卡塞格伦天线的工作原理

• 112•本文设计了一种W 波段双极化卡塞格伦天线。

天线口径为1.0m ，由主反射面、副反射面和馈源喇叭组成。

为降低加工难度和成本，馈源喇叭采用双模喇叭，通过优化各种结构参数，实现天线的低副瓣和高交叉极化特性。

经暗室测试， 天线增益达到56dBi ，副瓣电平小于-25dB ，交叉极化达到30dB 以上，在气象雷达产品中得到良好的应用效果。

毫米波因更易于实现高增益、低旁瓣及更好的角探测精度和分辨力，在气象雷达领域得到飞跃的发展。

云目标往往对不同极化电磁波具有不同的散射特性，为了提离云相态信息的探测能力，毫米波气象雷达需具备双极化工作模式。

作为雷达的关键部件，研制高增益、低副瓣、低交叉极化的双极化天线已成为研究的热点。

由于卡塞格伦天线具有增益高、低交叉极化、馈线波导短、口径效率高等优势，已广泛应用于雷达领域。

特别是在W 波段，因其可以大大改善馈线损耗，更是天线设计者的首选。

本文根据总体项目技术要求，采用正馈圆口径卡塞格伦天线，通过优化馈源、副反射面、支杆等关键部件，实现了在W 波段的高增益、低副瓣、低交叉极化的天线性能。

1 天线设计1.1 天线参数设计卡塞格伦天线是双反射面天线中最为常见的一种结构形式，主反射面为抛物面，副反射面为双曲面，馈源的相位中心位于双曲面的一个焦点，而双曲面的另一焦点与抛物面的焦点重合。

正是由于馈源喇叭的后置，大大缩短了馈线长度，降低馈电网络损耗，且便于安装于维修。

对于卡塞格伦天线设计来说，其遮挡主要来源于副反射面口径，因此副面的大小选取显得尤为重要。

根据最小遮挡条件：式中， k w 为馈源波束宽度常数，为减少副面遮挡，D S 取值应尽量小，同时为避免副面的绕射影响，副面取值至少＞7λ。

考虑到天线口径312l （94.58GHz ）左右，副面与主面相比可以很小，副面可以选择D s / D =0.0816。

焦径比的选择要综合考虑馈源系统的尺寸，交叉极化分量等因素。

在本天线设计中，焦径比F /D =0.275，馈源照射角度（相对副面半张角）为25°，照射电平取-20dB ，则双曲面的离心率e =1.8342，双曲面两焦点之间的距离为f =91.306mm 。

代号分类 10701 TN82 学号 密级 1102120954 公开题 （中、英文） 目 倒置卡塞格伦天线的研究与设计Research and Design of InverseCassgrain Antenna作者姓名何润涛指导教师姓名、职称郑会利教授学科门类工学提交论文日期 学科、专业 电磁场与微波技术 二〇一四年一月学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

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本人签名：日期西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。

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同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。

(保密的论文在解密后遵守此规定)本人签名：导师签名：日期日期摘要摘要倒置卡塞格伦天线是在卡塞格伦天线的基础上发展而来的，并将极化扭转技术应用其中。

倒置卡塞格伦天线主要应用在雷达系统当中。

倒置卡塞格伦天线是一种双反射面天线，前面的抛物面主要对电磁波进行反射和透射，后面的反射面对反射回来的电磁波进行极化扭转。

设计的难点在于确定主反射面的光栅尺寸。

本文旨在设计一款工作在8~9GHz的倒置卡塞格伦天线。

设计的核心工作在于确定抛物面的光栅结构以及极化扭转板的整体结构。

卡塞格伦通信天线
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。

按照天线辐射系统的配置划分，卡塞格伦通信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。

卡塞格伦通信天线与普通抛物面天线的差别在于它不仅在结构上多了一个副反射面，而且把馈源安装到了主反射面后面。

卡塞格伦通信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。

卡塞格伦通信天线具有以下几种特点：
1. 采用修正的发射器，其天线效率高、噪声温度低；
2. 馈源和低噪声放大器可以放在主反射器后部的设备室里，组装性好；
3. 天线辐射方向性好，因此卡塞格伦通信天线可以用于大型地球站通信。

