抛物面天线CAD7

反射面天线CAD (7)

一、 反射面天线的设计

1.1 引言

天线发展早期，是用于中波、短波和超短波频段，这种天线一般均称为线形天线。具体代表是，对称振子天线、T 型天线、菱形天线、顶加载天线和八木天线等。后来出现了面形天线，例如，喇叭天线、反射面天线和透镜天线等。随着频率升高，面形天线应用越来越广泛。目前，广泛运用于卫星接力通信地球站中的大型反射面天线直径为φ26—φ32m 。中小型卫星地球站用天线直径为φ4.5—φl 2m 。用于天文宇宙观测的大型天线的直径达100米。超视距警戒雷达也用大型反射面天线，特别是地面固定和移动接力通信的发展，反射面天线应用得更广泛，其尺寸有φ0.6—φ4.5米等系列尺寸。各个国家都把反射面天线口径制订成标准系列。目前，国内外利用广播卫星播放电视节目，家庭生活娱乐节目已不单由电视台播放，而是通过φ0.6米反射面天线直接接收卫星广播和电视节目。

在微波频段用于接力通信用的天线几乎都采用反射面天线这说明反射面天线具有它本身的特点：在线形天线理论中，我们知道如果要获得高的天线增益，要用无数个振子排列组合，构成天线阵面。而且，要保证规定的馈电相位，例如，短波中用的同相水平天线阵和目前飞机上用的小型相控阵天线均是按照这个基本理论制作的。但是这种合成条件非常严格，并且结构非常复杂。尽管微波集成光刻技术有了较高的发展，要得到较高的增益也是困难的。在八木天线中，引向器的数量越多，会使增益做的高一些，但每个单元要获得10分贝增益也是比较困难的。一般只有7—8分贝，目前八木天线最高组阵增益在18分贝之下。

但对

微波频段的抛物天线来讲，可以把开口径看成由无数个振子排列组合辐射。例如4GHz(7.5cm)，开口径为3.3米，天线增益达到40分贝并不困难，而获得相同的增益，如用八木天线，几乎需20组同相馈电单元组合，但实现也是非常困难的。在微波频带，天线增益系数一般很容易做到10，000—l，000，000。对于接力通信用的天线来讲，首先必须具有高增益，且点对点通信要具有尖锐波束，有时叫做铅笔形波束。想在通信方向构成效率高的通路，必须具有很强的方向性，而在其它方向尽量减少辐射。

最先出现的反射面天线是前馈反射面天线，它在面天线发展史上起了奠基作用。后来出现的卡塞格仑和格里高利天线以及由此发展起来的修正卡塞格仑及修正格里高利天线都是在前馈反射面天线基础上发展起来的。由于前馈反射面天线的馈源与位于反射面顶点后面的接收单元或发射单元要用波导或电缆连接，因而引入较大的传输损耗，且馈源的维修也不方便。加之早期的前馈反射面天线由于其馈源的方向图不等化，造成天线效率只有50 ~ 60％，因而前馈反射面被认为是一种低效率面天线。

但是，技术的发展，馈源的理论研究和实验研究获得很多成果。馈源方向图的等化理论和演算方法日渐成熟，使设计者能较容易地设计出等化方向图或旋转轴对称方向图的馈源，从而使反射面获得旋转轴对称的照射，导致天线照射效率的提高。δ—Gain馈源的出现是前馈反射面天线获得新生的又一重要标志。所谓δ—Gain馈源就是其方向图不仅轴对称，并且在对反射面照射角度内基本上是均匀的，而在反射面边缘其方向图又迅速下跌。这种馈源以同轴多模馈源为代表，配置合适的焦距直径比，可使抛物面天线的效率达到65—80％。

还要提到的是，鉴于δ—Gain 馈源在反射面边缘可维持相当低的照射锥削，

使反射面的远旁瓣和背瓣可控制到很低，因此反射面采用前馈照射同样可获得良好的旁瓣特性，这就克服了老式前馈反射面天线的固有缺点。从上面讨论的情况来看，馈源实际上是反射面天线的核心(或心脏)。馈源问题解决了，反射面天线的问题也就解决了。

本节主要讨论反射面天线的CAD技术。

1.2反射面天线的结构及形式

反射面天线一般有两部分组成：反射面和馈源。根据反射面的形状又可以分为平板反射器天线、角反射器天线以及抛物面天线。抛物面天线又可以分为单反射面天线、双反射面（卡塞格仑和格里高利）天线以及偏置（OFFSET）抛物面天线等等。反射面天线的馈源可以是天线单元、天线阵列或其他反射面天线，图7-1给出了典型的反射面天线的结构及形式。这里要讲述的主要是角反射器天线与抛物面天线。

