[信息与通信]天线理论学习总结1203.doc

天线理论学习总结21天线基础理论21.1 天线的定义和分类21.2 天线的辐射场计算21.2.1 辅助位函数法31.2.2 电偶极子的场51.3天线的基本参数81.3.1 辐射方向图91.3.2波束宽度和副瓣电平101.3.3 波束范围或波束立体角111.3.4 辐射强度131.3.5 波束效率131.3.6 方向性系数D与天线分辨率131.3.8 辐射功率和辐射阻抗151.3.9 输入阻抗171.3.10 天线的效率和增益171.3.11 有效面积（有效口径）和口径效率181.3.12 天线极化191.3.13 天线的带宽221.3.14 天线驻波比、反射系数和回波损耗232 喇叭天线基础理论252.1 喇叭天线的结构特点与分类252.2 喇叭天线的口径场和辐射场分布与方向性292.2.1矩形喇叭天线口面场分布规律292.2.1.1 矩形喇叭天线的口面场结构292.2.1.2 矩形喇叭天线口面场相位分布特点312.2.1.3 矩形喇叭天线口面场振幅分布332.2.2 喇叭天线辐射场的方向性与最佳喇叭352.3 喇叭天线的参数选择393 抛物面天线基础理论403.1 抛物面天线的结构特点与工作原理403.1.1 结构特点和要求403.1.2 抛物面的几何尺寸及特性413.1.3 抛物面天线的工作原理423.2 抛物面天线的口径场和辐射场分布与方向性433.2.1 口径场分布433.2.2 抛物面天线辐射场的方向性443.3 抛物面天线的技术要求453.3.1 对照射器的要求453.3.2 照射器对反射面的影响473.3.3 反射面对照射器的影响493.3.4 反射面技术公差对辐射场的影响523.4 抛物面天线的参数选择53参考文献53天线理论学习总结1天线基础理论1.1 天线的定义和分类天线是一种导行波与自由空间电磁波之间的转换器件或换能器 约翰.克劳斯，章文勋译. 天线. 第三版. 北京：电子工业出版社，2007. 9-。天线按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等。 图1. 1各式各样的天线1.2 天线的辐射场计算空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦（Maxwell）方程和边界条件。天线问题是具有复杂边界条件的电磁场边界问题，最终目的是求解两个一阶非齐次线性联立的电磁场偏微分方程（两个变量分别为电场E和磁场H）。求解天线问题的电磁场既有经典的解析方法也有几种比较常用的数值计算方法。解析方法又分为两类：直接方法和间接方法。直接方法是将两个一阶线性偏微分方程化成一个场量的二阶偏微分方程（矢量波动方程），通过求解该二阶偏微分方程直接求得场量。间接方法则是从麦克斯韦方程出发，引入辅助函数，通过求解辅助函数求解电磁场。而数值方法有矩量法、时域有限差分法、有限元法、几何光学法、物理光学法等。直接解析方法和数值方法详见参考文献 卢万铮. 天线理论与技术. 西安：西安电子科技大学出版社，2004. 1-4,13-49。这里将通过辅助位函数法求解电流元（也叫电偶极子，同对称振子是基本相同的）的电磁场。电流元是天线的基本辐射单元之一，一旦求得电流元的电磁场，利用电磁场的叠加定理便可求得整个天线的电磁场。1.2.1 辅助位函数法麦克斯韦方程组：（1）（法拉第电磁感应定律）时变磁场产生时变电场。又说明了沿闭合路径的感应电场线积分等于感应电动势，而感应电动势等于由此闭合路径所包围面积内穿过的磁通对时间的负变化率。（2）（修正的安培定律）时变电场产生时变磁场。说明了时变磁场不仅由传导电流（密度）产生，而且也由位移电流（密度）产生。（3）（电场高斯定律）说明由闭合体积在任意时间发出的总电通等于该体积所包围的电荷。若包围的电荷为零，则电通线为连续的。（4）（磁场高斯定律）说明磁通线永远是连续的，由任意闭合面在任意时间发出的净磁通量为零。电流连续性方程：（电荷守恒定理，电流与电荷的关系）结构方程：在线性、均匀、各向同性的媒质中，表示各场量之间关系的结构方程。用相量形式表示上述方程为 Guru.B.S.，周克定译. 电磁场与电磁波. 第二版. 北京：机械工业出版社，2006. 