第六章 面天线

第五章 天线阵

(5-1) 写出均匀直线式相控阵天线的方向性函数表达式？若阵元间距d=0.5l，不

出现栅瓣的最大扫描角

mq等于多少度？当希望波束在

±45°范围内扫描时，各

阵元间最大的馈电相位差为多少度？阵元间最大的馈电相位差为多少度？

解：解： (1) 方向图函数为方向图函数为

sin(/2)

()

sin(/2)N

fy

y

y= ，cosdybqa

=-

(2)由公式由公式

1|cos|

mdl

q<

+

得|cos|1

mq

<，00180

mq

<<

(3) 由cosd

ybqa

=-＝0 

得 0

cos/2()127.26drad

abqp

===

(5-2) 有一均匀直线阵，设其间距d=0.65l。要求：

①当为侧射时的主瓣宽度为o42

5.0=j，确定单元数N；

②当波束指向偏离侧射方向25o

时，确定相邻单元的馈电相位差

a；

③若最大扫描角为偏离侧射方向±30o

，确定该阵列是否出现栅瓣；

④写出该阵列的归一化方向图函数。

解：(1) 当N很大时，由主瓣宽度公式很大时，由主瓣宽度公式

0

0.5251

Ll

f

=

式中，LNd

=

, 0.65dl

=

， 0

0.524f

=

得

21N

=

(2) 相邻单元的馈电相位差：相邻单元的馈电相位差：

002

cos0.65sin251.3sin25

mdp

abqlp

l=××=××=

(3) 最大扫描角为偏离侧射方向±30o

，0

60

=

mq

0.65d

l= ， 10.667

1cos

mq=

+

满足条件满足条件 1

1cos

md

lq<

+，所以，不出现栅瓣所以，不出现栅瓣

(4) 阵列的归一化方向图函数为阵列的归一化方向图函数为 sin()

2

()

sin()

2N

F

Ny

q

y=

， cosdybqa

=-

(5-3) 某雷达的天线为6层、8行的同相水平天线，已知天线阵元为全波振子，

阵元间距d=1.5m，最低层离地面高度为2m。试估算其工作波长l，E面半功率

波瓣宽度2

E5.0q，方向性系数D和主波束仰角

mD的数值。的数值。

《天线原理与设计》讲稿 王建 146

第六章 行波天线

什么是行波天线？用一句通俗的话说就是“波”在天线上以行波方式传播

的天线。行波天线分两类，

一类为电流行波在天线导线上传播的天线；

如长线行波天线、“V”形天线(P121图8-3)，菱形天线(图8-4)等，以及为

近似电流行波传播的偶极子加载天线(P119图6-1)，等角螺旋天线(P142图8-23)，

平面阿基米德天线(图6-24)等。

一类为电磁行波在天线上传播的天线。

如八木天线(P131图6-12)，轴向模圆柱螺旋天线(P136图6-19(b))，对数周

期振子天线(P146图6-30)等。

八木天线

轴向模螺旋天线

对数周期振子天线

6.1偶极子加载天线

自学。

6.2菱形天线

自学。

6.3汉森—乌德亚德条件及强方向性端射阵

汉—乌条件是使行波天线方向性系数达到最大值的条件。满足汉—乌条件《天线原理与设计》讲稿 王建 147

的端射阵为强方向性端射阵。

6.3.1 引言

在前面均匀直线阵一节中，我们讨论了三种最大辐射方向对应的阵列，即

侧射阵、端射阵和扫描阵(其中端射阵考虑适当的单元形式之后就是一种行波

阵)。它们都是基于“电流相位补偿波程差cos0

mdψβθα

=−=”的概念得到最

大辐射方向的。按此概念设计的端射阵，其主瓣较宽，方向性系数虽大，但不是最佳的。如下给出侧射阵与端射阵的比较

阵列形式 主瓣宽度

0.52ϕ

方向性系数D 阵因子()fθ

侧射阵 51/Lλ

(o

) 2L/λ

sin(cos/2)

()

sin(cos/2)Nd

f

dβθ

θ

βθ=

端射阵 108/Lλ

(o

) 4L/λ

sin[(1cos)/2]

()

sin[(1cos)/2]Nd

f

dβθ

θ

βθ−

=

−

早在1938年，汉森(Hansen)和乌德亚德(Woodyard)就提出，在普通端射阵的

均匀递变相位的基础上再附加一个均匀递变的滞后相位δ

，可以提高端射阵的方

向性系数。这种阵列称为强方向性端射阵，或汉森－乌德亚德端射阵。

<>讲稿 282

第十二章 双反射面天线

12.1 引言

为了改善卫星跟踪与通信应用的大型地面微波反射面天线的性能，多采用双

反射面天线系统。

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。

这一章主要介绍作为双反射面天线基础的并已普遍采用的标准卡塞格伦天

线，介绍其工作原理，结构组成、几何参数、分析方法、增益和效率等。为了提

高增益效率，将简单介绍赋形卡塞格伦天线和高效率馈源相结合的高效卡塞格伦

天线。

12.2 卡赛格伦天线的工作原理

12.2.1标准卡塞格伦天线的组成

一副10m地面站卡塞格伦天线如图12-1所示。

标准卡塞格伦天线由主反射面、副反射面和馈源组成。为了获得聚焦特性，

主反射面必须是旋转抛物面，副反射面是旋转双曲面，馈源可以是各种形式，但

一般用喇叭作馈源，安装在主、副反射面之间，其相位中心应置于旋转双曲面的

焦点上，双曲面的安装应使双曲面的虚焦点与抛物面的焦点重合，如图12-2所

示。

卡塞格伦天线整个就是一个轴对称结构。副反射面通常置于喇叭馈源的远

区。如果喇叭辐射的球面波方向图是旋转对称的，侧卡式天线就具有轴对称性能。

282 <>讲稿 283

不同类型的抛物面天线介绍及工作原理

一、普通抛物面天线

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。

二、偏馈天线