卡塞格伦天线工作原理
卡塞格伦天线工作原理
首先分析双曲面的母线(双曲线)的几何光学特性。

卡塞格伦天线要利用双曲线的两个特性：
(a) 双曲线上任意一点N至两焦点的距离之差等于常数，即；
(b) 双曲线上任意一点N处的切线把N点对两焦点的张角平分。

a为双曲线在N点的法线单位矢量，连接并延长之，得。

设
由性质(b)可得，所以，则，这就说明的延长线就是
反射线。

换言之，由点发出的各射线经双曲面反射后，反射线的延长线都
相交于点，即“汇聚"在焦点上。

由此可见，位于焦点的照射器发出的
球面波，经双曲面反射后，其所有的反射线就象从双曲面的另一个焦点发
射出来的一样。

而又与旋转抛物面的焦点重合，所以由双曲面反射到主反射面上的射线，就象从抛物面的焦点F发射出来的，一样，再经抛物面反射后，这些射线都平行于抛物面的焦轴。

参看图22，
由性质2和抛物面的等光程性可知
(63)
再根据性质1并参看图23，有
(64)
将式(63)、(64)相加，可得
(65)
因此，由照射器在点发出的任意射线经双曲面和抛物面反射后，不仅相互平行，而且到达抛物面口径时所经过的路程相等，即照射器发出的球面波变成了平面波。

在卡塞格伦天线中，照射器和副面的组合就相当于一般抛物面天线中安置在焦点F的馈源，称之为组合馈源。

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。

卡塞格伦天线参数1.引言1.1 概述卡塞格伦天线是一种常见的天线类型，常用于通信和广播领域。

它由一个主要由许多金属片组成的反射器和一个位于反射器焦点处的辐射器构成。

卡塞格伦天线的设计旨在提供高增益和方向性，以便在传输信号时能够实现较远的覆盖距离。

反射器是卡塞格伦天线中的关键组件之一。

它的作用是将辐射器发出的信号反射并聚焦在特定方向上，从而增强天线的增益。

通常情况下，反射器由大量金属片组成，这些金属片的形状和排列方式会对天线的性能产生重要影响。

与传统的平面反射器天线相比，卡塞格伦天线具有较高的增益和更窄的方向性。

这是由于卡塞格伦天线的反射器具有抛物形状，可以更有效地将信号反射到辐射器上。

此外，卡塞格伦天线还具有较低的侧瓣辐射和较高的前向增益，这使其在抗干扰和长距离传输方面表现出色。

除了反射器，卡塞格伦天线的辐射器也是至关重要的组成部分。

辐射器通常采用馈源、驱动器和辐射元件的组合，用于将电磁信号转化为空间中的电磁波。

辐射器的设计和参数设置对天线的频率响应、极化特性和效能等性能指标有着重要影响。

总的来说，卡塞格伦天线是一种性能优异的天线类型，具有较高的增益、良好的方向性和较低的侧瓣辐射。

它在通信和广播领域中得到广泛应用，能够满足长距离传输和抗干扰等要求。

通过合理的设计和参数设置，卡塞格伦天线可以进一步提高其性能，适应不同的应用场景。

1.2 文章结构文章结构部分旨在介绍本文的整体结构和各个部分的内容。

本文共包含三个主要部分，即引言、正文和结论。

引言部分包括三个小节。

首先是概述，通过简要介绍卡塞格伦天线的相关背景和概念，为读者提供背景知识。

其次是文章结构，用于说明本文的组织结构和各个部分的内容。

最后是目的，明确本文的研究目标和意义。

正文部分是本文的主体，分为两个要点，分别是卡塞格伦天线参数要点1和卡塞格伦天线参数要点2。

针对每个要点，文章将深入探讨卡塞格伦天线的相关参数，包括其基本原理、设计方法、特点和应用领域等。

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。

图12-2 10m地面站卡塞格伦天线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。

12.2.2卡塞格伦天线的工作原理卡式天线的工作原理与抛物面天线的相似，抛物面天线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，径抛物面反射后转变为在抛物面口径上的平面波前，从而使抛物面天线具有锐波束、高增益的性能。

天线的主要特性（一）天线是微波收发信设备的“出入口”，它既要将发信机的微波沿着指定的方向放射出去，同时还要接受对方传来的电磁波并送到微波收信机。

因此，天线性能的好坏将直接影响到整个微波通信系统的正常运行。

这里我们将对天线的性能指标及要求作一介绍。

天线的方向性通常一副天线向各个方向辐射电磁波的能力是不同的，它沿各个方向辐射电磁能量的强弱可用天线的方向系数来表示。

所谓天线的方向系数是指在某点产生相等电场强度的条件下，无方向性天线总辐射功率PF0与定向天线总辐射功率PF的比值，常用“D”来表示，即天线方向性图（3-4）不难想象，定向天线沿各个方向辐射的电场强度是不相同的，因而定向天线的方向系数也将随着观测点的位置不同而有所不同。

