·52 ·测控与通信2012年第1期
大型反射器天线测量
翟爱芬张博文
（中国电子科技集团公司第39研究所西安710065）
摘要天线交付用户之前需要确定天线的各项指标，通过天线测量获得各种必须的数据。介绍了大口径天线不同参数的测量，美国NASA深空网（DSN）70m卡塞格伦天线、乌克兰70m格利高里天线及日本64m波束波导天线的测量。
关键词大型天线参数测量经纬仪微波全息摄影
The Measurement of Large Reflector Antennas
Zhai Aifen, Zhang Bowen
(No.39 Research Institute of CETC, Xi’an 710065, China)
Abstract：The main factors of an antenna should be measured before it is delivered to the user. The required data are obtained by antenna measurement. The measurement of large aperture antenna factors is presented and the measured examples of the NASA DSN 70m Cassegrain antenna, Yevpatoria 70m Gregorian antenna in Ukraine and Usuda Cassegrain 64m in Japan are introduced.
Key words：large aperture antenna, factor measurement, theodolite, holography
0 引言
天线设计制造完成后，能不能实际应用，最可靠的办法是进行实际测量。而测量的结果又常常用于验证理论和检验天线结构，为今后制造同类型的天线提供经验。
1 测量参数
大型天线测量包括机械性能和电气性能测量。机械性能包括面板精度、重力变形等，主要电气性能参数是辐射方向图。对于大口径天线来说，最大的挑战是天线的表面精度和重力变形测量。
1.1 机械性能测量
天线制造完成后首先需要测量的是面板精度，一般用经纬仪或微波全息摄影技术。
1）经纬仪测量
经纬仪用于天线面板安装后的初次调整。
收稿日期：2011年11月1日经纬仪用来测量安装在每块面板角上的靶标的角度。面板安装好之后，用打孔钢带在天线面板上钻孔，作为旋转靶标的模板。经纬仪测量中的误差包括靶标位置测量的角度误差和到目标半径距离误差。
到目前为止，用经纬仪测量的最大误差源是用打孔钢带导致的半径距离测量误差。如果用激光测距仪替代打孔钢带测量半径，均方根测量误差可以从0.3mm提高到0.2mm。通常使用经纬仪进行初装后的面板调整，微波全息摄影用于描述主反射面表面特性。美国航空航天局（NASA）的深空网（DSN）70m天线用瑞士Leica Geosystems公司的TDM-5000全站仪（也称电子速测仪）进行了测量。这种经纬仪测量垂直和水平角及距离并将测量数据下载到计算机中，计算机将球坐标转换到笛卡尔坐标，并可用指令驱动仪得到1个期望的观测角[1]。
作者简介翟爱芬女，1987年毕业于西安电子科技大学。主要从事情报研究工作。
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
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。
第6章反射面天线 Helmut E. Schrank Gary E. Evans Daniel Davis 6.1 引言 天线的作用 雷达天线的基本作用是实现电磁波的自由空间传播和导波传播之间的转换。发射期间天线的特定功能是将辐射能集中到具有某种形状的定向波束内，以照射指定方向的目标。接收期间天线收集目标反射的回波信号能量并将之送往接收机。因此，在以发射方式和接收方式工作时，雷达天线起到互易的，然而是相互关联的作用。在两种方式或者作用中主要的目的都是要精确确定目标的方向角。为实现此目的，需要有高度定向的（窄的）波束，从而不仅达到所需的角精度，而且能够分辨相互靠得很近的目标。雷达天线的这一重要特性可以定量的用波束宽度来表示，也可以表示为发射增益和有效接收孔径。后两个参量相互成正比，并且与检测距离和角精度有直接关系。许多雷达都设计成工作在微波频率，这时用适当物理尺寸的天线就能获得窄的波束宽度。 