天线与电波传播课件(第四章)口径天线

《天线与电波传播》8/13/20201Dept.PEEHefeiNormalUniversity张忠祥8/13/20202Dept.PEEHefeiNormalUniversity教材：《天线与电波传播》王增和卢春兰钱祖平等编著机械工业出版社参考书：《天线原理》2003年7月第一版主编：江贤祚出版社：北京航空航天大学出版社《Antennas:ForAllApplications》1993年第一版主编：JohnD.Kraus出版社：theMcGraw-HillCompanies出版时间：2002《天线》编著：[美]JohnD.KrausRonaldJ.Marhefka出版社：电子工业出版社2004年4月第一版《RadioPropagationforModernWirelessSystems》编著：[美]JohnD.Kraus出版社：电子工业出版社RonaldJ.Marhefka2002年8月第一版天线与电波传播8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity3第1章天线基础知识第2章窄带天线第3章宽带天线第4章口径天线第5章天线新技术第6章电波传播概论8/13/20204Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/20205Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/20206Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/20207Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/20208Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/20209Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/202010Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity114.1口径天线的基本原理口径天线的基本问题也是天线辐射场的求解：需要知道口径天线面上的电流分布，然后求解远区辐射场，但是口径天线表面上的电流分布求解比较困难。一般基于口径天线的结构特点，天线的辐射场为口径上电磁场产生的绕射结果。工程上近似将该问题分为两个独立的部分，首先求解包围场源封闭面上的场，即内部场，然后求解该封闭面以外其他区域的场，即外部场，也就是辐射场。8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity12惠更斯元的辐射8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity138/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity148/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity158/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity16只要知道惠更斯元上的电场分量就可求出两主面上的辐射场。主平面的归一化方向函数为：cos121HEFF由图可知，惠更斯元的最大辐射方向指向其法向。平面口径辐射的积分公式8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity17ssjkRsssyMdydxeyxErjE,cos121sinsincossinˆˆssrsyxrerR8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity18方向系数8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity1900202max0maxrPrPrrEEWWDPP矩形口径归一化方向图8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity20矩形口径归一化方向图8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity218/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity224.2喇叭天线8/13/202023Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity241、喇叭天线结构与分类8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity25喇叭天线结构abhDeDzyxELHLOEHO8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity26可以看出，不管什么形状，就其结构来讲可以看成由两大部分构成：一是波导管部分，横截面有矩形，也有圆形；二是真正的喇叭天线部分。波导部分相当于线天线中的馈线，是供给喇叭天线信号和能量的部分。对工作于厘米波或毫米波段内的面天线，如采用线状馈线，将因馈线自身的辐射损耗太大不能把能量传送到面天线上，所以，必须采用自身屏蔽效果很好的波导管作馈线。8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity278/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity288/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity292、矩形喇叭天线口面场分布规律1、矩形喇叭天线的口面场结构为了说明喇叭天线的口面场结构，可用一个矩形喇叭来说明。图6-5-2画出了一个矩形扇形喇叭天线的场分布图。8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity30（1）当矩形波导前端面开口时，也同样能产生电磁辐射，只是因为口面直径太小，按面天线理论，口面积越大，辐射场越强，方向性越好。这样由矩形波导前端面产生的辐射场强将较弱，方向性也相对较差。如果采用开口形状喇叭，口面积相对增大，辐射场也将增强；（2）当矩形波导前端开口时，将造成电磁波在波导内、外的存在空间不同。两个大小不同的空间环境对电磁波呈现的阻抗也不相同，其结果就是电磁波在波导中形成驻波形式，影响能量传输。如把波导开口做成喇叭形状，可以使电磁波由波导传到大空间时有一个渐变过程或过渡过程，这样能减缓阻抗的骤变，使电磁波在波导内传输时的驻波成份减少，有利于提高能量在波导中的传输效率。8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity318/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity322、矩形喇叭天线口面场相位分布特点8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity338/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity348/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity358/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity368/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity378/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity383、矩形喇叭天线口面场振幅分布•对于矩形喇叭天线，可以看成是由矩形波导沿不同边逐渐张开而形成，因此，在矩形喇叭天线中，其口面场相位除随变化边坐标按平方律分布外，振幅总是随宽边x按余弦规律分布。把三种喇叭天线口面场振幅和相位随宽边x和窄边y的分布用数学式子表示出来就是：8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity398/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity40三、喇叭天线辐射场的方向性与最佳喇叭8/13/202041Dept.PEEHefeiNormalUniversity图6-5-4E面喇叭的E面方向图图6-5-5H面喇叭的H面方向图8/13/202042Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/202043Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/202044Dept.PEEHefeiNormalUniversity矩形喇叭的方向系数与最佳喇叭8/13/202045Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/202046Dept.PEEHefeiNormalUniversity•图6-5-6H面扇形喇叭的方向系数图6-5-7E面扇形喇叭的方向系数8/13/202047Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/202048Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/202049Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/202050Dept.PEEHefeiNormalUniversity最佳喇叭1）定义：按照最佳尺寸线设计的喇叭2）物理意义：当R1，R2取定值时，最佳喇叭的方向性系数最大当D固定时，只有最佳喇叭的几何尺寸最小3）最佳尺寸线方程：22222121:2()42mEDEDRDaR佳8/13/202051Dept.PEEHefeiNormalUniversity21211213:3()44mHDHDRDbR佳113DR佳222DR佳角：4）最佳喇叭的方向性系数：1240.64HDbD佳2240.64EDaD佳12240.51DDD佳佳角8/13/202052Dept.PEEHefeiNormalUniversity矩形喇叭的工程设计1.技术指标：在给定工作波段内（给定中心工作波长），达到给定的方向性系数2.技术要求：在满足D前提下，使尺寸尽可能小——按最佳喇叭设计3.设计步骤：1）根据给定中心工作波长设计相应的波导尺寸（实际设计中应选择标准波导尺寸）22aab8/13/202053Dept.PEEHefeiNormalUniversity2）根据给定的D，确定矩形喇叭的最佳尺寸H面喇叭：21212211,40.6440.643HDDDbbDbDDDR佳佳佳佳E面喇叭：22122222,40.6440.642EDDDaaDaDDDR佳佳佳佳8/13/202054Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity554.3抛物面天线旋转抛物面天线是应用最广泛的天线之一,它由馈源和反射面组成。利用抛物面的几何特性，抛物面天线可以把方向性较弱的初级辐射器的辐射反射为方向性较强的辐射。8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity56一、抛物面天线结构特点8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity578/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity588/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity598/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity608/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity61(a)长焦距抛物面；(b)中焦距抛物面；(c)短焦距抛物面000FOFF0＞/20＝/20＜/2(a)(b)(c)OO8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity62yz020fD＝2R0O0F抛物面天线常用的结构参数有：f：抛物面焦距；2Ψ0：抛物面口径张角；R0：抛物面反射面的口径半径；D：抛物面反射面的口径直径,D=2R0。21cosfyM″P″M′P′zFnM(,)PNffO0021cosf01cot42fD8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity63旋转抛物面天线具有以下两个重要性质：（1）点F发出的光线经抛物面反射后，所有的反射线都与抛物面轴线平行，即//2FMNNMMM