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Efficient Feed for Offset Parabolic Antennas for 2.4 GHz
Dragoslav Dobri?i?, YU1AW
2.4GHz 抛物面天线的高效馈源
Resume
摘要
This article examines some of the possible solutions to the problems of efficiently illuminating SAT TV offset parabolic antennas in the use on WLAN frequencies of 2.4 GHz..
本文探讨用于2.4GHz频段的卫星电视偏馈抛物面天线的馈源的解决办法。 Introduction
引言
The problems that occur while illuminating shallow offset parabolic dishes, in addition to those related to the efficient use of parabolic dishes generally are additionally aggravated by the specific geometry of the parabolic mirror itself. [2] Feed positioning in the way that its phase center exactly coincides with the focus of the offset parabolic dish and its aiming so that the radiation maximum falls in the geometric center of the elliptic reflector surface are not intuitive at all, as in classic parabolic antennas. Therefore, there is much confusion and many wrongly positioned feeds that do not correctly illuminate offset parabolic dishes, decreasing their efficiency and gain.
这个问题时常存在于一些浅照射的偏馈抛物面天线,除了和抛物面天线有效利用有关之外，抛物面反射镜本身的具体尺寸[2]又使之更加严重。馈源的定位方式——其相位中心必须严格与偏馈抛物面天线的焦距保持一致，而且对准。这样，其最大辐射值落在椭圆形反射面的几何中心，是不直观的，正如在经典抛物线天线那样。因此，有许多混乱，许多错误的馈源定位，不能正确地照射偏馈抛物面天线，降低了它们的效率和增益。
The optimal feed for some given parabola has to fulfill several important characteristics:
对于给定抛物面天线最佳馈源必须具有几个重要特点：
1.The radiation angle of the main beam, between the points in which the gain is -10dB in relation to the maximal value, has to match the subtended angle. The feed radiation angle, both in horizontal and in vertical plane has to be the same, regardless the ellipticity of offset parabola.
1、主束的辐射角度，在辐射功率为-10dB的点到最大值之间，必须与张角相配。馈源的辐射角在水平和垂直都应当相同。而不管偏馈抛物面的椭圆率如何。
2.The phase center of the feed has to be well defined and stable with changes of frequencies within the working range. The change of the phase within the whole angle of illumination has to be as small as possible.
2、在其工作范围内更换工作频率时，馈源的相位中心必须精准、稳定。整个照射角度的相位变化必须尽可能地小。
3.The feed characteristics must not change much in the presence of the parabolic reflector and carrier structure. 3、在抛物面反射器和托架前面，馈源的特征不能有太大变化。
4.Feed radiation diagram has to be very clean, i.e., with low side lobes and rear lobes.
4、馈源方向图必须非常干净，即，旁瓣和后瓣应非常低。
5.The feed structure has to encroach as little as possible into the focal cone, i.e. in the space between focus and the antenna surface. Therefore, it is good when the feed phase center is on the front edge or directly in front of the antenna structure.
5、馈源结构必须尽可能地少地伸进焦点椎体中，即，焦点和天线表面之间的空间。为此，馈源相位中心最好在前沿，或直接在（馈源）天线结构的前面。It is not easy at all to accomplish all these demands. The efficiency and gain of parabolic antennas directly depend on the mode of accomplishing these demands. Therefore, in practice, it is common to make good feed first and then to choose or make a parabolic reflector with a F/D value that fits the best with the feed. [4, 5] However, if you want to use the cheap production of SAT TV offset parabolas for the work on HAM or WLAN frequencies; you have to try to construct a feed that matches those parabolic reflectors. SAT TV antennas usually have F/D in band from 0.7 to 0.9.
达到这些要求并不容易。抛物面天线的效率和增益完全取决于实现这些要求的方式。为此，在实践中，通常首先要制作一个好的馈源，然后再选择或制作一个F/D值最大程度地适合馈源的抛物面反射器。无论如何，如果你想用一个低制作成本的卫星电视偏馈抛物面天线，工作于业余无线电频段或者WLAN波段，你必须制作一个与现有抛物面反射器相配的馈源。卫星电视天线的F/D一般都在0.7-0.9范围。
For efficient illumination, we need a feed with a clean diagram that has equal width of the main beam in both planes and gain of about 12-14 dBi. This fact at the start excludes some antennas as efficient feeds for SAT TV offset parabolas. Among them is, for example, the coffee can (simple open circular waveguide) antenna that has gain of about 6-7 dBi and is very inefficient as a feed for offset parabolas. It is acceptable only for parabolas that have F/D less than about 0.5. The bi-quad antenna is somewhat better, with its gain of about 10 dBi, and its optimal version with evened diagrams in both planes and a gain of 11 dBi is even better.
为了高效照射，我们需要一个有干净的方向图的馈源，主束在水平面和垂直面要等宽，增益大约12-14dB。这实际就把一些做为卫星电视偏馈抛物面天线的高效馈源排除在外了。它们是，例如，咖啡筒（简单的开口圆形波导）天线有大约6-7dBi的增益，做偏馈抛物面天线的馈源是非常低效的。可以接受它的只有F/D小于0.5的抛物面天线。菱形天线稍微好一些，大约有10dBi的增益，其最佳版本的水平和垂直方向图相等，增益大约11dBi甚至更高。
Fig. 1. Horizontal diagram of bi-quad antenna with and without “wings“ and
optimal bi-quad with evened diagrams.
图。 1。有和没有“翅膀”的双菱天线的水平方向图和最佳双菱天线的均衡方
向图。
Fig. 2. Efficiency of coffee can antenna feed with different waveguide diameter
不同波导直径的咖啡筒馈源天线的效率
I presented some diagrams of efficiency of some antennas that are used as feeds for parabolas with different F/D and it is very clear how efficiently they work with offset dishes whose F/D is in the band 0.7-0.9 (colored band). For example, it is clear that an offset parabola with a coffee can antenna whose diameter is 0.6 wavelengths, i.e. about 74 mm at 2.45 GHz, has an efficiency of about 25%, a value that consequently decreases the gain of antenna by 6 dBi in relation to its theoretic value. That is exactly how much it would be gained with twice as small, efficiently illuminated offset parabola! [3] Even coffee can antennas with a diameter of 0.86 wavelengths, or 106 mm, do not work brilliantly. They give about 4 dB loss of antenna gain in relation to the theoretic value with an efficiency of 100%. Greater diameters of coffee can antenna have problems with the appearance of higher modes of EM waves and consequently very problematic diagrams and phase centers, so they have not recommended. The addition of conic funnel can partially improve the situation, but such horn antennas have uneven diagrams in the vertical and horizontal planes, which is very undesirable for antennas that pretend to be good and efficient feeds for dish.
我提供一些用作不同F/D的抛物面天线的馈源的效率图表，可以清楚的看出，当偏馈抛物面天线的F/D在0.7-0.9范围（彩色范围）时，它们如何有效。举例来说，很显然，偏馈抛物面天线用直径0.6波长（即，约74毫米，2.45 GHz）的咖啡罐天线作馈源，效率大约是25%。比理论值减少6DBI的天线增益。严格的说，这是二分之一照射强度的偏馈抛物面天线的照射强度。[3] 即使咖啡罐天线的直径为0.86波长，或106毫米，工作也不会很好。它损失了大约4dBi的天线增益，理论上说就是100%的效率。更大直径的咖啡罐天线出现了更高形式的EM 波的问题，方向图和相位中心也非常成问题，因此它们不被推荐。如果加上圆锥形漏斗可以部分改善这种情况，但是这种喇叭天线的垂直和水平辐射图是不平衡的，这对于一个良好而有效的抛物面天线的馈源来说，是非常不受欢迎的。The bi-quad antenna is somewhat better feed for offset parabola than coffee can antenna. Adding“wings” to reflector, which some authors use in order to improve illumination efficiency of dish, change only back side lobe radiation. The front diagram is almost unchanged and as a feed it has unchanged efficiency. The optimal bi-quad, according to L.B. Cebik [1], with reflector dimensions 150x200 mm, is even better and gives about 5% higher efficiency than other variants of
bi-quad.