213-215：辅助位函数的推导：由麦克斯韦第四方程，引入磁矢量位，即令代入麦克斯韦第一方程，得引入电标量位，得到：。省去中间的推导，直接给出和所满足的波动方程：即：以及洛伦兹条件（和之间的关系）：设场由电荷元产生，之外没有电荷，则由波动方程和洛伦兹条件可得：上式表明：电荷产生标量位波动，电流产生矢量位波动。t时刻场点r处的函数不是决定于同一时刻的电荷分布，而是决定于较早时刻的电荷分布。所推迟的时间恰好是波源或的变化传递到观察点所需要的时间。因此将和称为滞后位。 辅助位函数求解过程总结：已知电流密度分布，即可求得磁矢量位，然后由方程可得相应的电磁场量。1.2.2 电偶极子的场电偶极子（天线）是一段载有高频电流的两端带有等值异性电荷的短导线。导线直径，天线尺寸远小于电磁波波长，线上电流沿轴线流动，沿线等幅同相，电荷与电流的关系满足连续性方程。 图1. 2电偶极子天线 图1. 3 电偶极子的磁矢量研究正弦电磁波：远离天线（，）的P点的磁矢量位为：在球坐标系中，的三个分量为：所以有：即：注：为推迟作用因子，表示电磁波传到场点时，相位滞后。（1） 电偶极子的近区场定义的区域为近区场，只考虑保留公式中的，得到：式中：定义偶极距矢量，而。图1. 4 电偶极子的近区E与H线的分布可以得到近场内的结论如下：Ø 电磁场均无推迟效应（即无相位延迟）；Ø 电场与静电场中电偶极子的场相同，磁场与恒定磁场中元电流的场相同，因此也称电偶极子的近区场为似稳场；Ø 电场和磁场的相位相差，因此平均坡印廷矢量为零，近区内主要是电磁能量交换，忽略波的传播（辐射），因此也称近区场为束缚或感应场。（2） 电偶极子的远区场定义的区域为远区场（也称为辐射区），含有的高次项可以忽略，只保留项，可以得到：图1. 5 电偶极子的远区场可以得到远场内的结论如下：辐射区电磁场有推迟效应（即有相位延迟）；Ø 与在空间互相垂直，且垂直于传播方向，在时间上与同相位，平均坡印亭矢量不为零，且指向沿r 方向，说明远区场是沿径向朝外传播的，有能量沿径向朝四周辐射出去，为TEM波；Ø 相位相同的点连成的面称为等相位面，辐射区的电磁波为球面波。在等相面上，由于场量的振幅与有关，因此它是非均匀球面波；Ø 与之比为一常数，有阻抗量纲，定义为媒质的本征阻抗或波阻抗，自由空间的波阻抗为：；Ø 坡印廷矢量的模为。1.3天线的基本参数以对称振子为例，定义并说明天线的下列基本参数 魏文元，宫德明，陈必森. 天线原理 西安电子科技大学 阮成礼. 超宽带天线理论与技术. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.：对称振子的结构如图6所示，它由两根同样粗细、同样长度的直导线构成，在中间的两个端点馈电。每根导线的长度为，称为对称振子的臂长。图1. 6 对称振子取对称振子中心为坐标原点，振子轴沿Z轴。其电流分布近似地表示为：全长的对称振子，称为半波振子，可以近似等效于电偶极子。1.3.1 辐射方向图天线的辐射方向图（简称为方向图，也叫波瓣图）是天线的功率通量密度、场强、相位和极化等辐射参量随空间方向变化的图形显示。在通常情况下，辐射方向图在远区测定，并表示为空间方向坐标的函数，称为方向函数。一般情况下，辐射方向图指功率通量密度的空间分布，有时指场强的空间分布。实际上常用功率通量密度或场强的归一值表示方向图，称为归一化方向图。归一化功率方向图：归一化场强方向图：式中，为坡印廷矢量的幅值且和分别是功率通量密度和场强的最大值。为空间的本征阻抗，等于377。二者的关系是： 图1. 7 电偶极子的立体方向图图1. 8 电偶极子的E面方向图 图1. 9电偶极子的H面方向图立体方向图形象、直观，但画起来复杂。所以，天线方向图常用两个互相垂直的的主平面内的方向图表示，称为平面方向图。研究超高频天线，通常采用的两个主平面是E面和H面。E面是最大辐射方向和电场矢量所在的平面，H面是最大辐射方向和磁场矢量所在的平面。图1.8和图1.9给出了电偶极子（电基本振子）的两个主平面方向图。E面是通过振子轴的子午平面（常数的平面），H面是垂直于振子轴的赤道平面（的平面）。方向图还可以用分贝表示，称为分贝方向图。电场分贝方向图和功率分贝方向图是相同的，因为1.3.2波束宽度和副瓣电平如果方向图只有一个主波束，辐射功率的集中程度可用两个主平面内的波束（或称为波瓣）宽度来表征。