天线馈源等效相位中心的确定方法
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图1.1
1.2.2天线的电参数
为了评价一副天线的性能，有必要规定出一套能表示天线各种性能的电参数。同一副天线在用作发射时和用作接收时，其电参数是相同的。故而，本文只讨论发射天线的电参数。根据天线在无线电设备中的地位和作用，发射天线有两个主要功能：一是把经馈线从发射机输送过来的信号能量以电磁波的形式向周围空间辐射出去；而是定向辐射，即是将能量集中在一定的立体角内辐射出去。这涉及到发射天线下列几方面的问题[5]：
1.2.1天线的种类
按照不同的方式，天线可以分成不同的种类[4]。
按用途分为：通讯天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航天线和侧向天线等。
按工作波长分为：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等。
按天线特色可分为：圆极化天线、线极化天线、超宽频带天线和波束控制天线等。
从便于分析和讨论天线的性能出发，比较合理的分类方法是把大部分天线按其结构分成两大类：一类是导线或金属棒构成的线状天线；另一类是金属面或介质面构成的面状天线。
(3)在定向辐射的能力方面，要求天线具有这样或那样的方向性，为了表示天线的方向性，引入了方向图波瓣宽度、方向系数、旁瓣电平等电参数。
(4)人们还经常把天线效率与方向系数组合在一起，引入另一个电参数——增益系数。
除上之外，还有极化、频带宽度等电参数。
1.2.3天线的方向图及其指标
天线方向图是表征天线辐射特性空间角度关系的图形。以发射天线为例，从不同角度方向辐射出去的功率或场强形成的图形。一般地，用包括最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示天线的立体方向图，分为水平面方向图和垂直面方向图。平行于地面在波束最大场强最大位置剖开的图形叫水平面方向图；垂直于地面在波束场强最大位置剖开的图形叫垂直面方向图。
反射面变形可通过面板实时调整，但不可能调整到理想反射面的情况。因此需通过馈源调整方法来弥补。所以馈源相位中心的确定显得尤为重要，只有精确地确定馈源的相位中心才能减弱反射面形变带来的误差。
在经济飞速发展，国防科技突飞猛进的当今中国，天线无论是在军事领域还是在民用领域都大有用武之地。目前，研制大口径和高精度的抛物面天线的需求，对天线馈源等效相位中心提出了更高的要求。在这样的背景下，选择抛物面天线反射面对其变形性质进行研究和分析，无论是在研究方法上，还是在工程实际的参考价值上，都不失为一项有意义的课题。
对天线的基本要求，除了能够辐射和接受电磁波之外，根据大部分无线电技术设备的任务与性质，通常还要求天线不是向所有方向均匀地辐射（或对说有方向具有同等的接受能力），而只是向某些方向辐射（或只接受来自某些方向的电磁波），在其他方向上辐射很弱甚至没有辐射（或接受能力很弱甚至不能接受）。这就是说，天线应具有定向辐射（或接受）能力，亦即天线应具有方向性。
1.2天线概述
通信、雷达、导航、广播、电视等无线电设备,都是通过无线电来传递信息的，都需要有无线电波的辐射与接收。在无线电技术设备中，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线，天线和发射机、接收机一样，也是无线电技术设备的一个无线电波。但是能辐射或接收电磁波的东西不一定就能用来作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，就可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接受电磁波。但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接受效率可能很低。只有那些能够有效地辐射和接收电磁波的结构才能用作为天线。所以为了能够有效地辐射和接受电磁波，天线的结构上必须满足一定的要求[3]。
ABSTRACT
With the development of communications, radar, satellites and aerospace technology, antenna tracking, positioning accuracy have become increasingly demanding and rely solely on the magnitude of beam search positioning can not meet the requirements of the antenna phase center as a benchmark for accuratepositioning or measuring the performance of reflector antennas and feed characteristics areclosely related. As the diameter of the reflecting surface phase distribution of the radiation characteristics is much larger than the amplitude distribution, the phase center of antenna feed, and find the best location of the feed phase center, so that the antenna feed nearly symmetric radiation characteristics, it is necessary to improve the overall performance of the reflector antenna. Reflecting surface by gravity, wind, ice, snow and other loads role in the actual project, the actual surface will no longer be the ideal surface.