双菱天线做偏馈抛物面天线的馈源，比咖啡罐天线稍微好一些。给反射器添加“翅膀”，一些发明家用来改善抛物面的照射效率，只是改变了后瓣辐射。前面的方向图几乎不变，作为馈源没有改变效率。最佳双菱天线，根据L.B. Cebik [1]设计，反射器尺寸150x200毫米，更好一些，给出比其他不同版本的双菱天线约5％的更高效率。
Fig. 3. Bi-quad antenna feed efficiency with “wings” (left) and without “wings”
(right)
有“翅膀”（左边）和没有“翅膀”（右边）的双菱馈源天线的效率
Fig. 4. Efficiency of optimal bi-quad as feed for offset dish
最佳双菱做偏馈抛物面的馈源时的效率
Two-element bi-quad feed for 2.4 GHz
2．4GHz双菱叠加馈源
As shown in the picture above, the optimal bi-quad has very high efficiency when it is illuminating dishes whose F/D is 0.5-0.6. It is obvious that it could also be adjusted for dishes with higher F/D, if the diagram could be narrowed in both planes and at the same time retain all other good characteristics. Since narrowing of the diagram, i.e. increasing of gain of the antenna, is possible only by addition of director element, that was the course I took. However, the addition of a resonant parasitic element as a director to this relatively complex structure was not such an easy thing to do! I found and looked at several reported two-element bi-quads on the Internet and by short analysis I realized that neither of them had nearly optimal performances. Some of them even worked worse with an added director than without it!
正如上图所示，最佳双菱天线当它照射F/D为0.5-0.6的抛物面时有很高的效率。很明显，有可能通过调整，使之适合更高F/D的抛物面，如果垂直和水平方向图都是狭窄的，同时保留所有其它优良特性。由于缩窄方向图，即，增加天线的增益，可能只需通过增加引向振子，这是我的拿手菜。可不管怎么说，增加一个无源振子，作为这个复杂结构的引向器，可不是一件非常容易的事！我找到和阅读了几个互联网上的两振子菱形天线的研究报告，通过简短分析，我意识到，它们均已接近最佳的性能。有的甚至加上引向器之后比没有更糟糕！
By detailed analysis and optimization I realized that director has to have approximately the same electrical length as the active element if you want to retain an optimal diagram for use with an offset parabola. With different dimensions of the director and distances between elements, somewhat higher gain can be achieved, but then the diagram is not optimal for the illumination of the offset parabolas. Also, the reflector has to be increased in relation to the one in the optimal bi-quad and is square shaped with the side of 1.6 wavelengths. Some minor asymmetry in horizontal plane diagram of two-element bi-quad feed antenna is due to asymmetrical feeding of antenna radiator.
通过详细分析和优化我认识到，如果您想保留最佳方向图，用于偏馈抛物面天线，引向器必须有和有源振子大致相同的电长度。用不同尺寸的引向器和不同的振子之间距离，可以实现更高的增益，但另一方面，方向图对偏馈抛物面天线不是最佳照射。同时，相对于一个菱形边长为1.6波长的最佳双菱天线来说，反射器必须增加（面积）。叠加双菱天线水平方向图有一些轻微的不对称料，是由于天线辐射源的不对称造成的。
Fig. 5. Horizontal and vertical diagrams of optimal bi-quad and 2 element bi-quad
feed
图。5。最佳双菱天线和叠加双菱天线的水平和垂直方向图
Fig. 6. Side and front view of 2-element bi-quad feed diagrams
图。6。叠加双菱馈源天线的侧视和前视方向图
Fig. 7. Horizontal and vertical diagram of 2-element bi-quad feed 图。6。叠加双菱馈源天线的水平和垂直方向图
Fig. 8. Gain, F/B and F/R of 2 el. bi-quad feed for different frequencies 图。8。不同频率的叠加双菱馈源天线的增益、F/B 和 F/R
Fig. 9. SWR and Reflection coefficient of 2 el. bi-quad feed for different
frequencies
图。9。不同频率的叠加双菱馈源天线的驻波比和反射系数
Fig. 10. Input impedance of 2 el. bi-quad feed for different frequencies 图。10。不同频率的叠加双菱馈源天线的输入阻抗
图。11。叠加双菱馈源天线反射板的尺寸
图。12。振子之间的距离
图。13。辐射振子的尺寸
图。14。引向振子的尺寸
Fig. 15. Currents in 2 el. bi-quad feed with 100 W power input
图。15。100瓦功率输入时叠加双菱馈源天线的电流分布
Mechanical construction of the antenna
天线的机械结构
The radiator and director are made of two pieces of copper wire, with a diameter 2-2.3 mm and a total length of 227.2 mm for the radiator and 230.8 mm for the director. Each piece of wire is folded in a little different way, as shown in pictures. The radiator is folded as in a common bi-quad, i.e., in the way that the ends of the wire come in the center of the element and join perpendicularly. The director is folded as one usually writes number 8, i.e. in the way that the ends of the wire come in the center from the same course but from the different aim, i.e., under the angle of 180 degrees. Before bending, one should measure and cut off very precisely the needed length of wire, and then measure and mark spots where the wire will be folded perpendicularly.
辐射振子和引向振子是由两段直径2-2.3毫米的铜线制成，辐射振子全长227.2毫米，引向振子全长230.8毫米。两段铜线弯折的方式小有不同，如图所
示。辐射振子是弯折一个共同的双菱，即，线的两端相会在振子中心，垂直相
接。引向振子的弯折是像人们通常书写8字那样，即，电线的末端从相同的路径来到中心，但是来自不同的目标，即，180度角。弯折之前，应该测量并切断需要的非常精确的长度，然后测量和做出标记，在标记处弯折成直角。
Director wire ends are soldered together in the center of figure-8 shaped director element.
Reflector surface may be made of copper or brass tin. It is possible to use one-sided copper clad epoxy substrate for PCBs. Two carriers (or supports) of the director element, length 30.9 mm, are also made of copper wire, diameter 2 mm. They are soldered directly to the elements, as shown in picture. This solution made building easier and ensured good mechanical stability of the whole antenna.
引向振子铜线的两端在数字8的中间焊接在一起。反射板表面可用铜或锡黄铜制作。也可以使用PCB单面环氧基覆铜板。引向振子的两个承重柱（或支撑柱），长30.9毫米，也用铜线制成，直径2毫米。他们直接焊接在振子上，如图所示。该解决方案使制作更加容易，并确保整个天线良好的机械稳定性。
It is important to keep in mind that dimensions in the pictures are given from axis to axis of wires! Dimensions from surface to surface of wire are less by 2 mm! The distance between the radiator and the reflector is given from the axis of wire to the reflector surface! From the surface of the radiator wire to the surface of reflector, the distance is less by 1 mm, i.e. 26.2 mm! In the same way, wires that connect the radiator and the director are given as the axis distance of these two-elements. To reach this distance, the wires that connect them have to be cut off shorter for 2 mm, i.e. 30.9 mm!
