数。介质透镜 金属透镜 第八章

17、 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:531pcnvLns112pcnvd第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53三、旋转抛物面天线三、旋转抛物面天线栅格抛物面天线单脉冲天线切割抛物面天线后馈式抛物面天线第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:531 1、结构、结构Oxy0Fd(a)(b)SdS(c)xyz组成：旋转抛物面组成：旋转抛物面 馈源馈源(位于焦点位于焦点)2 2、抛物面天线的工作原理、抛物面天线的工作原理OD0 xf

18、KMyzMKOF210F准线准线 抛物线：到定点和定线距离相等的点抛物线：到定点和定线距离相等的点构成的曲线。构成的曲线。位于焦点的馈源辐射的电磁波，位于焦点的馈源辐射的电磁波，经旋转抛物面天线反射后到达抛物面经旋转抛物面天线反射后到达抛物面口径面，所经过的波程相等。口径面，所经过的波程相等。抛物面天线抛物面天线将发散的球面波反射将发散的球面波反射形成单向辐射的平面波，形成电磁能形成单向辐射的平面波，形成电磁能量会聚量会聚强方向性。强方向性。第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大

19、学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:533 3、抛物面天线的辐射特性、抛物面天线的辐射特性 可以求得：旋转抛物面可以求得：旋转抛物面E E面和面和H H面方向函数均为面方向函数均为dkaJDFf)sin2tan2cot(2tan)()(0000 式中：式中：)(fD为馈源方向函数；为馈源方向函数；sjtdetJs20sin021)(说明：说明：旋转抛物面天线主瓣宽度一般可用下式估算：旋转抛物面天线主瓣宽度一般可用下式估算：)7570(25.0KDK第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:534 4、抛物面天线的最佳照射、抛物面天线的

20、最佳照射影响抛物面性能的因素：影响抛物面性能的因素：l 口径利用系数口径利用系数l 馈源辐射截获效率馈源辐射截获效率Oxy0Fd(a)(b)SdS(c)xyz（1 1）口径利用系数）口径利用系数vSD24旋转抛物面天线方向系数：旋转抛物面天线方向系数：122SSsSdsESdsEv 在反射面确定时，馈源方向图越宽，其在口径面上形在反射面确定时，馈源方向图越宽，其在口径面上形成口径场分布越均匀，口径利用因子越大。成口径场分布越均匀，口径利用因子越大。第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53（2）口径截获系数口径截获系数 馈源辐射的功率馈

21、源辐射的功率,部分被反射面截获部分被反射面截获,其余的功率都溢失在其余的功率都溢失在自由空间。自由空间。设馈源辐射的功率为设馈源辐射的功率为P,投射到反射面上的功率为投射到反射面上的功率为P,则则截获系数为截获系数为PPdDfsin)(2100 在反射面确定时，馈源方向图越宽，泄漏的功率越大，在反射面确定时，馈源方向图越宽，泄漏的功率越大，口径截获系数越小。口径截获系数越小。（3 3）方向系数）方向系数D DgsvspERD222max24460vg:方向系数因素方向系数因素第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53 由于口径利用因数由

22、于口径利用因数 和口径截获因数和口径截获因数 是两个是两个相互矛盾相互矛盾的的因素，因此因素，因此,对于一定的馈源方向函数对于一定的馈源方向函数,必对应着一个最佳张必对应着一个最佳张角角 ,使得使得 最大最大,即即方向系数最大方向系数最大。voptg 反射面张角等于最佳张角时，馈源对抛物面的照射称为最反射面张角等于最佳张角时，馈源对抛物面的照射称为最佳照射。佳照射。一般最佳照射时一般最佳照射时g g0.83,0.83,且抛物面口径边缘处的场且抛物面口径边缘处的场强比中心处低强比中心处低11 dB11 dB。4 4、抛物面天线对馈源的基本要求、抛物面天线对馈源的基本要求 馈源方向图与抛物面张角配

23、合馈源方向图与抛物面张角配合,使天线方向系数最大，同时使天线方向系数最大，同时使能量漏失尽可能小；使能量漏失尽可能小；具有确定的相位中心，以保证抛物面口径场相位相同；具有确定的相位中心，以保证抛物面口径场相位相同；尺寸应尽可能地小尺寸应尽可能地小,以减少对口径的遮挡；以减少对口径的遮挡；应具有一定的带宽。应具有一定的带宽。第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53四、双反射面天线四、双反射面天线 1 1、结构、结构 组成：组成：主反射器主反射器(旋转抛物面旋转抛物面)、副反射器副反射器(双曲面双曲面)和和辐射器辐射器(馈源馈源)三三部分

24、组成。部分组成。2 2、工作原理、工作原理主反射器主反射器副反射器副反射器辐射器辐射器 主反射面焦点与福反射面一个焦点重主反射面焦点与福反射面一个焦点重合，馈源置于福反射面另一焦点位置。合，馈源置于福反射面另一焦点位置。双曲面特性：双曲面特性：1 1、双曲面上任意点、双曲面上任意点P P与焦点与焦点F1F1连线连线PF1PF1与过改点与过改点与另一焦点与另一焦点F2F2连线的反向延长线连线的反向延长线PF2PF2的夹角，被的夹角，被过该点的法线平分。过该点的法线平分。2 2、双曲线上任一点、双曲线上任一点P P到两焦点的距离差等于常到两焦点的距离差等于常数。数。第八章 口径天线微波技术与天线微

25、波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53双反射面天线特点：双反射面天线特点：优点：等效焦距长；优点：等效焦距长；缺点：结构复杂，副反射面遮挡较大。缺点：结构复杂，副反射面遮挡较大。特性特性1 1：从馈源发射的电磁波经：从馈源发射的电磁波经副反射面反射后，所有射线反向副反射面反射后，所有射线反向延长线汇聚于延长线汇聚于P2P2，即可，即可等效为馈等效为馈源位于源位于F2F2点的抛物面天线点的抛物面天线；特性特性2 2：从馈源辐射的电磁波经：从馈源辐射的电磁波经副反射面、主反射面反射，到达副反射面、主反射面反射，到达口径面时经过的波程相等口径面时经过的波程相等平平面波面波。第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53精品课件精品课件！第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53精品课件精品课件！第八章 口径天线微波技术与天线微波技术与天线电子科技大学电子科技大学电子工程学院电子工程学院9:53第六章第六章 工程中常用的典型天线工程中常用的典型天线