显然，主瓣宽度越小，说明天线辐射能量越集中，其定向辐射的性能越好，也就是天线的方向性越强。所以，主瓣宽度是天线的一个很重要的电参数，或者说重要的电指标。
旁瓣一般是不希望有的。旁瓣的最大值与主瓣最大值之比称为旁瓣电平，记为FSLL，通常以分贝数表示之[6]
显然，旁瓣电平的高低，也在某种意义上说明天线方向性的好坏。
本文针对变形抛物面反射面天线馈源相位中心选取的问题，用MATLAB建立模型。该模型基于变形反射面天线馈源相位中心与远场方向图的对应关系，通过对远场方向图的分析，可得到天线反射面存在任意表面误差时的馈源最佳相位中心，使得天线的远场方向图各项指标最好。
关键词：天线 反射面 相位中心 MATLAB 远场方向图
In this paper, the problem of deformation of the parabolic reflector antenna feed phase center of the selected model using MATLAB. The model is based on the distorted reflector antenna feed phase center and the far-field pattern corresponding relationship obtained through the analysis of the far-field pattern, the antenna reflector there are any surface errors on the feed phase center, making the antenna the far-field pattern of the indicators is best.
摘要
随着通信、雷达、人造卫星和宇航技术的发展,对天线的跟踪、定位精确度要求越来越高，单靠幅度波束来搜索定位已不能满足要求,必须以天线的相位中心为基准进行精确定位或测量反射面天线的性能与馈源特性密切相关。而在实际工程中，由于反射面受到重力、风、冰、雪等荷载的作用，实际曲面将不再是原来的理想曲面。由于反射面口径的相位分布对辐射特性的影响远大于幅度分布的影响，故进行天线馈源的相位中心的研究，找到馈源相位中心的最佳位置，以使天线馈源具有近似对称的辐射特性，对于提高反射面天线的整体性能是非常必要的。
天线的远区场分布是一组复杂的函数，分析天线的辐射场可从中得到该天线的各种重要性能参数。表征天线辐射场空间分布的方向性函数通过二维、三维图形显示，可直观描述、形象化展示及揭示各参量之间的内在关系，借助MATLAB的绘图功能可以加深对天线辐射场空间分布理论的理解和认识，并可得到更有效更直观的分析结果。
1.1课题研究的背景和意义
(1)要使天线能从馈线得到最大功率，就必须使天线和馈线良好地匹配，也就是要使天线的输入阻抗等于馈线的特性阻抗。这就导致人们引入天线输入阻抗这一电参数。
(2)天线从馈源得到的输入功率是否全部由天线辐射出去呢？一般说来，天线从馈线得到的功率，一部分由天线辐射出去，另一部分将由构成天线的导体及介质损耗掉。因此，辐射功率与输出功率的比值，即天线效率，是人们关心的另一电参数。
由于方向图是用以表示天线在不同方向上辐射场的相对大小，所以画方向图时最好用归一化方向函数。所谓归一化方向函数就是在最大辐射方向上方向函数的值等于1。
除了用极坐标绘制外，还常常用直角坐标来绘制方向图。众所周知，角度是不能放大的，但是在直角坐标系中绘制方向图并用横坐标上的角度刻度表示方向角时，由于横坐标上单位长度可以表示较大的度数值也可以表示较小的度数值，因此，特别适合用来画强方向性的方向图。有时，为了使方向图中某些很低的电平值也能清楚地显示出来，可对归一化场强值取对数换算成分贝数。
方向图形象地表示出了天线的方向性，波瓣宽度在一定程度上半定量地描述了天线的方向性。为了更精确地比较不同天线的方向性，有必要再规定一个表示方向性的电参数——方向系数。它的定义是：某一天线的方向系数是它在最大辐射方向上某一距离处的辐射功率密度和辐射功率相同的无方向性天线在同一距离处的辐射功率密度之比值，记为D0。
自从人类进入信息时代以来，电子通讯技术不断发展。作为电子通讯的基本工具，天线更是在工程实际中得到广泛的应用。从地面到太空，从军事领域到民用领域，无处不活跃着天线的身影。譬如在航天领域内，卫星信号的发射和传送，航天器的通讯等都离不开星载天线的工作。
天线的作用是发射和接收电磁信号，其电性能的工作精度主要取决于天线反射面表面形状的精度。然而天线总是在露天环境下工作，必然会受到各种各样环境载荷的作用(如风载荷作用，物体的打击作用，对于星载天线而言，还将受到环境温度的改变[1]以及太阳光压[2]的影响等)。作用在天线上的载荷将会使天线的反射面及其它部件产生不同程度的变形而使反射面偏离预先设计的形状，当这种变形达到一定的程度时，就会使天线电磁波反射散乱，指向误差增大，方向图产生畸变，从而降低天线按预期目标正确执行任务的能力。