重要的是要记住，图片中的尺寸都是从铜线的中心线到中心线的距离！如果尺寸是从铜线表面到表面，要少2毫米！辐射振子和反射板之间的距离，是从铜线中心线到反射板表面！如果从辐射振子铜线表面到反射板表面，距离要少1毫米，即26.2毫米！同样，连接辐射振子和引向振子的铜线，给出的是两个振子中心线之间的距离。为了达到这个距离，连接它们的铜线，必须切短2毫米，即，30.9毫米了！
Feeding
馈电
Feeding the bi-quad can be accomplished in several ways. The radiator can be installed to a coaxial cable made of copper wire and a small copper or brass tube, whose diameters are in approximately ratio 1:2.3 to give a 50-ohm characteristic impedance. For example, standard copper wire with a diameter of 2.3 mm and a copper tube with inner diameter 5 mm work well. The 5.5 mm diameter hole is drilled on the reflector and the tube is soldered well to the reflector around whole circumference on the front side of the reflector. The wire that will be the central coax conductor and that is connected to the radiator should be soldered to the connector, and then the connector is soldered or screwed to the backside of the reflector.
双菱天线的馈电方式有几种。辐射振子可以安装在同轴电缆上。同轴电缆用铜线和一个铜管或黄铜管制成，其直径比大约是1:2.3，给出50欧姆的特性阻
抗。例如，标准铜线直径2.3毫米，铜管内径5毫米，工作得很好。在反射板上钻一个5毫米直径的孔，铜管要和反射板焊接良好，铜管周围的一圈都要和反射板前面焊接良好。该铜线将做为同轴线的中心导体焊接到辐射振子，另一端焊接到连接器，然后把连接器焊接或拧在反射器的背面。
Also, instead of complete air coax, one can solder only the tube through which coax cable without its outer plastic jacket comes in tightly, so that outer conductor rests tightly to the inner wall of the tube. After that, the braid is soldered well to the both sides of the tube. If you use cable with larger diameter that is stiff enough, or
semi-rigid cable, only the end of the cable without its outer plastic jacket can be pulled through reflector and soldered to the reflector surface at the place where the cable passes through the reflector.
此外，代替完整的空气同轴电缆，可以只焊接铜管，把同轴电缆（不带外面的塑料绝缘层）穿进铜管，使其外导体紧紧贴在铜管的内壁上。然后，把屏蔽层的编织物良好地焊接在铜管的两端。如果您使用的铜线直径较大，有足够的硬度，或是半刚性电缆线，只需把不带塑料护套的电缆穿过反射板，在穿过反射板的位置，把电缆的屏蔽层焊接在反射板表面。
Protection from atmospheric action
防护大气侵蚀作用
It is best that this protection is done while the copper is still light and corrosion-free and the antenna is covered by thin layer of transparent varnish. Before that, spots where cables are soldered and opened cross sections of cables are protected with thin layer of polyethylene, using the pistol that melts polyethylene bars and deposits liquid plastic on the desired surface. The layer of polyethylene should be waterproof, but as thin as possible! It is wrong to put large amounts of plastic in thick layer to the connection, because the added thickness is useless and serves only to worsen the impedance matching of antenna! Also, the use of silicone is strictly forbidden because of its chemical aggressiveness and great losses at higher frequencies!
最好在金属线还是光亮的、没有被腐蚀之前就在天线表面涂上一层薄薄的清漆，在此之前，接头上部裸露的部分要用聚乙烯保护起来，用热熔枪融化聚乙烯棒涂在该处。聚乙烯层必须是不透水的，但是要尽可能的薄！在接点处堆积大量的厚厚的塑料制品是错误的，因为它不仅无用还会破坏天线的阻抗匹配！同样，严禁使用硅有机树脂，因为它具有腐蚀性，还会使高频大量损失！
Fig. 16. Two-element bi-quad feed phase center allocation and its position at dish
focus point
图。 16。叠加双菱馈源天线的相位中心的分配和它在抛物面焦点的位置Placing the feed in the focus of the offset parabola
把馈源放置在偏馈抛物面的焦点
In the case of the optimal bi-quad, the phase center is in the plane of the reflector. In the case of two-element bi-quad, because the director is added, the phase center is moved towards the radiator. The analysis of the phase center of two-element
bi-quad revealed that it is positioned 0.235 wavelengths or 29 mm in front of the reflector. That means that, approximately, the feeding point of the radiator is the phase center of two-element bi-quad. That point must be placed in the focus of the parabola as precisely as possible! The direction of maximal radiation of the main beam must be directed into the geometrical center of the elliptic surface of the offset parabola.
对最佳双菱天线来说，相位中心在反射板平面。而对于叠加双菱天线，因为导加入了引向振子，相位中心移向辐射振子。叠加双菱天线的相位中心的分析显示，在反射板前方0.235波长或29mm的位置。这意味着，差不多，辐射振子的馈点就是叠加双菱天线的相位中心。这一点必须尽可能准确地放置在抛物面的焦点！主波束最大辐射方向必须瞄准偏馈抛物面椭圆表面的几何中心。 When SAT TV offset parabolas are used, focus is determined by the position of the SAT TV converter. Focus of the parabola, practically, is in the entrance in the waveguide of the converter. By measuring the distances between the entrance of the converter and at least 3 fixed points at the edges of the parabola, one should keep the information about the position of the focus, so that it could be precisely determined
and restored when the SAT TV converter and original carrier are taken off or adjusted in order to be able to carry a different feed. This is very important because it is very often that case that, after the correction of the feed carrier, the position of the parabola’s focus is lost and it can not be restored if there is no information, i.e. space coordinates in relation to parabolic surface.
当使用卫星电视偏馈抛物面天线时，焦点被限定在卫星电视变频器的位置。抛物线的焦点实际上是在变频器波导入口处。测量波导入口和抛物面边缘上至少3个固定点的距离，就知道了焦点的位置。保存好焦点位置的数据，这样，当我们为了使用不同的馈源，拿掉或者调整了卫星电视变频器和原来的托架之后，就能准确的确定和还原它们。这点非常重要，因为这是经常的事。更换了馈源托架之后，如果没有相关资料，即，抛物面空间座标，找不到抛物面焦点的位置，就无法复原。
Results with offset parabola
用于偏馈抛物面天线的结果
We achieved very good results by analysis of two-element bi-quad as feed of rectangle shaped offset parabola, with dimensions 100x120 cm and F/D=0.75. We confirmed very high efficiency on the basis of achieved gain of parabolic antenna in relation to theoretic value. The calculation of the efficiency of illumination of parabola from its gain gave the value of about 77%, which well coincides with calculations of efficiency derived from the shape of the feed diagram given in Figure 18.
通过分析叠加双菱天线做长方形偏馈抛物面天线（尺寸100×120cm ，
F/D=0.75）的馈源，我们得到了很好的效果。我们确信，在达到偏馈抛物面天线理论增益的基础上，抛物面天线有非常高的效率。抛物面天线的照射效率，计算结果大约为77％，这与图18中馈源方向图显示的结果完全一致。。
Fig. 17. Vertical and horizontal diagram of offset dish with 2 el. bi-quad feed 图。17。用叠加双菱天线做馈源的偏馈抛物面天线的垂直和水平方向图
Fig. 18. Efficiency of 2 el. bi-quad feed with parabolas having different F/D ratio 图。18。用叠加双菱天线做馈源的不同F/D比率的偏馈抛物面天线的效率
Fig. 19. 3D diagram of offset parabola with 2 el. bi-quad feed 图。19。用叠加双菱天线做馈源的偏馈抛物面天线的立体方向图
An elliptic parabola with the same dimensions would have a smaller gain by about 1 dB in relation to this analyzed rectangular version, with the same efficiency, because of the somewhat smaller geometric surface of elliptic parabola. Another confirmation that this is a very good feed is the purity of achieved radiant diagram of parabola. First side lobes are suppressed by about 20 dB and the front to back ratio is about 30 dB.