主瓣最大值两侧，功率通量密度下降到最大值的一半（或场强下降到最大值的0.707，归一化），即下降3dB的两个方向之间的夹角称为半功率波束宽度（HPBW，half-power beamwidth）或定义为：主瓣两侧第一个零点（归一化）之间的夹角定义为第一零点波束宽度（FNBW，beamwidth between first nulls）或定义为：天线的副瓣电平（SLL）定义为天线最大辐射强度与天线最大副瓣（虽然并不总是但通常都是主瓣两边的第一副瓣）辐射强度之比：典型的场强波瓣图如图1.10、图1.11所示：图1. 10 典型的场强波瓣图 图1. 11 主瓣与旁瓣1.3.3 波束范围或波束立体角在球面上的二维极坐标系中，微分面积是沿方向的弧长和沿方向的弧长之乘积，如图1.12所示，即。式中：图1. 12 球面极坐标系下的立体角完整球面面积=，对应所张的立体角为4（sr），于是因此天线的波束范围（或波束立体角）来自归一化功率波瓣图在球面（）上的积分：波束范围是指天线的所有辐射功率等效地按的最大值均匀流出时的立体角。因此辐射功率=，而波束范围以外的辐射视为零。天线的波束范围通常可近似地表示成两个主平面内主瓣半功率波束宽度和之积，即 1.3.4 辐射强度每单位立体角内由天线辐射的功率称为辐射强度（），辐射强度与距离无关。归一化功率方向函数（方向图、波瓣图）可以表示为：1.3.5 波束效率（总）波束范围（或波束立体角）由主瓣范围（或立体角）加上副瓣范围（或立体角）所构成，即。主波束范围与（总）波束范围之比称为（主）波束效率，即；副瓣范围与（总）波束范围之比称为杂散因子，即。显然。1.3.6 方向性系数D与天线分辨率方向性系数D（也称为定向性）的第一种定义：远场区的某一球面上最大辐射功率密度（）与其平均值之比，是大于等于1的无量纲比值，记为：所以：于是，有方向性系数的第二种定义： 球面范围（）与天线的波束范围之比方向性系数的第三种定义： 在相同的辐射功率下，某天线在空间某点产生的电场强度的平方与理想无方向性电源天线（该天线的方向图为一球面）在同一点产生的电场强度平方的比值。方向性系数的第四种定义：（为该天线的总辐射功率）天线在空间某点的辐射功率密度（坡印廷矢量）与该天线的平均辐射功率之比。方向性系数的第五种定义：在某点产生相等电场强度的条件下无方向性点源辐射功率与某天线的总辐射功率之比。方向性系数的第六种定义：天线在某一方向的方向系数是该方向辐射强度与平均辐射强度（）之比，即式中，为天线的归一化场强方向函数。在最大辐射方向上，归一化场强方向图，所以最大辐射方向的方向系数为：它与方向的方向性系数间的关系是：。未加说明，某天线的方向系数通常均指最大辐射方向的方向系数。方向性系数通常用分贝表示（）。在介绍天线口径时还将引出方向性系数的第七种定义。天线的分辨率可定义为第一零点波束宽度的一半，即FNBW/2。天线能够分辨出均匀分布于天空的无线电发射机或点辐射源的数目N的近似值为。所以可得概念化的结论：天线能够分辨的点源数在数值上等于该天线的定向性，即。1.3.8 辐射功率和辐射阻抗天线的输入功率一般是复功率：注：复功率一般用小字母顶上加点表示，实功率一般用大写字母顶上不加点表示。：包围天线所在体积V内的损耗功率，是包含导体损耗和介质损耗的实功率；称为天线的全辐射功率，有：式中，是天线的辐射功率，是经过S面（包围天线所在体积V的任意封闭面）流出的实功率，即是辐射的无功功率。假设天线的全辐射功率被一个等效阻抗所“吸收”，该阻抗上流过的电流为天线上某处的电流，称此等效阻抗为天线的辐射阻抗。如天线上某处电流的振幅为I，则辐射阻抗为：式中和分别称为辐射电阻和辐射电抗。由上式可以看出，辐射阻抗与所取的参考电流有关，该电流称为归算电流。如果归算电流为驻波天线上的波幅电流，称此时的辐射阻抗为“归算于波幅电流的辐射阻抗”，如果归算电流为天线输入端电流，称此时的辐射阻抗为“归算于输入电流的辐射阻抗”，前者用表示，后者用表示。由，可得到，。可以用坡印廷矢量法计算天线的实辐射功率（简称为辐射功率）和辐射电阻。取封闭面S为以天线为中心，r为半径的球面，当r足够大时，S面处于天线的远区，于是有：上式利用了在远区，电场和磁场互相垂直并垂直于传播方向，由场强方向函数及，得天线的辐射功率为因此归于波幅电流的辐射电阻为：在没有特别说明的情况下，对于驻波天线，辐射电阻均指归算于波幅电流的辐射电阻。