对于任意天线而言，无论是E面方向图还是H面方向图，他们一般呈花瓣状，故方向图又称为波瓣图。最大辐射方向所在的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。
方向图的主瓣宽度通常是指主瓣最大值两侧功率密度等于最大方向上功率密度一半的两个方向间的夹角。通常，两个主平面（E面和H面）的主瓣半功率宽度以 和 表示。功率密度下降一半，场强则相应地降至0.707倍。
Keywords: Antenna Reflecting surface Phase center MATLAB Far-field pattern
第一章绪论
引言
反射面天线在地面通信、星载、射电天文望远镜等诸多方面的应用，对反射面天线电性能指标提出了更高的要求，如高增益、窄波束、高效率等指标。因此，对反射面天线的加工、制造、安装提出了更加严格的指标。然而，反射面天线在实际工作环境中，将受到外部载荷(自重、风、惯性、冰雪等载荷)的影响，会产生表面变形和馈源误差，从而导致电性能变化，引起增益下降，旁瓣电平提高。馈源是反射面天线系统的关键部件之一，馈源的相位特性不仅影响反射面天线的增益，而且影响其副瓣和交叉极化电平。因此，准确地计算馈源的相位中心对设计优质馈源及提高整个天线系统的性能都是十分重要的。
1.2.2天线的电参数
为了评价一副天线的性能，有必要规定出一套能表示天线各种性能的电参数。同一副天线在用作发射时和用作接收时，其电参数是相同的。故而，本文只讨论发射天线的电参数。根据天线在无线电设备中的地位和作用，发射天线有两个主要功能：一是把经馈线从发射机输送过来的信号能量以电磁波的形式向周围空间辐射出去；而是定向辐射，即是将能量集中在一定的立体角内辐射出去。这涉及到发射天线下列几方面的问题[5]：
1.2.1天线的种类
按照不同的方式，天线可以分成不同的种类[4]。
按用途分为：通讯天线、广播天线、电视天线、雷达天线、导航天线和侧向天线等。
按工作波长分为：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等。
按天线特色可分为：圆极化天线、线极化天线、超宽频带天线和波束控制天线等。
从便于分析和讨论天线的性能出发，比较合理的分类方法是把大部分天线按其结构分成两大类：一类是导线或金属棒构成的线状天线；另一类是金属面或介质面构成的面状天线。
(3)在定向辐射的能力方面，要求天线具有这样或那样的方向性，为了表示天线的方向性，引入了方向图波瓣宽度、方向系数、旁瓣电平等电参数。
(4)人们还经常把天线效率与方向系数组合在一起，引入另一个电参数——增益系数。
除上之外，还有极化、频带宽度等电参数。
1.2.3天线的方向图及其指标
天线方向图是表征天线辐射特性空间角度关系的图形。以发射天线为例，从不同角度方向辐射出去的功率或场强形成的图形。一般地，用包括最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示天线的立体方向图，分为水平面方向图和垂直面方向图。平行于地面在波束最大场强最大位置剖开的图形叫水平面方向图；垂直于地面在波束场强最大位置剖开的图形叫垂直面方向图。
反射面变形可通过面板实时调整，但不可能调整到理想反射面的情况。因此需通过馈源调整方法来弥补。所以馈源相位中心的确定显得尤为重要，只有精确地确定馈源的相位中心才能减弱反射面形变带来的误差。
在经济飞速发展，国防科技突飞猛进的当今中国，天线无论是在军事领域还是在民用领域都大有用武之地。目前，研制大口径和高精度的抛物面天线的需求，对天线馈源等效相位中心提出了更高的要求。在这样的背景下，选择抛物面天线反射面对其变形性质进行研究和分析，无论是在研究方法上，还是在工程实际的参考价值上，都不失为一项有意义的课题。
对天线的基本要求，除了能够辐射和接受电磁波之外，根据大部分无线电技术设备的任务与性质，通常还要求天线不是向所有方向均匀地辐射（或对说有方向具有同等的接受能力），而只是向某些方向辐射（或只接受来自某些方向的电磁波），在其他方向上辐射很弱甚至没有辐射（或接受能力很弱甚至不能接受）。这就是说，天线应具有定向辐射（或接受）能力，亦即天线应具有方向性。
1.2天线概述