一个同样尺寸、同样效率的椭圆形抛物线反射器，比这个长方形反射器低大约1dB的增益，这是因为椭圆形抛物面表面几何尺寸小一些。另外一个事实是，这是一个方向图纯净完美的，非常好的抛物面天线的馈源。第一副瓣抑制为
20dB，前后瓣比大于30dB。
Maximal gain of the antenna is achieved when the phase center of the feed is exactly in the focus of parabola and when the axis of bi-quad, i.e. maximum of radiant diagram of the main beam is aimed directly into the geometric center of parabolic surface that is in the crosshair of the large and small axes of the ellipse. The input impedance of bi-quad remained practically unchanged when placed in focus of
parabola, which was expected from this antenna that is known by its relatively low Q
抛物面天线的工作原理 普通抛物面天线的结构如图3-1所示。馈源是一种弱方向性天线，安装在抛物面前方的焦点位置上，故普通抛物面天线又称为前馈天线。由馈源辐射出来的球面波被抛物面往一个方向(天线轴向)反射，形成尖锐的波束，这种情况与探照灯极为相似。 图 3-1 普通抛物面天线的结构图图 3-2 普通抛物面天线的几何关系图 抛物面是由抛物线绕它的轴线(z轴)旋转而成的，如图3-2所示。在yoz平面上，以F为焦点，O 为顶点的抛物线方程为： 相应的立体坐标方程为： 为了便于分析，也可引入极坐标。令极坐标系(ρ，ψ) 的原点与焦点F重合，则相应的旋转抛物面的方程可表示为： 设D为抛物面口径的直径，为口径对焦点所张的角(简称口径张角)，由上述关系式可导出决定抛物面口径张角的抛物面焦径比： 焦径比的大小表征了抛物面的结构特征，f/D越大，口径张角越小，抛物面越浅，加工就容易，但馈源离主反射面越远，天线的抗干扰能力就越差，反之亦然。 抛物面具有如下重要的几何光学特性：由焦点发出的各光线经抛物面反射，其反射线都平行于z轴；反之，当平行光线沿z轴入射时，则被抛物面反射而聚焦于F点。其原因是，由焦点发出的各光线经抛物面反射后到达口径面的行程相等（这一结论可利用抛物线的以下性质来证明：从抛物线任一点到焦点的距离等于该点到准线的距离）。
微波的传播特性与光相似，因此，位于焦点F的馈源所辐射的电磁波经抛物面反射后，在抛物面口径上得到同相波阵面，使电磁波沿天线轴向传播。如果抛物面口径尺寸为无限大，那么抛物面就把球面波变为理想平面波，能量只沿z轴正方向传播，其它方向辐射为零。但实际上抛物面的口径是有限的，这时天线的辐射是波源发出的电磁波通过口径面的绕射，它类似于透过屏上小孔的绕射，因而得到的是与口径大小及口径场分布有关的窄波波束。 3.2.2 偏馈天线 前馈抛物面天线的馈源位于天线的主波束内，因而对所接收的电磁波形成了遮挡，其结果降低了天线的增益，增大了旁瓣。将馈源移出天线反射面的口径，可消除馈源及其支撑物对电磁波的遮挡。图3-3示出了偏馈反射面天线的结构示意图。 实际上，偏馈反射面是在旋转抛物反射面上截取一部分而构成的。它同样可将焦点发出的球面波转换成沿轴向传播的平面波。馈源的相位中心仍放在原抛物面的焦点上，但馈源的最大辐射须指向偏馈反射面的中心。尽管反射面的轮廓呈椭圆型，但它的口径仍是一个圆。此外，对于偏馈天线而言，电磁波的最大辐射方向并不在偏馈反射面的法向，而是与法向成一定的夹角。这一特点也是偏馈天线的另一特 色，如图3-4所示。对于偏馈天线有式中，ψo是抛物面轴线与焦点到反面中心联线的夹角。反射面在这条中心两旁张成2ψe的角度。 图 3-3 偏馈天线的结构图 图 3-4 偏馈反射面天线的几何关系图
面天线的结构和工作原理 一、抛物面天线 （一）抛物面天线的结构 常用的抛物面天线从结构上看，主要由两部分组成： 照射器，由一些弱方向性天线来担当，想短电对称振子天线，喇叭天线。 作用：是把高频电流转换为电磁波并投射到抛物面上。 抛物面，它一般有导电性能较好的铝合金板构成，其厚度为1.5-3（mm），或者用玻璃钢构成主抛物面，然后在其内表面粘贴一层金属网或金属栅栏。网孔的最大值要求小于λ/8-λ/10，过大将造成对电磁波的漏射现象，影响天线的正常工作性能。 作用：构成天线辐射场方向性的主要部分。 图 1-1 普通抛物面天线的结构图图 1-2 普通抛物面天线的几何关系图（二）工作原理 抛物面具有如下重要的几何光学特性：由焦点发出的各光线经抛物面反射，其反射线都平行于z轴；反之，当平行光线沿z轴入射时，则被抛物面反射而聚焦于F点。其原因是，由焦点发出的各光线经抛物面反射后到达口径面的行程相等（这一结论可利用抛物线的以下性质来证明：从抛物线任一点到焦点的距离等于该点到准线的距离）。 微波的传播特性与光相似，因此，位于焦点F的馈源所辐射的电磁波经抛物面反射后，在抛物面口径上得到同相波阵面，使电磁波沿天线轴向传播。如果抛物面口径尺寸为无限大，那么抛物面就把球面波变为理想平面波，能量只沿z轴正方向传播，其它方向辐射为零。但实际上抛物面的口径是有限的，这时天线的辐射是波源发出的电磁波通过口径面的绕射，它类似于透过屏上小孔的绕射，因而得到的是与口径大小及口径场分布有关的窄波波束。 二、卡塞格伦天线
（一）卡塞格伦天线的结构 卡塞格伦天线是一种双反射面天线，其主反射面是旋转抛物面，副反射面是旋转双曲面。卡塞格伦天线的结构与普通抛物面天线的差别，不仅在于多了一个副反射面，而且把馈源安装到了主反射面后面上，如图1-3所示。故有时也把卡塞格伦天线称为后馈天线。 图 1-3 卡塞格伦天线的结构图 （二）卡塞格伦天线的工作原理 卡塞格伦天线的工作原理是，根据双曲面的性质，由F2发出的电磁波被副面反射，其反射的电磁波方向可以看成是共轭焦点F1发出的射线方向。又因为F1是抛物面的焦点，所以，由F2发出的电磁波经副反射面和主反射面反射后，在口径面形成同相场，从而得到平行于轴向的电磁辐射波。 双反射面的优点之一在于可以采用赋形技术。如果修正旋转双曲面的形状，使口径场分布符合要求，同时适当地修改主面以校正由于副面改变而引起的口径场相位差，那么，卡塞格伦天线将有较高的电性能。但卡塞格伦天线的副面直径一般要取较大，这在小口径天线中会造成较大的遮挡，所以在小天线中很少采用卡塞格伦结构方案。
无线WiFi-天线增益计算公式 附1:天线口径和2.4G频率的增益 0.3M 15.7DBi 0.6M 21.8DBi 0.9M 25.3DBi 1.2M 27.8DBi 1.6M 30.3DBi 1.8M 31.3DBi 2.4M 3 3.8DBi 3.6M 37.3DBi 4.8M 39.8DBi 附2:空间损耗计算公式 Ls=92.4+20Logf+20Logd 附3:接收场强计算公式 Po-Co+Ao-92.4-20logF-20logD+Ar-Cr=Rr 其中Po为发射功率,单位为dbm. Co为发射端天线馈线损耗.单位为db. Ao为天线增益.单位为dbi. F为频率.单位为GHz. D为距离,单位为KM. Ar为接收天线增益.单位为dbi. Cr为接收端天线馈线损耗.单位为db. Rr为接收端信号电平.单位为dbm. 例如:AP发射功率为17dbm(50MW).忽略馈线损耗.天线增益为10dbi.距离为2KM.接收天线增益为10dbi.到达接收端电平为
17+10-92.4-7.6-6+10=-69dbm