已知电基本振子（电偶极子）的远区电场为：，所以代入和中，得到电基本振子的辐射功率和辐射电阻为：常用的半波振子，辐射功率为。1.3.9 输入阻抗天线的输入电压与输入电流的比值称为天线的输入阻抗，是决定天线与馈线匹配状态的重要参数。它不仅由天线自身的形状和尺寸决定，而且与天线使用环境有关。一般假定天线是在理想环境中，既没有相邻天线，也没有引起反射的障碍物。输入到天线的输入功率被输入阻抗吸收，并为天线转换成辐射功率。当天线的输入阻抗与传输线的特性阻抗不匹配时，馈到天线上的功率会被反射。天线与馈线匹配越好，馈线上的驻波比或回波损耗越小。天线的输入电流；天线的输入电阻，包括归算于输入电流的的损耗电阻和归算于输入电流的辐射电阻，即。已知天线所辐射的总功率为，天线的损耗功率，则输入电阻和输入电抗与功率的关系为：1.3.10 天线的效率和增益天线效率：指天线所辐射的总功率和天线从馈线得到的净功率之比，即，是衡量天线将高频电流或导波能量转换为无线电波能量的有效程度。一般而言，天线的输入阻抗不等于馈线的特性阻抗（即天线与馈线不匹配）。天线从馈源得到的净功率（即输入功率）等于馈线在连接天线处的入射功率与反射功率之差，也等于辐射功率与损耗功率之和即：。设、和分别是归算于输入电流的输入电阻、辐射电阻和损耗电阻，则所以要提高，应尽可能提高辐射电阻，同时降低损耗电阻。天线增益：方向性系数表征天线辐射电磁能量的集束程度；效率表征天线能量转换效能。二者结合为增益表示。天线在某方向的增益是它在该方向上的辐射强度同天线以同一输入功率向空间均匀辐射的辐射强度之比，即1.3.11 有效面积（有效口径）和口径效率发射天线的有效面积定义为一具有均匀口径场分布的口径天线的口径面积，该口径天线与原口径天线在最大辐射方向上产生相同的辐射场强。接受天线的有效面积定义为：天线所接收的功率等于单位面积上的入射功率乘以它的有效面积。有效面积和原物理口径面积之比定义为口径效率，即。对于喇叭和抛物面反射镜天线而言，口径效率普遍在50%80%（即）的范围内。要降低旁瓣就必须采用向边缘锥削的口径场分布，这必然导致口径效率的下降。如口径上有均匀场，则其辐射功率为： （W）式中为媒质的本征阻抗（在空气或真空中为377）。若在距离为r处有均匀的远场，则辐射功率还可以写成 （W）由，得到口径面积与波束范围的关系式：。由得到方向性系数的第七种定义： 来自口径的定向性计算有效接收面积的一般公式为：式中，称为匹配系数，表示接收天线与负载的匹配程度，共轭匹配时， ，一般情况下，。、和分别为接收天线的输入电阻、负载电阻、输入电抗和负载电抗。是来波电场矢量与天线轴和来波方向所构成的平面间的夹角。称为极化匹配因子。当极化匹配时，。所以在极化匹配和共轭匹配情况下，有效接收面积（也称为有效口径）为1.3.12 天线极化极化是电磁波的一个重要概念，它描述了空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性，用电场强度矢量E的端点在空间描绘出的轨迹来表示。通常所说的天线极化是指最大辐射方向或最大接收方向电磁波的极化。设一平面波沿z方向传播，在z=0平面内的瞬时电场一般可写成假设、，则由上式可得这是一个椭圆方程，合成电场的矢端在一个椭圆上旋转，当时，为右旋椭圆极化波，当时，为左旋椭圆极化波，如图1.13所示。图1. 13 极化椭圆椭圆极化有以下两种特殊情况：（1） 线极化 如果Ex和Ey同相或反相时，即1=2=0或，那么电场表示为由上式可得合成电场与x轴的夹角由下式决定，式中：C为常数。由此可见，虽然合成电场的大小随时间变化，但其矢端轨迹与x轴的夹角始终为一常数，因此称为直线极化波，如图1.14所示。图1. 14 线极化（2） 圆极化 如果Ex和Ey振幅相同，相位差为±90°，则合成电场表现为圆极化波。式可改写为由上式可得式中：C为常数。合成电场与x轴的夹角为，由此可见，合成电场的大小不随时间变化，但方向却随时间改变，合成电场的矢端在一个圆上并以角速度w旋转，因此称为圆极化波，如图1.15所示。图1. 15 圆极化除了线极化、圆极化和椭圆极化的分类外，有时候也会提到垂直极化、水平极化、+45度极化和-45度极化。