通信、雷达、导航、广播、电视等无线电设备,都是通过无线电来传递信息的，都需要有无线电波的辐射与接收。在无线电技术设备中，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线，天线和发射机、接收机一样，也是无线电技术设备的一个无线电波。但是能辐射或接收电磁波的东西不一定就能用来作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，就可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接受电磁波。但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接受效率可能很低。只有那些能够有效地辐射和接收电磁波的结构才能用作为天线。所以为了能够有效地辐射和接受电磁波，天线的结构上必须满足一定的要求[3]。
ABSTRACT
With the development of communications, radar, satellites and aerospace technology, antenna tracking, positioning accuracy have become increasingly demanding and rely solely on the magnitude of beam search positioning can not meet the requirements of the antenna phase center as a benchmark for accuratepositioning or measuring the performance of reflector antennas and feed characteristics areclosely related. As the diameter of the reflecting surface phase distribution of the radiation characteristics is much larger than the amplitude distribution, the phase center of antenna feed, and find the best location of the feed phase center, so that the antenna feed nearly symmetric radiation characteristics, it is necessary to improve the overall performance of the reflector antenna. Reflecting surface by gravity, wind, ice, snow and other loads role in the actual project, the actual surface will no longer be the ideal surface.
显然，主瓣宽度越小，说明天线辐射能量越集中，其定向辐射的性能越好，也就是天线的方向性越强。所以，主瓣宽度是天线的一个很重要的电参数，或者说重要的电指标。
旁瓣一般是不希望有的。旁瓣的最大值与主瓣最大值之比称为旁瓣电平，记为FSLL，通常以分贝数表示之[6]
显然，旁瓣电平的高低，也在某种意义上说明天线方向性的好坏。
本文针对变形抛物面反射面天线馈源相位中心选取的问题，用MATLAB建立模型。该模型基于变形反射面天线馈源相位中心与远场方向图的对应关系，通过对远场方向图的分析，可得到天线反射面存在任意表面误差时的馈源最佳相位中心，使得天线的远场方向图各项指标最好。
关键词：天线 反射面 相位中心 MATLAB 远场方向图
In this paper, the problem of deformation of the parabolic reflector antenna feed phase center of the selected model using MATLAB. The model is based on the distorted reflector antenna feed phase center and the far-field pattern corresponding relationship obtained through the analysis of the far-field pattern, the antenna reflector there are any surface errors on the feed phase center, making the antenna the far-field pattern of the indicators is best.
