HFSS天线设计高级培训教程十二章双反射面天线

HFSS天线设计高级培训教程十二章双反射面天线 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。 卡式天线在结构上多了一个双曲面。天线作反射时，由馈源喇叭发出的球面波首先由双曲面反射，然后再经主反射面(抛物面)反射出去。根据双曲面和抛物面的性质，由发出的任意一条射线到达某一口径面的波程相等，即 则相位中心在处的馈源辐射的球面波前，必将在主反射面的口径上变为平面波前，呈现同相场，即面为等相位面，使卡式天线具有锐波束。高增益性能。 天线作接收时的过程正好相反，外来平面波前经主、副反射面反射之后，各射线都将汇聚到馈源所在点，由喇叭接收。 ■卡氏天线的优缺点： 优点：（1）馈线短 （2）空间衰减SA小 （3）减小漏溢 （4）等效焦距长 （3）设计灵活（7个参数） 等 缺点：（1）副反射面的遮挡大，但对要求G很高的天线来说，主反射面很大的话，这个遮挡相对就小。 （2）造价高。 12.2.3卡塞格伦天线的几何参数 卡式天线的几何参数关系如图12-3所示 12.2.4卡塞格伦天线的分析方法 卡式天线的分析方法包括 (1) 面电流法： 需要计算主、副反射面上电流分布，然后计算远场。 (2) 口径场法: 又分两种方法，即 分析卡式天线的口径场法实质上是将卡氏天线等效为普通抛物面天线来分析，可以有两种等效方法。即虚馈源法和等效抛物面法。 一、虚馈源法 由放在实焦点的馈源(实际馈源)发出的电磁波，经双曲面反射后再到抛物面，犹如放在焦点的等效馈源(虚馈源)发出的电磁波一样。其等效原理是：用相心在抛物面焦点的等效馈源取代卡式天线的馈源和副反射面，从而把卡式天线简化为焦径比不变而馈源尺寸改变了的抛物面天线进行定量分析。 此时的和不变，但采用虚馈源后有两点不同。 (a) 虚馈源发出的波较实际馈源的光程短； (b) 馈源尺寸变小了。 二、等效抛物面法 该方法是将卡塞格伦天线等效为一个具有同样馈源和主反射面口径尺寸，但焦距变为主反射面焦距的M倍的普通抛物面天线。M为式(12.5)表示的放大倍数。此时的等效抛物面天线焦径比公式变为 等效原理是：用等效抛物面(虚抛物面)取代卡式天线的主、副反射面，从而把卡式天线的问题简化为馈源相同、抛物面口径直径相同但焦距增大了M倍的单反射面来进行定量分析。 3. 面电流法 用面电流法分析卡氏天线具有较高的精确性。由于有主、副两个反射面，则面电流分布要计算两次。整个过程是： （1）由馈源辐射场求副反射面上的电流分布。 （2）由副反射面上的电流分布产生的场求主反射面上的电流分布。 （3）由主反射面上的电流分布求远场。 12.3 空间衰减因子和口径遮挡影响 12.3.1 空间衰减因子SA  普通抛物面天线的空间衰减因子为 此例可见，卡式天线的空间衰减比普通抛物面天线的衰减要小得多，在设计时可忽略不计。 12.3.2 最小遮挡 卡氏天线的口径遮挡与普通抛物面有所不同。它有两个遮挡因素，即副反射面对抛物面反射波的遮挡和馈源对副反射面的遮挡。遮挡使天线增益下降，副瓣电平升高。 考虑副反射面和馈源的遮挡时，同前面普通抛物面天线的分析方法一样，天线的辐射可认为是没有遮挡时的辐射与被馈源所遮挡部分的辐射之差。设主副反射面都是圆口径，则遮挡部分阴影区的辐射电场最大值与没有遮挡时的辐射电场最大值之比仍可由式(11.74)表示，即 式中，D为主反射面直径，d为副反射面。因此，卡式天线的遮挡分析计算仍可采用普通抛物面天线的方法。显然，限制遮挡面积就能减小遮挡损失。 一般情况下，副反射面的遮挡大于馈源的遮挡。在对卡式天线进行最佳设计时，为了保证主反射面的有效照射(波束效率高)，必须对加大馈源的口径尺寸，副反射面尺寸则可减小；当副反射面尺寸减小到一定程度时可使馈源口径尺寸增大到某个程度，使得副反射面和馈源在主反射面上的遮挡相同，此时遮挡效应到达最小值。见P308图12-6。 其图(a)是副反射面遮挡大于馈源遮挡的情况；图(b)是馈源遮挡大于副反射面的情况；图(c)是二者的遮挡相同情况。显然图(c)设计最合理，此时遮挡最小。这时的副反射面的直径称为最小遮挡直径。 设馈源口径为，则有