见图1.16所示：图1. 16 单极化和双极化垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收，而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。例如：当用+ 45° 极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收 +45° 极化或 -45°极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失-只能接收到来波的一半能量。 当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量， 这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。 1.3.13 天线的带宽天线的所有电参数（方向图、方向性系数、增益、极化、输入阻抗等）都是频率的函数。频率变化，电参数跟着发生变化，这就是天线的频率特性，可用其特性参数工作频带和带宽表示。天线的带宽是天线的某个或某些性能参数符合要求的工作频率范围。在带外天线的某个或某些性能参数变坏，达不到使用要求。不同电参数的频率特性不同，天线带宽是对某个或某些电参数来说的。相对带宽：绝对带宽与工作频带的中心频率之比。通常频率提高时，方向图容易恶化，方向图通常是限制工作频率上限的主要因素；频率降低时天线电尺寸变小，辐射电阻减小，增益下降，增益通常是限制工作频率下限的主要因素。1.3.14 天线驻波比、反射系数和回波损耗波传递从甲介质传导到乙介质，会由于介质不同，波的能量会有一部分被反射。这种被反射的波称为驻波，这是基本的物理原理。在电磁波有同样的特性，电波在甲组件传导到乙组件，由于阻抗特性的不同，一部分电磁波的能量被反射回来，我们常称此现象为阻抗不匹配。不匹配时，发射机发射的电波将有一部分反射回来，在馈线中产生反射波，反射波到达发射机，最终产生为热量消耗掉。接收时，也会因为不匹配，造成接收信号不好。如下图，前进波（发射波）与反射波以相反方向进行。完全匹配，将不产生反射波，这样，在馈线里各点的电压振幅是恒定的，如下图（a）；不匹配时，在馈线里产生下图（b）的电压波形，这驻留在馈线里的电压波形就叫做驻波。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。驻波比全称为电压驻波比，又名VSWR和SWR，为英文Voltage Standing Wave Ratio的简写，是指无线电波传输过程中最大电压与最小电压之比。天线驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端未被全部吸收（辐射），产生反射波，迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。计算驻波比的数学公式为：式中，、分别为输出阻抗和输入阻抗（实际上是相对于馈线而言的负载阻抗，天线作为馈线的负载，即天线的特征阻抗；是馈线的特征阻抗，是相对于天线而言的输入阻抗，馈线作为天线的输入。）；、分别为输出电抗和输入电抗为0时的输出电阻（相对于馈线而言的负载电阻）和输入电阻（馈线的特征电阻，相对于天线而言的输入阻抗）；为反射系数，是反射电压与入射电压的比值。当两个阻抗数值一样时，即达到完全匹配，反射系数K等于0，驻波比为1。这是一种理想的状况，实际上总存在反射，所以驻波比总是大于1的。 工程上一般要求驻波比小于1.5，而对于小于1.3的认为比较良好。天线的好坏不能单看驻波比，VSWR=1只能说明发射机的能量可以有效地传输到天线系统，但这些能量是否能有效地辐射到空间，那是另外一个课题。影响天线效果的最重要因素：谐振让我们用弦乐器的弦来加以说明。无论是提琴还是古筝，它的每一根弦在特定的长度和张力下，都会有自己的固有频率。当弦以固有频率振动时，两端被固定不能移动，但振动方向的张力最大。中间摆动最大，但振动张力最松弛。这相当于自由谐振的总长度为1/2波长的天线，两端没有电流（电流波谷）而电压幅度最大（电压波腹），中间电流最大（电流波腹）而相邻两点的电压最小（电压波谷）。 