以上雷达天线的功能性描述意味着一副天线既用于发射，又用于接收。虽然大多数雷达系统都是这样工作的，但是也有例外，如一些单基地雷达采用收发分离的天线，当然，双基地雷达按定义必定是收发分离的天线。在这一章中，重点介绍较常用的单部天线，特别是广泛使用的反射面天线。相控阵天线的内容参见第7章。 波束扫描与目标跟踪 由于雷达天线一般具有定向波束，大范围的角度覆盖要求窄波束快速往复地在空域内扫描，以保证不论目标在哪个方向上都能探测到。这就是警戒雷达或搜索雷达的功能。有些雷达系统设计成一旦探测到目标便可进行跟踪，这种跟踪功能要求专门设计与警戒雷达天线不同的天线。在某些雷达系统中，特别是在机载雷达中，将天线设计成既具有搜索又有跟踪的功能。 测高 大多数警戒雷达都是二维坐标的，只测定目标的距离和方位坐标。在早期的雷达系统中，另外的测高天线通过机械俯仰摆动来测量第三个坐标，即仰角，由此计算出空中目标的高度。现在设计的3D雷达采用一副天线测量所有三个坐标，例如，一部天线在接收方式工作时在俯仰方向形成多个堆积波束，而在发射方式工作时形成宽覆盖的垂直波束。这些波束在水平方向同样窄，但垂直堆积接收波束可以用两个相邻的交叠波束测量回波振幅来确定目标的仰角。
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。
·52 ·测控与通信2012年第1期 大型反射器天线测量 翟爱芬张博文 （中国电子科技集团公司第39研究所西安710065） 摘要天线交付用户之前需要确定天线的各项指标，通过天线测量获得各种必须的数据。介绍了大口径天线不同参数的测量，美国NASA深空网（DSN）70m卡塞格伦天线、乌克兰70m格利高里天线及日本64m波束波导天线的测量。 关键词大型天线参数测量经纬仪微波全息摄影 The Measurement of Large Reflector Antennas Zhai Aifen, Zhang Bowen (No.39 Research Institute of CETC, Xi’an 710065, China) Abstract：The main factors of an antenna should be measured before it is delivered to the user. The required data are obtained by antenna measurement. The measurement of large aperture antenna factors is presented and the measured examples of the NASA DSN 70m Cassegrain antenna, Yevpatoria 70m Gregorian antenna in Ukraine and Usuda Cassegrain 64m in Japan are introduced. Key words：large aperture antenna, factor measurement, theodolite, holography 0 引言 天线设计制造完成后，能不能实际应用，最可靠的办法是进行实际测量。而测量的结果又常常用于验证理论和检验天线结构，为今后制造同类型的天线提供经验。 1 测量参数 大型天线测量包括机械性能和电气性能测量。机械性能包括面板精度、重力变形等，主要电气性能参数是辐射方向图。对于大口径天线来说，最大的挑战是天线的表面精度和重力变形测量。 1.1 机械性能测量 天线制造完成后首先需要测量的是面板精度，一般用经纬仪或微波全息摄影技术。 1）经纬仪测量 经纬仪用于天线面板安装后的初次调整。 收稿日期：2011年11月1日经纬仪用来测量安装在每块面板角上的靶标的角度。面板安装好之后，用打孔钢带在天线面板上钻孔，作为旋转靶标的模板。经纬仪测量中的误差包括靶标位置测量的角度误差和到目标半径距离误差。 到目前为止，用经纬仪测量的最大误差源是用打孔钢带导致的半径距离测量误差。如果用激光测距仪替代打孔钢带测量半径，均方根测量误差可以从0.3mm提高到0.2mm。通常使用经纬仪进行初装后的面板调整，微波全息摄影用于描述主反射面表面特性。美国航空航天局（NASA）的深空网（DSN）70m天线用瑞士Leica Geosystems公司的TDM-5000全站仪（也称电子速测仪）进行了测量。这种经纬仪测量垂直和水平角及距离并将测量数据下载到计算机中，计算机将球坐标转换到笛卡尔坐标，并可用指令驱动仪得到1个期望的观测角[1]。 作者简介翟爱芬女，1987年毕业于西安电子科技大学。主要从事情报研究工作。
