抛物面天线基础理论
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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。
3.2 抛物面天线的口径场和辐射场分布与方向性
3.2.1 口径场分布
抛物面天线口面场分布情况,直接决定着整个抛物面天线辐射场的方向性。而口面场分布情况又由照射器、反射面共同来决定。对于实际使用的长焦距抛物面天线,不管采用振子型照射器,还是喇叭天线照射器,造成抛物面天线口面场分布都具有图6-6-3所示的分布特征。
由图6-6-3可见,在实际抛物面天线口面上,其口面场分布不是严格的单一方向线极化波,而是含有sy sx E
E 和两个场分量,只是sy E 分量远大于sx E 分量。为此我们把sy E 称为主极化分量,sx E 称为交叉极化分量。
如照射器辐射功率为P
,方向性系数为D ,口面场主极化分量与二者的关系为:
22cos
6026021cos cos 2sy P D
E P D f f f ψρψ
ψ∑∑====+
由图6-6-4可见,随着,sy
E ψ↑↓,也就是由口面中心'O 向外,距'O 越远,Esy 数值越小。换言之,口面场的主极化分量数值随着离口面中心'O 距离增大,数值变小。这说明实际使用的抛物面天线口面场并非真正的均匀分布结构。在已知抛物面的主极化分量Esy 后,把它代入面天线辐射场表示式中,并对具体的抛物面口面进行积分运算,就可的到抛物面天线的辐射场和方向函数。
3.2.2 抛物面天线辐射场的方向性
3.3 抛物面天线的技术要求
3.3.1 对照射器的要求
依据上面5条,工程中常采用下面几种照射器:
①采用波导馈电的振子型照射器
采用波导馈电的振子型照射器的结构原理如图6-6-4所示。
为了减弱波导口对振子型照射器方向图的遮挡影响,把波导窄边逐渐变窄形成一过渡段,就可以达到这一目的。同时也为了改善振子型照射器方向图的对称性,常在金属薄板的宽边上平行安置“两对”电对称振子构成四振子照射器,如图6-6-4所示,这样就可利用双振子照射器(四振子天线阵)H面方向图比E面方向图主波瓣宽的特性,保证照射器能量均匀射向抛物面方向。
3.3.2 照射器对反射面的影响
(1)照射器对反射面产生的遮挡影响
选用照射器时,如果尺寸过大,将会产生对反射面二次辐射场的遮挡,降低口面场分布的均匀程度,辐射场主瓣变宽,副瓣电平升高,方向系数D下降。
解决措施是:
A、采用高效照射器;
B、采用后馈式馈电方式;
C、采用斜馈式馈电方式,
其原理如图6-6-6所示。
(2)照射器安装公差对辐射场的影响
①纵向偏焦
纵向偏焦指的是照射器虽安装在中心线上,但其相位中心不在抛物面的焦点位置,而是靠近或远离了焦点位置,如图6-6-7所示。
②横向偏焦
3.3.3 反射面对照射器的影响
反射面对照射器的影响,主要是经反射面的作用,把一部分电磁波投射到照射器上,也相当于被照射器再次吸收。照射器通过波导管与发射机相连,它吸收的这部分能量将通过波导管反传
给发射机,其结果相当于照射器改变了馈电波导管的输入阻抗,造成照射器与馈线之间的阻抗失配,在馈线中产生大量驻波成份。驻波的出现相当于波导管的传输效率下降,直接影响面天线辐射功率的有效输出。解决这一问题的技术措施主要有:
补偿法的特点是:
①工作频带是中等的,对直径为 1.5米、焦距为0.573米的抛物面天线,驻波比小于1.4时,其工作频带为(2900~3400)MHz。
②金属圆盘产生的反射场和抛物面其余部分