第6章 面状天线

S1
S2
S2
S1
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6.1.2 等效原理
V0
E1 E1
S2
V0
E2
E1
H1
V1
H1
H1
S1
n
S2
V1
H2
J m S1
Js
n
(a )
S S1 S 2
(b)
等效性原理
6.1.3 面元的辐射场
z
z
n
O
n
E dx
y
x
H O
dy
dx
y
dy
x
面元上的电磁场
z
O


Js
y
x J ms 等效面电流密度与等效面磁流密 度
6.4.3 喇叭天线辐射场的方向性与最佳喇叭
E面喇叭的E面方向图
H面喇叭的H面方向图
2、矩形喇叭的方向系数与最佳喇叭
H面扇形喇叭的方向系数
E面扇形喇叭的方向系数
6.5 抛物面天线
6.6 卡塞格伦天线
卡塞格伦天线由三部分组成： 1、主反射面（旋转抛物面） 2、副反射面（双曲面） 3、馈电喇叭 卡塞格伦天线的工作原理是， 根据双曲面的性质，由F2发出 的电磁波被副面反射，其反射 的电磁波方向可以看成是共轭 焦点F1发出的射线方向。又因 为F1是抛 物面的焦点，所以， 由F2发出的电磁波经副反射面 和主反射面反射后，在口径面 形成同相场，从而得到平行于 轴向的电磁辐射波。
面元方向图
P181，图5.7

面元是面状天线的基本辐射单元，在计算面状 天线在空间的辐射场时，需要利用面元的辐射 场采用积分的方法求得。
6.2 口面场的一般表达式
z
r R
M ( r , , )
S
O
ds
y
x
6.3 口面场辐射特性的一般分析
6.4 喇叭天线
主要内容：

6.1 等效原理和面元的辐射场 6.2 口面场的一般表达式 6.3 口面场辐射特性的一般分析 6.4 喇叭天线 6.5 抛物面天线 6.6 卡塞格伦天线
6.1 等效原理和面元的辐射场



面状天线的分析方法与线式天线相类似，先求 辐射场，然后求方向系数和阻抗等。 直接求解复杂，通常用近似求解方法。 波动光学法：对场的求解分为两个独立问题， 一、求解包围天线的某一封闭空间V内的场， 即求解内部场。二、根据惠更斯原理，由封闭 面上的场分布求解V以外的其他空间的场，即 求解外部场。
6.4.1 喇叭天线的结构及分类 6.4.2 喇叭天线的口面场分布规律 6.4.3 喇叭天线辐射场的方向性与最佳喇叭
6.4.1 喇叭天线的结构及分类
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。
阻抗、S11、VSWR和回损测量

选择一个合适的电缆，并且连到VNA 确定频率范围以及测量点数 进行一端口的校准 在微波暗室或开放场地进行测量 记录测量结果
辐射特性测量

开阔试验场

暗室
矩形波导的横向解
上面称为TEmn波 m——表示x方向变化的半周期数 (即小→大→小) n——表示y方向变化的半周期数。
6.4.2 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。右图 画出了一个矩形扇形喇 叭天线的场分布图。
第6章 面状天线
吕剑刚 信息与电气工程学院 lv.jian.gang@gmail.com
但在微波波段，广泛使用的是金属导体构成的口 径天线和反射面天线，这类天线统称为面状天线。
面天线类型
面状天线主要有喇叭天线、抛物面天线和卡塞格伦天线
喇叭天线
抛物面天线
卡塞格伦天线



面状天线由两部分构成：一部分是初级馈源， 它的作用是将无线电设备中的高频电磁能量转 换为向空间辐射的电磁能量，通常由对称振子、 缝隙或喇叭构成。 另一部分是辐射口面，它的作用是将初级馈源 辐射的电磁波形成所需要的方向性波束，常见 的口面有喇叭口面、抛物面口面等。 面状天线广泛应用于雷达、微波中继、导航、 卫星通信、射电天文及气象中。
其他类型的天线

微带天线

智能天线
第7章 电波传播

电波传播的基本知识 空间波传播 地面波传播 天波传播 外层空间传播
天线制造和测量

天线制造 天线测量基础 阻抗、S11、VSWR和回损测量 辐射模式测量 增益测量
天线制造


导电材料（导电率越高越好） 机械、环境、成本、重量 铜（黄铜、青铜）、铝 介质材料
天线测量


阻抗 输入阻抗、S11、VSWR（电压驻波比）、回 损 辐射特性 复杂、耗时
测量基础

散射参数
网络分析仪


标量网络分析仪（SNA） 测量参数的幅度，如VSWR、回损，增益等 矢量网络分析仪（VNA） 测量参数幅度和相位
VNA


透射测量 增益、插入损耗、插入相位、透射系数（S12， S21）、电长度、电延迟、组延迟 反射测量 回损、反射系数（S11，S22）、阻抗、 VSWR
6.1.1 惠更斯原理

惠更斯原理：在波传播的过程中，任一波前面 上的各点，都可以当作是新的波源，辐射次级 波。所有这些次级波又构成了新的波前。将波 前上的任一点波源叫做面元，又称为惠更斯波 源。


费涅尔后来又发展了惠更斯原理，进一步假设 从任一波前面上各点发出的子波同时传到空间 某一点M时，该点的场强大小是各子波在这点 场强的矢量叠加。 因此球解空间某一点场强时，不一定从激励源 出发求解，可以把实际场源产生的波的某一波 前面上场强分布作为次级波源来求解。
（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、矩形喇叭天线口面场相位分布特点
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：