附4: 802.11b 接收灵敏度 22 Mbps (PBCC): -80dBm 11 Mbps (CCK): -84dBm 5.5 Mbps (CCK): -87dBm 2 Mbps (DQPSK): -90dBm 1 Mbps (DBPSK): -92dBm (典型的测试环境：包错误率PER < 8% 包大小：1024 测试温度：25ºC + 5ºC) 附5: 802.11g 接收灵敏度 54Mbps (OFDM) -66 dBm 8Mbps (OFDM) -64 dBm 36Mbps (OFDM) -70 dBm 24Mbps (OFDM) -72 dBm bps (OFDM) -80 dBm 2Mbps (OFDM) -84 dBm 9Mbps (OFDM) -86 dBm 6Mbps (OFDM) -88 dBm --------------------------------------------------------------- 发一个计算抛物面半径的公式，不少人拿到抛物面可以一下子计算不出来焦点。 r=(4*h*h+l*l)/8*h 式中r是抛物面半径，l是抛物面开口口径，也就是弦长，h是弦长中点到抛物面顶点的距离，抛物面的深度，也就是弦高。直径D=2r. 对于增益天线工作原理较为通俗的说法就是:在现有天线周围放置规则的金属抛物面，使天线位于抛物面的内反射焦点处，通过电磁波反射在焦点处形成能量集中，从而增强电磁信号的收发，实现在特定方向增强信号。 制作简单的增益天线的关键就在于找到比较规则的金属抛物面和计算抛物面的焦点位置。金属抛物面并不一定要求用金属板，也可以是
天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。 反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。下文对一些常用的天线作简单介绍。 1．抛物面天线 抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。
图1 抛物面天线 抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。 2．卡塞格伦天线 卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。 卡塞格伦天线的优点是天线的效率高，噪声温度低，馈源和低噪声放大器可以安装在天线后方的射频箱里，这样可以减小馈线损耗带来的不利影响。缺点是副反射面极其支干会造成一定的遮挡。
实验四 天线方向图测量实验 一、预习要求 1、什么是天线的方向性？ 2、什么是天线的方向图，描述方向图有哪些主要参数？ 二、实验目的 1、通过天线方向图的测量，理解天线方向性的含义； 2、了解天线方向图形成和控制的方法； 3、掌握描述方向图的主要参数。 三、实验原理 天线的方向图是表征天线的辐射特性(场强振幅、相位、极化)与空间角度关系的图形。完整的方向图是一个空间立体图形，如图7所示。 它是以天线相位中心为球心（坐标原点），在半径足够大的球面上，逐点测定其辐射特性绘制而成的。测量场强振幅，就得到场强方向图；测量功率，就得到功率方向图；测量极化就得到极化方向图；测量相位就得到相位方向图。若不另加说明，我们所述的方向图均指场强振幅方向图。空间方向图的测绘十分麻烦，实际工作中，一般只需测得水平面和垂直面的方 向图就行了。 图7 立体方向图 天线的方向图可以用极坐标绘制，也可以用直角坐标绘制。极坐标方向图的特点是直观、简单，从方向图可以直接看出天线辐射场强的空间分布特性。但当天线方向图的主瓣窄而副瓣电平低时，直角坐标绘制法显示出更大的优点。因为表示角度的横坐标和表示辐射强度的纵坐标均可任意选取，例如即使不到1o的主瓣宽度也能清晰地表示出来，而极坐标却无法绘制。一般绘制方向图时都是经过归一化的,即径向长度(极坐标)或纵坐标值(直角坐标)是以相对场强max `)(E E ?θ表示。这里，)(`?θE 是任一方向的场强值，max E 是最大辐射方向的场强值。因此，归一化最大值是1。对于极低副瓣电平天线的方向图，大多采用分贝值表示，归一化最大值取为零分贝。图8所示为同一天线方向图的两种坐标表示法。
Efficient Feed for Offset Parabolic Antennas for 2.4 GHz Dragoslav Dobri?i?, YU1AW 2.4GHz 抛物面天线的高效馈源 Resume 摘要 This article examines some of the possible solutions to the problems of efficiently illuminating SAT TV offset parabolic antennas in the use on WLAN frequencies of 2.4 GHz.. 本文探讨用于2.4GHz频段的卫星电视偏馈抛物面天线的馈源的解决办法。 Introduction 引言 The problems that occur while illuminating shallow offset parabolic dishes, in addition to those related to the efficient use of parabolic dishes generally are additionally aggravated by the specific geometry of the parabolic mirror itself. [2] Feed positioning in the way that its phase center exactly coincides with the focus of the offset parabolic dish and its aiming so that the radiation maximum falls in the geometric center of the elliptic reflector surface are not intuitive at all, as in classic parabolic antennas. Therefore, there is much confusion and many wrongly positioned feeds that do not correctly illuminate offset parabolic dishes, decreasing their efficiency and gain. 这个问题时常存在于一些浅照射的偏馈抛物面天线,除了和抛物面天线有效利用有关之外，抛物面反射镜本身的具体尺寸[2]又使之更加严重。馈源的定位方式——其相位中心必须严格与偏馈抛物面天线的焦距保持一致，而且对准。这样，其最大辐射值落在椭圆形反射面的几何中心，是不直观的，正如在经典抛物线天线那样。因此，有许多混乱，许多错误的馈源定位，不能正确地照射偏馈抛物面天线，降低了它们的效率和增益。 The optimal feed for some given parabola has to fulfill several important characteristics: 对于给定抛物面天线最佳馈源必须具有几个重要特点： 1.The radiation angle of the main beam, between the points in which the gain is -10dB in relation to the maximal value, has to match the subtended angle. The feed radiation angle, both in horizontal and in vertical plane has to be the same, regardless the ellipticity of offset parabola. 1、主束的辐射角度，在辐射功率为-10dB的点到最大值之间，必须与张角相配。馈源的辐射角在水平和垂直都应当相同。而不管偏馈抛物面的椭圆率如何。 2.The phase center of the feed has to be well defined and stable with changes of frequencies within the working range. The change of the phase within the whole angle of illumination has to be as small as possible.