其中方向系数最大的地方，即辐射增强的方向，称主射方向。

通常人们用天线的方向图来表示天线对各个方向的方向系数大小，如图所示。

由图可以看出，天线的方向性图像象花朵的叶瓣，各叶瓣称为方向叶。

处于主射方向的方向叶称为主叶，处于主叶反方向位置的方向叶称为后叶，其他方向的方向叶统称为副叶。

显然主叶的宽度越窄，说明天线的方向性也好。

天线方向性的好坏，工程上常采用半功率角和零功率角两个参量来表示。

所谓半功率角是指主叶瓣上场强为主射方向场强的1/√2= 0.707时（即功率下降1/2时），两个方向间的夹角，即为“2θ0.5”；所谓零功率角是指偏离主射方向最近的两个零射方向（辐射场强为零的方向）之间的夹角，记为“2θ0”。

半功率角和零功率角越小，表示主叶瓣的宽度越窄，说明天线的方向性越好。

一副方向性良好的天线，除了必须具备上述具有较小的半功率角和零功率角外，还应该包括后叶瓣和副叶瓣尽可能小，以减小可能出现的窜扰。

天线的主要特性（二）天线增益所谓天线增益是指天线将发射功率往某一指定方向发射的能力。

天线增益定义为：取定向天线主射方向上的某一点，在该点场强保持不变的情况下，此时用无方向性天线发射时天线所需的输入功率Pi0，与采用定向天线时所需的输入功率Pi之比称为天线增益，常用“Ｇ”表示。

倒置卡塞格伦天线抛物面以及馈源的设计作者：钞春晓来源：《物联网技术》2014年第06期摘要：研究了倒置卡塞格伦天线的抛物面以及馈源，并采用FEKO进行仿真优化，设计了工作在8~9GHz的倒置卡塞格伦天线的抛物面以及馈源，给出了抛物面参数的选择方法以及馈源的尺寸。

关键词：倒置卡塞格伦天线；FEKO；抛物面；馈源中图分类号：TN823文献识别码：A文章编号：2095-1302（2014）06-0062-020引言天线在电视、雷达系统中起着至关重要的作用，随着人造卫星和航空航天技术的新的高精尖科技的发展，人们对跟踪雷达的要求进一步提高，主要体现在跟踪雷达的跟踪速度、跟踪精度、跟踪距离和抗干扰能力上。

倒置卡塞格伦天线[1]就是在这种背景下产生的，它采用极化扭转技术实现雷达的快速扫描、精确跟踪，其结构为馈源、抛物面反射器、极化扭转板。

本文将介绍倒置卡塞格伦天线设计中的首要工作，即倒置卡塞格伦天线抛物面的选择以及馈源的设计。

1天线设计原理抛物面天线[2]是以几何光学法为理论基础的一种天线形式。

通过几何光学法的理论基础，我们可以知道如果在抛物面焦点上放置一个点源，经过抛物面反射会得到一组平行的射线束。

所以馈源发射的球面波经过抛物面反射以后，转变成抛物面口径上的平面波前，这使得抛物面天线具有锐波束、高增益的性能。

抛物面天线的几何关系示意图如图1所示，根据抛物面性质可得：OP+PQ=2f=const （1）其中OP=r' ，OQ=r' cosθ'，所以代入式（1）可得：（2）因为抛物面是由抛物线绕其轴旋转而成的，所以抛物面有旋转对称性，表现在球坐标r'，θ'，φ'里就是其特性不存在φ'方向的变化。

在抛物面分析中，需要得出其表面反射点出垂直于此处切线的单位矢量，所以我们先将式（2）改写为：（3）然后对式（3）取梯度得出表面法线再根据几何关系以及直角-球坐标变换公式，进而可以得到抛物面焦距直径比（焦径比）f/d 与半张角θ0之间的关系：（4）2抛物面天线参数的选择抛物面天线主要设计参数[3]为焦径比f/d以及半张角? 0，根据式（3）可知焦径比和半张角只需确定其中一个，另外一个就可以计算出来。