摘要
随着通信、雷达、人造卫星和宇航技术的发展,对天线的跟踪、定位精确度要求越来越高，单靠幅度波束来搜索定位已不能满足要求,必须以天线的相位中心为基准进行精确定位或测量反射面天线的性能与馈源特性密切相关。而在实际工程中，由于反射面受到重力、风、冰、雪等荷载的作用，实际曲面将不再是原来的理想曲面。由于反射面口径的相位分布对辐射特性的影响远大于幅度分布的影响，故进行天线馈源的相位中心的研究，找到馈源相位中心的最佳位置，以使天线馈源具有近似对称的辐射特性，对于提高反射面天线的整体性能是非常必要的。
天线的远区场分布是一组复杂的函数，分析天线的辐射场可从中得到该天线的各种重要性能参数。表征天线辐射场空间分布的方向性函数通过二维、三维图形显示，可直观描述、形象化展示及揭示各参量之间的内在关系，借助MATLAB的绘图功能可以加深对天线辐射场空间分布理论的理解和认识，并可得到更有效更直观的分析结果。
1.1课题研究的背景和意义
(1)要使天线能从馈线得到最大功率，就必须使天线和馈线良好地匹配，也就是要使天线的输入阻抗等于馈线的特性阻抗。这就导致人们引入天线输入阻抗这一电参数。
(2)天线从馈源得到的输入功率是否全部由天线辐射出去呢？一般说来，天线从馈线得到的功率，一部分由天线辐射出去，另一部分将由构成天线的导体及介质损耗掉。因此，辐射功率与输出功率的比值，即天线效率，是人们关心的另一电参数。
由于方向图是用以表示天线在不同方向上辐射场的相对大小，所以画方向图时最好用归一化方向函数。所谓归一化方向函数就是在最大辐射方向上方向函数的值等于1。
除了用极坐标绘制外，还常常用直角坐标来绘制方向图。众所周知，角度是不能放大的，但是在直角坐标系中绘制方向图并用横坐标上的角度刻度表示方向角时，由于横坐标上单位长度可以表示较大的度数值也可以表示较小的度数值，因此，特别适合用来画强方向性的方向图。有时，为了使方向图中某些很低的电平值也能清楚地显示出来，可对归一化场强值取对数换算成分贝数。
方向图形象地表示出了天线的方向性，波瓣宽度在一定程度上半定量地描述了天线的方向性。为了更精确地比较不同天线的方向性，有必要再规定一个表示方向性的电参数——方向系数。它的定义是：某一天线的方向系数是它在最大辐射方向上某一距离处的辐射功率密度和辐射功率相同的无方向性天线在同一距离处的辐射功率密度之比值，记为D0。
自从人类进入信息时代以来，电子通讯技术不断发展。作为电子通讯的基本工具，天线更是在工程实际中得到广泛的应用。从地面到太空，从军事领域到民用领域，无处不活跃着天线的身影。譬如在航天领域内，卫星信号的发射和传送，航天器的通讯等都离不开星载天线的工作。
天线的作用是发射和接收电磁信号，其电性能的工作精度主要取决于天线反射面表面形状的精度。然而天线总是在露天环境下工作，必然会受到各种各样环境载荷的作用(如风载荷作用，物体的打击作用，对于星载天线而言，还将受到环境温度的改变[1]以及太阳光压[2]的影响等)。作用在天线上的载荷将会使天线的反射面及其它部件产生不同程度的变形而使反射面偏离预先设计的形状，当这种变形达到一定的程度时，就会使天线电磁波反射散乱，指向误差增大，方向图产生畸变，从而降低天线按预期目标正确执行任务的能力。
对于任意天线而言，无论是E面方向图还是H面方向图，他们一般呈花瓣状，故方向图又称为波瓣图。最大辐射方向所在的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。
方向图的主瓣宽度通常是指主瓣最大值两侧功率密度等于最大方向上功率密度一半的两个方向间的夹角。通常，两个主平面（E面和H面）的主瓣半功率宽度以 和 表示。功率密度下降一半，场强则相应地降至0.707倍。
Keywords: Antenna Reflecting surface Phase center MATLAB Far-field pattern
第一章绪论
引言
反射面天线在地面通信、星载、射电天文望远镜等诸多方面的应用，对反射面天线电性能指标提出了更高的要求，如高增益、窄波束、高效率等指标。因此，对反射面天线的加工、制造、安装提出了更加严格的指标。然而，反射面天线在实际工作环境中，将受到外部载荷(自重、风、惯性、冰雪等载荷)的影响，会产生表面变形和馈源误差，从而导致电性能变化，引起增益下降，旁瓣电平提高。馈源是反射面天线系统的关键部件之一，馈源的相位特性不仅影响反射面天线的增益，而且影响其副瓣和交叉极化电平。因此，准确地计算馈源的相位中心对设计优质馈源及提高整个天线系统的性能都是十分重要的。