工学院课程考核论文 课程名称：微波技术与天线 题目：板状天线基本原理及分析专业：电子信息工程 班级：08级1班 姓名：李亮亮 学号：1665080115 任课教师：张平娟
摘要 本文主要介绍了板状天线的原理以及做出相应的分析。 由于微带天线具有重量轻、低剖面、成本低、易于制造、封装和安装等许多固有的优点，本文选用微带贴片天线作为天线单元。首先采用传输线法和腔模理论对矩形微带天线进行分析，计算出矩形贴片的长，宽，并选择基板材料和高度。然后针对设计指标详细讨论了各种因素对微带贴片天线性能的影响，用背馈的方式完成了微带贴片天线单元的设计方案，从而简化馈电网络。 板状天线基本原理及分析 一．板状天线基本原理 板状天线的基本知识： 无论是GSM 还是CDMA，板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。这种天线的优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。板状天线也常常被用作为直放站的用户天线，根据作用扇形区的范围大小，应选择相应的天线型号。 图1-1板状天线的基本形式 如图所示，板状天线是在阵列天线或者天线单元的下方加上一块反射板，使波束往前方发射，利用反射板可把辐射能控制到单侧方向，平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的图1－2说明了反射面的作用，反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。天线的基本知识全向阵（垂直阵列不带平
面反射板）。抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源，基站天线可供设计的参数是天线的垂直波瓣和水平波瓣，垂直波瓣是通过阵列天线来实现的，而水平波瓣是由所采用的天线单元样式和相应的反射板所决定。 图1-2水平面方向图 板状天线高增益的形成： 1.采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵，如图1-3 图1-3直线阵的方向和模型 2.在直线阵的一侧加一块反射板（以带反射板的二半波振子垂直阵为例），如图2-4
馈源方向图可以作为激励引入。 大型抛物面天线的FEKO仿真计算 发表时间：2009-8-8 作者: 陈鑫*余川来源: 安世亚太 关键字: FEKO 仿真抛物面天线方向图 本文利用FEKO 软件仿真计算得到了抛物面天线的方向图。在仿真过程中将喇叭馈源生成的方向图做为激励加入， FEKO 软件的这一特点不但提高了计算速度、节约了所需要的系统资源，也为进一步对抛物面天线阵的仿真打下了基础。 1 前言 在电子对抗、跟踪遥测等工程应用领域内，由于抛物面天线具有发射功率大、副瓣较低、结构简单易加工、相关技术较成熟等优点，常常被选做发射天线或者阵列单元。 在频率较高频段，特别是C 波段以上的频段，其波长已经在10 厘米以内，对于直径在一米以上的大型抛物面天线或者天线阵列来说，市面上其他电磁场仿真软件在对于电大天线的仿真计算能力很弱，有些根本无法计算，而FEKO 软件恰恰弥补了这一空白。 本文利用FEKO 软件仿真计算得到了直径为110 厘米的抛物面天线方向图（X 波段），在仿真过程中将喇叭馈源生成的方向图数据文件做为激励加入，抛物面表面采用PO 算法，大大提高了计算效率，节省了所需硬件资源，为进一步对抛物面天线阵的仿真打下了基础。 2 馈源仿真计算 对于传统前馈抛物面的仿真，一般都是将喇叭馈源和抛物面整体建模、整体计算的方法。在计算机硬件资源和时间允许的情况下，其优点是操作简单，直接得出计算结果；但是如果需要计算天线阵列或者更大的抛物面天线，也许对于计算机资源要求就太高，往往无法满足需要。因此，我们首先用SABOR 软件快速设计喇叭几何尺寸，计算喇叭的大致远场方向图和增益（图1）。在FEKO 中用MLFMM 计算该尺寸的喇叭方向图，如图2 所示，计算结果与设计一致，满足下一步计算要求。
天线增益的计算公式 天线增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 可以这样来理解增益的物理含义--一为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号,如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W 的输入功率，而用增益为G = 13dB = 20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100 / 20 = 5W。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。 半波对称振子的增益为G=2.15dBi o4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G=8.15dBi（dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源）o 如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是dBd o 半波对称振子的增益为G=0dBd （因为是自己跟自己比，比值为1 , 取对数得零值。）垂直四元阵，其增益约为G=8.15 - 2.15=6dBd。 天线增益的若干计算公式 1）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益：G （dBi） =10Lg{32000/ （2。3dB,EX2。3dB,H） } 式中，2。3dB,E与2 0 3dB,H分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度; 32000是统计出来的经验数据。
2)对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益： G (dBi) =10Lg(4.5X (D/XO) 2} 式中，D为抛物面直径； 入0为中心工作波长； 4.5是统计出来的经验数据。 3)对于直立全向天线，有近似计算式 G (dBi) =10Lg(2L/X0) 式中，L为天线长度； 入0为中心工作波长； 天线的增益的考量 在无线通讯的实际应用中，为有效提高通讯效果，减少天线输入功率，天线会做成各种带有辐射方向性的结构以集中辐射功率，由此就引申出“天线增益”的概念。简单说，天线增益就是指一个天线把输入的射频功率集中辐射的程度，显然，天线的增益与其方向图的关系很大，主瓣越窄、副瓣越小的天线其增益就越高，而不同结构的天线，其方向图的差别是很大的。 在通讯技术领域，与其它考量功率、电平等参数的量值同样，天线增益也采用相对比较并取对数的简化法来表示，具体计算方法为：在某一方向向某一位置产生相同辐射场强的时，对无损耗理想基准天线的输入功率与待考量天线的输入功率的比值取对数后乘以10 (G = 10lg(基准Pin/ 考量