对称振子由两段同样粗细，长度各为l的直导体组成 两导体内端接馈线，两导体内端间距λ ? ，可忽略不计。 最主要的区别在于：对称振子的长度并非远小于波长 1、振子上各点的电流不再相等 2、振子上各点至远场的距离不能认为是相等的 结构： 可以看成是由半波长短路线折叠而成，折叠后的上下两导体的间距远小于波长 优点： 1、输入电阻大 2、工作频带要宽与普通的半波振子天线 简介： 上个世纪二十年代，日本东北大学的八木秀次和宇田太郎两人发明了这种天线，被称为“八木宇田天线”，简称“八木天线”。 对称振子天线 对称振子天线与基本电振子的区别 折合振子天线 引向天线（八木天线）
结构： 天线构成如图所示： 1、与馈线相连的称为有源振子或主振子 2、比有源振子略长的称为反射器 3、比有源振子略短的称为引向器 工作原理： 由天线阵理论可知，阵列可以增强天线的方向性。八木天线也是一种天线阵。 无源振子（反射器） 无源振子（引向器）
只对有源振子馈电，其余振子则是靠与馈电振子之间的近场耦合所产生的感应电流来激励的。通过调整振子的长度和间距可以改变振子之间的电流分配比，从而达到控制天线方向性的目的 增加引向振子的个数可以提高天线的方向性。 6.4.2 引向天线 八木天线的方向图： 图6-4-7 8元引向天线的方向图 八木天线的优点及应用： 有着很好的方向性，被广泛的用于微波通信、雷达、电视等无线电系统中。 配上仰角和方位旋转控制装置，可较为灵活的与各个方向上的电台联络。可被用于无人机的地面遥控天线。
对数周期天线
特点： 它是一种宽带天线 工作原理： 从短振子端馈电 前端远小于波长的振子其引向器作用。 中部长度约为四分之一波长的振子，其主要辐射作用。 后部长度远大于四分之一波长的振子，其反射器作用。 特点： 它是一种常用的圆极化天线 螺旋天线的辐射特性基本上决定于螺旋的直径与波长之比 1）D/λ<0.16时，其方向图如图a所示。垂直于螺旋轴线。 2）D/λ=0.25~0.46之间时，其方向图如图b所示。平行于螺旋轴线。螺旋天线
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？
3.3.4球面反射面天线 上面我们讨论的都是指可驱动的天线，即认为它是一架可以指向天空任意位置并能跟踪的天线。为了提高空间分辨率和灵敏度，射电天线一般都做得很大，它重量小到几百吨大至几千吨。这种可驱动的大天线极易受到重力、风、热等因素的影响而变形，致使天线的增益降低。研究表明，单个可驱动天线的极限口径可能是100米。为了增加天线的口径，天文学家和工程技术人员想到了固定的天线，它类似一口大锅支在山凹之中，其本上解决了重力和风对天线的影响，口径可以做得很大。最典型的例子是位于美国 Arecibo 天文台，口径为305米的球反射面天线（参看图3.26）。 40 a 我想读者首先感兴趣的一个问题是：为什么固定反射面天线往往选择为球面。这是因为球面是一个没有确定主轴的反射镜面，即球面对任意方向投射到它上面的光束 （如图3.27 a 中A 和B 光束）都有相同的物理性质。固定球面天线总是对向天顶，移动在天线上方的馈源，在一定天区范围不同方向来的光束经球面反射后总可以汇聚到馈源。如图30 b 所示的那样，如果α是馈源照明区域相对于球心所张的立体角，0α是固定球面天线所张的立体角，则观测天区的立体角为 00a θαα=?′ （3.65） 定义馈源照明区域的直径为有效照明口径，则从上式我们发现，为了观测比较大的天区，固定球面天线的口径要大，而有效馈源照明口径要小。为了保证一定的灵敏度，有效馈源照明口径又不能太小，于是球面天线口径和有效馈源照明口径要折衷选取，才能使固定球面天线既有足够的灵敏度又有比较大的观测观天区。 固定球面天线有一个很大的缺点是它有严重的球差，即如图3.27a 所示，入射的一束平行光束经球面天线反射后不是聚集到焦点而是一条线。平行入射到照明区且离轴很近的光束将聚焦到近轴焦点O ，而离轴越远的光线，它的焦点离近轴焦点也越远，最后来自照明区边沿的反射光束，它的焦点离近轴焦点最远。如果把一个平面放在近轴焦点上并与轴垂直，这个平面称高斯平面。在高斯平面上这些光束形成一个斑。如果是一个馈源来有效地接收这些辐射，这个馈源必须是一个线馈源，在线馈源各部分接收到的辐射必须做振幅和相位改正。最早期的固定球面天线用的确实是一种带槽的线状