我们要使这根弦发出最强的声音，一是所要的声音只能是弦的固有频率，二是驱动点的张力与摆幅之比要恰当，即驱动源要和弦上驱动点的阻抗相匹配。具体表现就是拉弦的琴弓或者弹拨的手指要选在弦的适当位置上。我们在实际中不难发现，拉弓或者拨弦位置错误会影响弦的发声强度，但稍有不当还不至于影响太多，而要发出与琴弦固有频率不同的声响却是十分困难的，此时弦上各点的振动状态十分复杂、混乱，即使振动起来，各点对空气的推动不是齐心合力的，发声效率很低。 天线也是同样，要使天线发射的电磁场最强，一是发射频率必须和天线的固有频率相同，二是驱动点要选在天线的适当位置。如果驱动点不恰当而天线与信号频率谐振，效果会略受影响，但是如果天线与信号频率不谐振，则发射效率会大打折扣。 所以，在天线匹配需要做到的两点中，谐振是最关键的因素。 因此在没有条件做到VSWR绝对为1时，业余电台天线最重要的调整是使整个天线电路与工作频率谐振。?$#K:JFD本文来自移动通信网,版权所$*#(_s4fK:JFD()$#_本文来自移动通信网,版权所有回波损耗（Return Loss）：是表示信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。例如，如果注入1mW (0dBm)功率给放大器其中10%被反射回来，回波损耗RL就是10dB。从数学角度看，回波损耗RL=。通常要求反射功率尽可能小，这样就有更多的功率传送到负载。典型情况下设计者的目标是至少10dB（即大于等于10dB）的回波损耗。驻波比、反射系数和回波损耗之间的关系：天线的反射指标（驻波比、回波损耗）在设计过程中一般只作为参考，关键参数是传输线参数（如效率、增益等）。2 喇叭天线基础理论2.1 喇叭天线的结构特点与分类喇叭天线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。图2. 1 普通喇叭天线结构原理图2.2 喇叭天线的口径场和辐射场分布与方向性2.2.1矩形喇叭天线口面场分布规律2.2.1.1 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。（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。2.2.1.2 矩形喇叭天线口面场相位分布特点2.2.1.3 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：2.2.2 喇叭天线辐射场的方向性与最佳喇叭 图6-5-4 E面喇叭的E面方向图 图6-5-5 H面喇叭的H面方向图图6-5-6 H面扇形喇叭的方向系数 图6-5-7 E面扇形喇叭的方向系数2.3 喇叭天线的参数选择参考pptPPT 6-5喇叭天线（very good）.ppt3 抛物面天线基础理论3.1 抛物面天线的结构特点与工作原理3.1.1 结构特点和要求3.1.2 抛物面的几何尺寸及特性3.1.3 抛物面天线的工作原理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。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：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。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：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（29003400）MHz。 金属圆盘产生的反射场和抛物面其余部分产生的反射场存在相位差，造成整个抛物面天线辐射场主瓣电平稍有下降，增益稍有减小。相当于口面场振幅作非均匀分布的结果（2）中心挖孔或敷设吸收材料（3）旋转极化面法3.3.4 反射面技术公差对辐射场的影响反射面的技术公差主要是指在制造或运输过程中造成反射面坑凹不平的现象。反射面表面坑凹不平将严重影响反射面的反射效果，造成辐射场方向性的畸变。在工程上，对抛物面天线不同位置要求的技术公差大小为：3.4 抛物面天线的参数选择参考pptPPT§6-6 抛物面天线（very good）.ppt参考文献