卫视经纬版 电子报/2002年/04月/21日/第008版/ 自制大口径抛物面天线 江西张敏 本人对大口径抛物面天线心仪已久,可惜该类天线价格不菲。无奈之下,本人遂蒙生自制的念头。经过深思熟虑,年前动手试制,竟一举成功!高兴之余,现将关键工艺介绍如下,愿与有志之士共享! 一、精工制作抛物线模具 常常听人告诫:抛物面天线精度高,手工打造的天线,只能当作摆设!为此,本人特别设计如下制作工艺,经实践证明,方法简单,一试即成! 抛物面天线直径2.4m,焦距1.2m,抛物线标准方程式:Y2= 4.8X 取刨花板(2.4m 1.2m)一块,水平放置于地上,在上面精确画出Y2= 4.8X的抛物线。用手锯沿抛物线锯开,即得到一条标准的抛物线截面。用扁铁沿抛物线截面绷紧并钉牢,这样就获得了一条光滑、坚硬的抛物线截面模具。 将刨花板垂直安置在地面上,并用铅垂线校正,以确保X轴垂直于地平面。最后,将模具牢牢固定即可(见图1)。 二、制作抛物线天线骨架 天线骨架由6个不同直径的钢筋圆圈和6条固定钢筋焊接而成。钢筋圆圈的制作数据见下表。 用 14mm的钢筋在弯管机上分别弯制出6、5、4、3、2、1圆圈,并用电焊焊好接头。将圆圈6水平安放到模具上,用水平仪校正,然后牢牢固定,用同样的方法,将圆5安装到模具上。然后取两小段钢筋,用电弧焊将圆5和圆6沿抛物线对称焊牢。圆4、3、2、1和0原点钢板均照此方法安装并焊牢。最后,用 2.5mm铁钉从钢板中心孔钉入模具抛物线截面顶点O内。 至此,抛物面天线骨架已焊接成一个整体了,将此骨架顺时针旋转60,沿着抛物线对称焊入两根固定筋。照此方法,将6根固定筋全部焊牢,天线骨架制作完毕。 三、安装反射网 反射网就地取材,无特殊要求。本人在一家电焊店购得两张镀锌铁丝网(下脚料),将它们沿对角线剪开,得到4张三角形铁丝网。将天线骨架从模具上取下来,把4张铁丝网压入骨架并初步整平固定,然后放在模具上,压平压紧,用铁丝固定。接着将骨架顺时针转动一个小角度,压平压紧铁丝网,用铁丝固定。照此方法,将铁丝网固定到骨架上。最后,还要用模具精确校正一遍,以确保操作精度。 四、安装支架 用一根长0.9m和一根长1.2m的钢筋焊成一个直角。将1.2m钢筋的一端固定到焦点处,将0.9m钢筋的一端与圆6焊牢。在焦点处可配焊一小段角铁,便于安装下变频器件(见图2)。 五、安装基座及调试 安装调试方法报刊上介绍较多,本文不再赘述。在天线调整好方位角和仰角后,根据具体情况,在内架上焊入3~4根钢筋以固定天线。笔者将该天线喷上草绿色油漆安放在小院内的绿色树丛中,与环境非常协调、融洽。
通信信号处理实验报告 ——阵列天线方向图的初步研究 11级通信（研） 刘晓娟 113128301 一、实验原理： 1、智能天线的基本概念：智能天线是一种阵列天线，它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的方向图形状，即自适应或以预制方式控制波束幅度、指向和零点位置，使波束总是指向期望方向，而零点指向干扰方向，实现波束随着用户走，从而提高天线的增益，节省发射功率。智能天线系统主要由①天线阵列部分；②模/数或数/模转换部分；③波束形成网络部分组成。本次实验着重讨论天线阵列部分。 2、智能天线的工作原理：智能天线的基本思想是：天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制。 3、方向图的概念：以入射角为横坐标，对应的智能天线输出增益为纵坐标所作的图称为方向图，智能天线的方向图有主瓣、副瓣等，相比其他天线的方向图，智能天线通常有较窄的主瓣，较灵活的主、副瓣大小、位置关系，和较大的天线增益。与固定天线相比最大的区别是：不同的全职通常对应不同的方向图，我们可以通过改变权值来选择合适的方向图，即天线模式。方向图一般分为两类：一类是静态方向图，即不考虑信号的方向，由阵列的输出直接相加得到；另一类是带指向的方向，这类方向图需要考虑信号的指向，通过控制加权相位来实现。 二、实验目的： 1、设计一个均匀线阵，给出λ（波长），N （天线个数），d （阵元间距），画出方向图曲线，计算3dB 带宽。 2、通过控制变量法讨论λ，N ，d 对方向图曲线的影响。 3、分析旁瓣相对主瓣衰减的程度(即幅度比)。 三、实验内容： 1、公式推导与整理： 权矢量12(,,......) T N ω ωωω=，本实验旨在讨论静态方向图，所以此处选择 ω =(1,1,......1)T 。 信号源矢量(1)() [1,,...]j j N T a e e β β θ---=，2s in d πβθλ = ， 幅度方向图函数()()H F a θωθ== (1)1 s in 2 s in 2 N j n n N e β ββ --== ∑ = sin (sin /)sin (sin /) n d n d πθλπθλ。
卡塞格伦天线的工作原理 时间：2015-08-10 来源：天线设计网TAGS：卡赛格伦 我们已经知道，反射面天线的方向图形状（波束指向、主瓣宽度、副瓣电平）决定于天线口径上的场(或电流)分布。而口径场分布又由馈源的方向图和反射面的形状确定。改变反射面的形状，即采用长焦距的反射面来得到较均匀的口径场分布。但是，焦距变长之后，天线纵向尺寸变大，这不仅使结构上不便，而且馈线变长会增加损耗，对远距离通讯来说增加噪声，降低效率。 另外，要获得低副瓣(如-40dB)，口径场振幅分布还不能是均匀的，应满足一定分布规律。这由单反射面和一个馈源来调整是困难的。采用双反射面天线，可方便地控制口径场分布。既可以使反射面的焦距较短，又可保证得到所需的天线方向图，而且使设计增加了灵活性。双反射面天线系统的设计起源于卡塞格伦光学望远镜。这种光学望远镜以其发明人卡塞格伦Cassegrain命名。下图为中国科学院国家天文台、中电集团39所联合研制的 40米射电望远镜，位于中科院云南天文台（昆明东郊凤凰山），于2005年8月动工兴建，2006年5月投入运行。40米射电望远镜的主要任务，是接收嫦娥卫星下行的科学数据并参与完成对绕月卫星的精密测轨。 40米射电望远镜是一台转台式卡塞格伦型天线，总重约360吨。天线主反射面直径40米，由464块铝合金实体单块面板和不锈钢网状单块面板构成，中央（直径26米以内部分）由208块实体单块面板构成，周边直径26米至40米部分则由256块网状单块面板构成。正十六边形的天线中心体空间行架结构及辐射梁、环梁构成天线的主反射体背架结构。40米天线馈电采用后馈卡焦方式，焦长为13.2米。直径4.2米的双曲线副反射体由4根与俯仰轴成450 方向对称布局的支撑柱支撑。是不是很高大上呢？
中国石油大学近代物理实验报告 班级：材料物理10-2 姓名：同组者：教师： 设计性实验不同材质天线的方向图测量【实验目的】 1．了解天线的基本工作原理。 2．绘制并理解天线方向图。 3．根据方向图研究天线的辐射特性。 4、通过对不同材质的天线的方向图的研究，探究其中的练习与规律。 【预习问题】 1．什么是天线？ 2．AT3200天线实训系统有那几部分组成，分别都有什么作用？ 3．与AT3200天线实训系统配套的软件有几个，分别有什么作用？ 【实验原理】 一．天线的原理 天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波。但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低。要能够有效地辐射或者接收电磁波，天线在 结构和形式上必须满足一定的要求。图B1-1给出 由高频开路平行双导线传输线演变为天线的过程。 开始时，平行双导线传输线之间的电场呈现驻波分 布，如图B3-1a。在两根互相平行的导线上，电流 方向相反，线间距离又远远小于波长，它们所激发 的电磁场在两线外部的大部分空间由于相位相反 而互相抵消。如果将两线末端逐渐张开，如图B3-1b 所示，那么在某些方向上，两导线产生的电磁场就 不能抵消，辐射将会逐渐增强。当两线完全张开时， 如图B3-1c所示，张开的两臂上电流方向相同，它 们在周围空间激发的电磁场只在一定方向由于相 位关系而互相抵消，在大部分方向则互相叠加，使 辐射显著增强。这样的结构被称为开放式结构。由 末端开路的平行双导线传输线张开而成的天线，就是通常的对称振子天线，是最简单的一种天线。 图B3-1 传输线演变为天线a. 发射机 c. b.