万方数据
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双馈源偏置卡塞格伦天线研究 作者：刘文波， 张洪顺， LIU Wen-bo， ZHANG Hong-shun 作者单位：刘文波,LIU Wen-bo(重庆通信学院,研究生管理大队)， 张洪顺,ZHANG Hong-shun(重庆通信学院,无线电管理教研室,重庆,400035) 刊名： 通信技术 英文刊名：COMMUNICATIONS TECHNOLOGY 年，卷(期)：2009,42(5) 参考文献(4条) 1.田田.张潜.张洪顺关于减小卡塞格伦天线副面遮挡效应的研究[期刊论文]-通信对抗 2006(04) 2.熊旋宽角扫描偏置卡塞格伦天线研究[学位论文] 2004 3.刘少东.焦永昌.张福顺宽角扫描侧馈偏置卡塞格伦天线的优化设计[期刊论文]-电波科学学报 2004(06) 4.刘旭峰.刘少东.张福顺宽角扫描双反射面天绒的方向图分析[期刊论文]-西安电子科技大学学报(自然科学版) 2005(01) 本文读者也读过(10条) 1.刘文波.张洪顺双馈源偏置卡塞格伦天线研究[会议论文]-2008 2.刘少东.焦永昌.张福顺.LIU Shao-dong.JIAO Yong-chang.ZHANG Fu-shun表面误差对侧馈偏置卡塞格伦天线辐射场的影响[期刊论文]-西安电子科技大学学报（自然科学版）2005,32(6) 3.林岩用有一定电阻的双曲面设计低旁瓣卡塞格伦天线[期刊论文]-微波学报2002,18(3) 4.郝绍生.吴智慧.杜鸣晓.HAO Shao-sheng.WU Zhi-hui.DU Ming-xiao多波束抛物面天线测高功能的研究与实现[期刊论文]-空军雷达学院学报2008,22(2) 5.龚云峰.谢拥军.岳亮.王元源.GONG Yunfeng.XIE Yongjun.YUE Liang.WANG Yuanyuan高功率近场卡塞格伦天线的设计[期刊论文]-现代电子技术2009,32(13) 6.刘元云利用HFSS-IE快速设计大口径卡塞格伦天线[会议论文]-2010 7.任宪端.房华.胡印永.张光青卡塞格伦天线的改造与调整[期刊论文]-中国有线电视2000(20) 8.闫丰.杜彪.YAN Feng.DU Biao赋形卡式天线最佳吻合反射面的计算方法[期刊论文]-无线电工程2011,41(3) 9.余世里.谢振超卡塞格伦天线副反射面运动扫描研究[会议论文]-2010 10.朱翠肖椭圆波束天线设计[期刊论文]-无线电通信技术2003,29(2) 本文链接：https://www.doczj.com/doc/d114061950.html,/Periodical_txjs200905009.aspx
利用Ansoft HFSS-IE 设计Ka波段低副瓣抛物反射面天线文章来源: ANSYS 2011中国用户大会优秀论文录入: https://www.doczj.com/doc/d114061950.html, 点击数: 628 【摘要】本文仿真设计了一种工作于Ka波段的低副瓣抛物反射面天线，该天线采用馈源前置式单反射面形式。馈源采用E 面扇形喇叭天线，利用先进的三维电磁场仿真软件Ansoft HFSS v12 首先对馈源进行了仿真与优化设计，得到了满足技术指标要求的结构参数。在此基础上，利用Ansoft HFSS 与HFSS-IE 协同设计了所要求的抛物反射面天线。仿真结果表明，所设计的抛物反射面天线增益大于36dBi，副瓣低于-27dB。仿真结果与理论计算结果比较吻合，并且满足了技术指标要求。此外，通过整个设计过程以及软件仿真结果也直接证明了HFSS-IE 计算的准确性以及快速实用性，对于大口径反射面天线的设计具有一定的指导价值。 1 引言 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，其中抛物反射面天线是最经典，用的最多的一种形式。它是一种主瓣窄、副瓣低、增益高的微波天线，广泛应用于雷达、卫星通信、微波中继通信以及射电天文等领域中[1]。 如图1所示，抛物反射面天线由一个旋转抛物面和一个馈源组成。抛物面由抛物线绕其轴线oz旋转一周形成；馈源可以采用多种形式，如带反射板的短偶极子[2]，缝隙天线，喇叭天线等，且馈源视在相位中心应放置于抛物面的焦点F上。该天线的基本原理基于几何光学定律的思想。发射状态时，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上的平面波前，从而使抛物反射面天线具有锐波束、高增益的性能；接收状态时，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[3]。