常见卫星电视接收天线介绍摘要：卫星电视接收天线是有线电视前端的重要组成部分之一，本文重点介绍了常见的卫星电视接收天线的类型及优缺点，用图说明了其工作原理。

关键词：卫星电视接收天线类型工作原理优缺点卫星电视接收天线是有线电视前端重要组成部分，主要用于接收电视节目信号，其原理是利用电波的反射原理，将电波集焦后，辐射到馈源上的高频头，然后通过馈线将信号传送到卫星接收机并解码出电视节目。

卫星接收天线形式有多种多样，但最常见的有以下几种：一、正馈（前馈）抛物面卫星天线正馈抛物面卫星接收天线类似于太阳灶，由抛物面反射面和馈源组成。

它的增益和天线口径成正比，主要用于接收C波段的信号。

由于它便于调试，所以广泛的应用于卫星电视接收系统中。

它的馈源位于反射面的前方，故人们又称它为前馈天线（如图1所示）。

正馈抛物面卫星天线的缺点是：1、馈源是背向卫星的，反射面对准卫星时，馈源方向指向地面，会使噪声温度提高。

2、馈源的位置在反射面以上，要用较长的馈线，这也会使噪声温度升高。

3、馈源位于反射面的正前方，它对反射面产生一定程度的遮挡，使天线的口径效率会有所降低。

优点就是反射面的直径一般为1.2--3M，所以便于安装，而且接收卫星信号时也比较好调试。

二、卡塞格伦（后馈式抛物面）天线卡塞格伦是一个法国物理学家和天文学家，他于1672年设计出卡塞格伦反射望远镜。

1961年，汉南将卡塞格伦反射器的结构移植到了微波天线上，他采用了几何光学的方法，分析了反射面的形状，并提出了等效抛物面的概念。

卡塞格伦天线，它克服了正馈式抛物面天线的缺陷，由一个抛物面主反射面、双曲面副反射面、和馈源构成，是一个双反射面天线，它多用作大口径的卫星信号接收天线或发射天线。

抛物面的焦点与双曲面的虚焦点重合，而馈源则位于双曲面的实焦点之处，双曲面汇聚抛物面反射波的能量，再辐射到抛物面后馈源上（如图2所示）。

由于卡塞格伦天线的馈源是安装在副反射面的后面，因此人们通常称它为后馈式天线，以区别于前馈天线。

反射面抛物面卡塞格伦天线由金属反射面和馈源组成的天线，主要包括单反射面天线(图1)和双反射面天线(图3)两大类。

这是基于光学原理导出的天线形式，广泛用于微波和波长更短的波段。

第二次世界大战前后多种单反射面天线开始大量使用，到60年代出现了以卡塞格伦天线为代表的双反射面天线。

它们已成为最常用的一类微波和毫米波高增益天线，广泛应用于通信、雷达、无线电导航、电子对抗、遥测、射电天文和气象等技术领域。

以卫星通信为例，由于增益高和结构简单，反射面天线是通信卫星地球站的主要天线形式；由于能制成可展开的折伞形结构，它又是宇宙飞船和卫星天线的基本形式。

至今不但已产生了多种多样的反射面形式来满足不同的需要，同时也出现了性能优良的多种馈源结构(见天线馈源)。

有些还采用组合馈源来形成"和差"波束或多波束(见单脉冲天线和多波束天线)。

单反射面天线典型形式是旋转抛物面天线(图1a)。

它的工作原理与光学反射镜相似，是利用抛物反射面的聚焦特性。

抛物面上点P的以O为原点的柱坐标方程为ρ2=4fz；以焦点F为原点的球坐标方程为r=2f/(1+cosθ)，f为抛物面的焦距。

因此，由焦点F发出的射线经抛物面反射后，到达焦点所在平面的波程为一常数，即。

这说明各反射线到达该平面时具有相同相位，因而由馈源发出的球面波经抛物面反射后就变换成平面波，形成沿抛物面轴向辐射最强的窄波束。

抛物面直径D和工作波长λ之比越大，则波束越窄，其半功率点宽度为：2θ0.5=(58°~80°)λ/D天线增益G与天线开口面(口径)几何面积A成正比，而与波长平方λ2成反比，即：G=4πAη/λ2=(πD/λ)2η式中η称为天线效率或口径效率，主要由口径利用系数与截获系数的乘积决定。

口径利用系数取决于口径上场分布的均匀程度。

当均匀分布(口径上各点场的相位相同且振幅相等)时，口径利用系数最大，其值为1。

截获系数是馈源投射到反射面上的功率与馈源总辐射功率之比，理论上最大值也是1。