无线网络WiFi天线原理 1.7.2 高增益栅状抛物面天线 从性能价格比出发，人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。由于抛物面具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强，直径为 1.5 m 的栅状抛物面天线，在900兆频段，其增益即可达 G = 20dBi。它特别适用于点对点的通信，例如它常常被选用为直放站的施主天线。 抛物面采用栅状结构，一是为了减轻天线的重量，二是为了减少风的阻力。 抛物面天线一般都能给出不低于 30 dB 的前后比，这也正是直放站系统防自激而对接收天线所提出的必须满足的技术指标。 1.7.3 八木定向天线 八木定向天线，具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。因此，它特别适用于点对点的通信，例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。 八木定向天线的单元数越多，其增益越高，通常采用 6 - 12 单元的八木定向天线，其增益可达 10-15dBi。 1.7.4 室内吸顶天线 室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。 现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎都是一样的。这种吸顶天线的内部结构，虽然尺寸很小，但由于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求，按照国家标准，在很宽的频带内工作的天线其驻波比指标为VSWR ≤ 2 。当然，能达到VSWR ≤ 1.5 更好。顺便指出，室内吸顶天线属于低增益天线, 一般为G = 2 dBi。 1.7.5 室内壁挂天线 室内壁挂天线同样必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。 现今市场上见到的室内壁挂天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎也都是一样的。这种壁挂天线的内部结构，属于空气介质型微带天线。由于采用了展宽天线频宽的辅助结构，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能较好地满足了工作宽频带的要求。顺便指出，室内壁挂天线具有一定的增益，约为G = 7 dBi。 2 电波传播的几个基本概念 目前GSM和CDMA移动通信使用的频段为： GSM：890 - 960 MHz， 1710 - 1880 MHz CDMA: 806 - 896 MHz 806 - 960 MHz 频率范围属超短波范围；1710 ~1880 MHz 频率范围属微波范围。 电波的频率不同，或者说波长不同，其传播特点也不完全相同，甚至很不相同。 2.1 自由空间通信距离方程 设发射功率为PT，发射天线增益为GT，工作频率为f . 接收功率为PR，接收天线增益为GR，收、发天线间距离为R，那么电波在无环境干扰时，传播途中的电波损耗 L0 有以下表达式： L0 (dB) = 10 Lg（ PT / PR ） = 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB) [ 举例] 设：PT = 10 W = 40dBmw ；GR = GT = 7 (dBi) ； f = 1910MHz 问：R = 500 m 时， PR = ？ 解答： (1) L0 (dB) 的计算 L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB)
大连理工大学实验预习报告 姓名：牛玉博班级：电通1202 学号：201201203 实验六天线方向图测试 本系统主要用于线天线E面方向图测试，可动态、实时绘制极坐标和直角坐标系方向图曲线，保存测试数据用于后续分析处理。 系统使用步骤示意如图0.1所示。 图0.1 系统使用步骤示意图 1系统连接 测试系统由发射装置、接收装置和控制器三大部分组成，三部分的连接示意如图1.1所示。连接时注意信号线要根据待测工作频率接至对应端子，并将接收装置方向调整到正确姿态。
图1.1 系统连接示意图 发射装置包含400MHz 和900MHz 两个频点的发射电路和天线，如图1.2所示。接收装置包含400MHz 和900MHz 两个频点的接收电路和天线，并具有天线旋转机构，如图1.3所示。控制器利用触摸屏完成所有测试操作和方向图曲线的实时绘制，如图1.4所示。 图1.2 发射装置 图1.3 接收装置 此处少一图（图1.4 测试控制器）、待发。 2 控制器操作 2.1 打开控制器电源，等待系统启动，进入提示界面，如图2.1所示。 发射装置 接收装置 控制器 电机线 信号线
图2.1 方向图测试系统提示界面 2.2点击界面任意位置，进入“实测方向图”界面，如图2.2所示。 图2.2 实测方向图界面 2.3点击图2.2中的“频率选择”按钮，选择与硬件链接对应的工作频率。 2.4点击“天线长度”数字框，输入实际天线长度（单位为毫米），并按“确 定”确认，如图2.3所示。
图2.3 天线长度输入界面 2.5点击“机械回零”按钮，接收天线旋转，当到达机械零点基准点时，自 动停止旋转，如图2.4所示。注意：机械回零完成之前不要做其它操作！ 图2.4 机械归零界面 2.6点击“归一化”按钮，接收天线旋转，搜索信号最大值，并提示“归一 化进行中”。当到天线旋转一周时，搜索结束，如图2.5所示。注意：归
天线增益的计算及单位转换 增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 可以这样来理解增益的物理含义 ------ 为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要 100W 的输入功率，而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100 / 20 = 5W 。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。 半波对称振子的增益为 G=2.15dBi。4 个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为 G=8.15dBi( dBi 这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源 )。 如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是 dBd 。 半波对称振子的增益为 G=0dBd （因为是自己跟自己比，比值为 1 ，取对数得零值。）垂直四元阵，其增益约为 G=8.15 – 2.15=6dBd 。 天线增益的若干计算公式 1）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益： G（dBi）=10Lg{32000/（2θ3dB,E×2θ3dB,H）} 式中， 2θ3dB,E与2θ3dB,H分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度； 32000 是统计出来的经验数据。 2）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益： G（dBi）=10Lg{4.5×（D/λ0）2} 式中， D 为抛物面直径； λ0为中心工作波长； 4.5 是统计出来的经验数据。 3）对于直立全向天线，有近似计算式 G（dBi）=10Lg{2L/λ0} 式中， L 为天线长度； λ0 为中心工作波长； 关于天线的db, dBi，dBd等单位 有些朋友往往比较容易混淆这些单位，dB取的都是以对数值为基础的。
电磁场与电磁波实验报告实验内容：天线方向图的测量 学院：电子工程学院 班级：2010211207 姓名：林铭雯 学号：10210880（21）
一、实验目的 1．了解天线的基本工作原理。 2．绘制并理解天线方向图。 3．根据方向图研究天线的辐射特性。 4、通过对不同材质的天线的方向图的研究，探究其中的练习与规律。 二、实验原理 1、天线的原理 天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波。但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它 的辐射或接收效率可能很低。要能够有 效地辐射或者接收电磁波，天线在结构 和形式上必须满足一定的要求。图B1-1 给出由高频开路平行双导线传输线演变 为天线的过程。开始时，平行双导线传 输线之间的电场呈现驻波分布，如图 B3-1a 。在两根互相平行的导线上，电流 方向相反，线间距离又远远小于波长， 它们所激发的电磁场在两线外部的大部 分空间由于相位相反而互相抵消。如果 将两线末端逐渐张开，如图B3-1b 所示， 那么在某些方向上，两导线产生的电磁 场就不能抵消，辐射将会逐渐增强。当 两线完全张开时，如图B3-1c 所示，张开 的两臂上电流方向相同，它们在周围空 间激发的电磁场只在一定方向由于相位关系而互相抵消，在大部分方向则互相叠加，使辐射显著增强。这样的结构被称为开放式结构。由末端开路的平行双导线传输线张开而成的天线，就是通常的对称振子天线，是最简单的一种天线。 天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，然而发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中 图1 传输线演变为天线 a.发射机c. b.
天线增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 可以这样来理解增益的物理含义 ------ 为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要 100W 的输入功率，而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 / 20 = 5W 。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。 半波对称振子的增益为 G=2.15dBi。4 个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为 G=8.15dBi( dBi 这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点 源 )。 如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是 dBd 。 半波对称振子的增益为 G=0dBd （因为是自己跟自己比，比值为 1 ，取对数得零值。）垂直四元阵，其增益约为 G=8.15 – 2.15=6dBd 。 天线增益的若干计算公式 1）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益： G（dBi）=10Lg{32000/（2θ3dB,E×2θ3dB,H）} 式中， 2θ3dB,E与2θ3dB,H分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度； 32000 是统计出来的经验数据。 2）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益： G（dBi）=10Lg{4.5×（D/λ0）2} 式中， D 为抛物面直径； λ0为中心工作波长； 4.5 是统计出来的经验数据。 3）对于直立全向天线，有近似计算式 G（dBi）=10Lg{2L/λ0} 式中， L 为天线长度； λ0 为中心工作波长；
无线网络WIFI天线原理 1 天线 1.1 天线的作用与地位 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。 *电磁波的辐射 导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如图1.1 a 所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如图1.1 b 所示，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。必须指出，当导线的长度L 远小于波长λ 时，辐射很微弱；导线的长度L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。
1.2 对称振子 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子, 见图1.2 a 。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子, 见图1.2 b。