目录 摘要.......................................................................................................................................I Abstract................................................................................................................................II 目录....................................................................................................................................III 第一章绪论 (1) §1.1课题研究背景及意义 (1) §1.2国内外研究现状 (1) §1.2.1反射面天线的研究现状 (1) §1.2.2反射面天线馈源与正交模耦合器的研究现状 (3) §1.3本文的主要工作和章节安排 (4) 第二章偏置反射面天线的理论与分析 (6) §2.1偏置反射面天线的工作原理及几何特性 (6) §2.2反射面天线的分析方法 (9) §2.2.1几何光学法 (9) §2.2.2物理光学法 (10) §2.2.3两种计算方法的补充 (11) §2.3偏置反射面天线电气特性 (12) §2.3.1线极化时交叉极化的劣化 (12) §2.3.2圆极化时的波束倾斜 (13) §2.4多波束反射面天线的偏焦问题 (13) §2.5本章小结 (15) 第三章馈源的设计 (16) §3.1反射面天线馈源简介 (16) §3.2T零型短杯同轴多模馈源 (18) §3.3介质棒辐射体馈源 (20) §3.4本章小结 (23) 第四章正交模耦合器与功分器的设计 (24) §4.1正交模耦合器的设计 (24) §4.1.1正交模耦合器概述与分类 (24) §4.1.2插针式正交模耦合器的原理、设计、仿真和测试 (25) §4.2波导功分器的设计 (30) §4.2.1波导功分器的概述 (30) §4.2.2一种E面T型功分器原理、设计、仿真 (31)
抛物面天线基础理论
3.1.2 抛物面的几何尺寸及特性 一般用于面天线反射面的抛物面，都具有以剖面图6-6-1中的z轴为中心呈旋转对称式结构。在剖面图中，把o称为抛物面的顶点，F称为抛物面的焦点， ψ称为抛物面的张角，是从焦点F 到口面边沿射线与OF轴线的夹角；D=2R称为抛物面口面直径，R为口面半径；ρ为焦点F到反射面上任意点的距离。 由抛物面的定义可知： =+=+ 2cos(1cos) fρρψρψ 此关系式是以焦点F为极坐标原点得出的抛物线方程，由此可进一步得到：
21cos f ρψ=+ 由图 6-6-1还可得到： 2sin sin 21cos sin 1cos f y ftg tg ψρψψψ ψψψ===+=+ 把口面直径0 ,2D y R ψψ===代入6-6-3可得到： 222D ftg ψ=，或者0 1142f D tg ψ=? 3.1.3 抛物面天线的工作原理 根据抛物面的集合特性，可以得到抛物面的两个重要性质：
（1）由焦点F发出的射线，经旋转抛物面反射后，反射线互相平行，且都平行于其轴线OF，即//''// MN M N OF。反过来，平行于OF轴线的射线，经旋转抛物面的反射作用，其反射线均汇聚于其焦点处。 （2）由焦点发出的射线，经由旋转抛物面反射到达口面时，其长度相等，即： +=+6-6-3 ''' FM MN FM M N 这说明，由焦点F发出的射线，经旋转抛物面反射后，每条射线路程均相等。 根据以上两条可以得到，当把照射器置于焦点位置，并使照射器的相位中心与抛物面焦点重合，照射器辐射出的球面波经旋转抛物面反射后，在口面上将转变成平面波，使抛物面天线口面场形成均匀分布。由前面讨论结果得知，均匀口面场必将产生强方向性辐射场，这就是利用旋转抛物面产生强方向性辐射场的原理所在。 当然，如果把旋转抛物面天线用作接收，入射波又是平面波形式，经抛物面反射后，就会把平面波转换成球面波传送到位于焦点位置的照射器，形成聚集接收，增加照射器接收信号的强度。
第16章 抛物面天线 16.1 旋转抛物面天线的几何特性 抛物面天线的功能就是把理想的球面波变为理想的平面波，使孔径面上每一个面积元ds 具有相同的相位，在远区场实现同相叠加，从而使主波束方向上增益加大，并与孔径面积成正比。所以抛物面天线可以获得非常高的增益。 抛物面类型的天线一般是用几何光学设计的。几何光学就是用射线表示电磁波的传播方向；射线的长度表示电磁波的光程或相位。 抛物面是如何实现孔径平面上的电磁场达到同相要求的呢？让我们来研究一下抛物面的几何特性。旋转抛物面是由抛物线绕中心轴旋转一周得到的曲面。我们可以先研究抛物线的特性。 在几何学上，抛物线是由动点（M ）， 与一定点F 和定直线0l 等距点的轨迹形成的，即线段MF AM =。一个理想点源在F 点发出一个球面波，按几何光学法，波的某射线沿FM 运动，在M 点与反射面相遇反射后达到B 点。按照抛物线的几何性能： 如果MB ∥OF ，则在M 点的法线MN 必定平分FMB ∠。 射线在M 点反射后, 投射角等于反射角(即FMN ∠＝NMB ∠), 一定沿MB 达到B 点。而 MF AM =，所以总光程为： f d AB MB AM MB FM 2===+=+ 总光程f d 2=是一个常数。FM 是任一 射线，它反射后达到1l 上的B 点，光程为一常数2f. 显然,从F 经抛物线反射到达直线1l 的任何位置，光程都是相同的。沿着Z 轴将抛物线和直线1l 旋转360°,则抛物线变为抛物面、直线1l 变为平面。从F 点源发出的球面波在1l 处形成了平面波波前。 将这些几何关系置入坐标系。坐标系的原点(0,0,0)放在抛物面的顶点，Z 轴为抛物面的旋转轴，f 是抛物面的焦距，则在直角坐标系中抛物面方程为： f R f Y X Z 442 2 2 ==+ (16.1-1)
103 实验二十一 天线方向图测试一抛物面天线方向性的研究 一、实验目的 1、进一步掌握天线方向图的基本测量方法。 2、了解旋转抛物面天线的结构及其几何参数关系。 3、研究旋转抛物面天线的辐射器在正焦、偏焦时的方向图。 二、实验内容 1、测量旋转抛物面天线的主要几何尺寸，计算抛物面的焦距f ，将辐射器置于焦点上(正焦时)，测量抛物面天线的H 面方向图。 2、将辐射器置于偏离抛物面轴线某一角度1θ的等焦距位置上，测量天线的H 面方向 图。 3、将辐射器沿轴线缩短4cm 时，测量天线的H 面方向图。 三、实验原理和方法 旋转抛物面天线是一种典型的反射面天线，它是由金属制作成的旋转抛物面反射镜(其几何尺寸大至几十米，小到零点几米)和位于抛物面焦点上的辐射器(又称馈甲如振子天线、喇叭天线和糙隙天线等)所构成，具有主瓣窄、付瓣电子低和高增益等辐射特性，目前已广泛地应用于雷达、中继通信、电视、射电天文和卫星地面站等方面。 抛物面天线辐射特性的分析方法目前在理论上已经成熟，借助数字计算机可以获得精确的计算，但是由于制造工艺和安装方面的原因往往存在抛物面的制造公差和辐射器的安装公差等，从而影响了天线的辐射特性，所以通过实际测试调整天线的性能是非常重要的。 旋转抛物面天线是一种具有针状波束的强方向性天线，它的这一特性是由旋转抛物面天线的聚焦作用决定的。在直角坐标中的方程为 224x y fz += 在极坐标系中的方程为 2 2sec 1cos 2 f f ψ ρψ= =+ 图20-1旋转天线法测量天线方框图
四、测量步骤 ⑴、根据要求确定球坐标去向和控制台 ⑵、确定最小测试距离和架设高度 ⑶、进行电道估算选择测量仪器 ⑷、收发天线应架设在同一高度上，并将转台调到水平 ⑸、检查周围的反射电平及必须具备的测量条件 ⑹、转台转轴尽可能通过待测天线相位中心 ⑺、转动待测天线，使准备测试的方向图平面为水平面，并使辅助天线极化使与待测场极 化一致。 ⑻、将收发天线最大方向对准，调整检波器与测量放大器使接受指示最大 ⑼、旋转待测天线，记录接受信号，特别留心主办宽度和付瓣电平，垂直平面的方向图测 量同上，只要将天线变成俯仰转动或将待测天线极化旋转90度在水平面测量。 ⑽、如果待测天线为椭圆极化，且方向图形状较复杂时，必须在同一平面内测量两个正交分量方向图。 四、实验报告内容 1、按实验报告要求书写。 2、根据测出的收发天线离地面的高度及收发天线间距离，估算天线实验场地是否满足要求。 3、列出方向图数据表，分别将归一化方向图绘在同一张坐标纸上，在绘制的方向图曲线上标出半功率宽度。 104