图7-1典型的反射面天线的结构及形式

1.3平板反射面天线

由金属平板和馈源组成的反射面天线，又叫做平板反射面天线。由于金属平板限制了可能的辐射方向，因而增加了天线的方向性。与金属平面平行的极化波在反射表面上的电场为零，且对波束产生较大的影响。这就是，靠近金属接地板上面放置的水平偶极子的方向性比垂直偶极子大的缘故。

实际上，天线都是架设在地面上或附近有金属导体。在天线激发的电磁场作用下，地面或附近金属导体表面要激励起电流。这对于无限大金属接地板上的水平偶极子天线，就可以采用镜像法来分析。天线和它的镜像组成二元阵，但是二元阵中只有一个元才馈电，镜像法的局限性可以用几何绕射理论来弥补。

无穷大理想导电平面上垂直、水平和倾斜放置的电基本振子的镜像振子和电流如图7-2所示。

从镜像原理来看，垂直电基本振子和水平电基本振子的镜像振子分别与原振子相同。镜像电流则分别与原振子的电流等幅同相(正像)和等幅反相(负像)。倾斜电基本振子的镜像振于也是倾斜的，但取向相反。镜像电流的垂直和水平分量分别是原电流的垂直和水平分量的正像和负像。

设水平对称振子距理想导电平面的高度为H ，它与镜像振子组成间距为2H 的等幅反相2元阵，如图7-3a 所示。故理想导电平面上，水平对称振子的方向函数可以写为：

(7-1)

其中：?表示到观察点的射线与导电平面的夹角，称为仰角。

在垂直平面(00=φ)内，有：

(7-2)

该平面内的天线方向图即为振于及其负像组成阵的阵因子方向图，如图7-3b 所示。

从图可见，不论H 为何值，?＝00均为方向图零值的方向。λ/H 越大，方向图波瓣越多。诸波瓣最大值方向为：

(7-3)

其中仰角最低的第一波瓣最大值方向为：

图7-3 理想导电平面上的水平对称振子及其方向图

利用电离层反射的短波通信信道，根据上式选取适合的天线架设高度，使1M ?等于由通信距离和电离层高度决定的通信仰角。

理想导电平面上的对称振子的方向系数也可以由式(7-4)计算：

(7-4)

式中2)(i M f 为对称振子与其镜像组成的振子阵的方向函数最大值，而∑)(i R 是

计入地面影响后的对称振子的辐射阻抗，亦等于对称振子与其镜像组成的振子阵的总辐射电阻的一半。一般情况下，金属接地板上四分之一波长处水平放置的半波振子的增益为8.15dB ，并常被用作标准天线。

同时，从式(7-2)可以看出：4/1/0<<λH 时，该天线的最大辐射方向总是在090=?的方向，也就是垂直于金属接地板。同时，天线的增益与H 相关。

垂直单极子天线就是馈电接近导电平面的垂直开路单导线天线，它与镜像构成全长为2L 的对称振子(称等效对称振子)，如图7-4所示。在上半空间，垂直接地振子与等效对称振子在自由空间的方向图完全相同，即：

(7-5)

垂直接地振子的辐射阻抗仍按

计算，其中是计入导电平面影响后的辐射功率，是等效对称振于辐射功率的一半。因此，垂直接地

振子的辐射阻抗是自由空间等效对称振子辐射阻

抗的一半。垂直接地振子的输入阻抗也是自由空间

等效对称振子输入阻抗的一半，因为它的输入电压是等效对称振子的一半，而二者的输入电流相等。

由式(7-4)可知，垂直接地振子的方向系数等于自由空间等效对称振子方向系数的2倍，因为二者的M f 相同，前者的辐射电阻仅是后者的一半。也就是说，四分之一波长单极子天线的增益为5.15dB ，并也常被用作标准天线。

1.4 角反射器天线

图7-5示出了一种由金属平板组成的角形反射面天线，它由两块金属平板和其间的对称振子天线构成，两块金属平板之间的夹角?可以是任意的。金属板的尺寸为L W ×，对称振子天线距角反

射面顶点的距离为d 。平板反射面天

线可以认为是夹角为180度的角反射

面天线。当夹角N /π?=，N 为正整

数，可以用镜像法来分析。

现在讨论的是有限尺寸的角反射

面天线，金属表面的切向电场必须为零， 因此，它可以将对称振子的辐射场限制在一个有限范围内。

Krous 给出了这种天线的设计准则：金属平板的宽度W 至少应为0.6λ；平板的长度L 至少应为2d 。

表7-1中给出了馈电振子的直径为0.02λ，长度为0.42λ的90度角形反射面天线的方向性系数、波瓣宽度和输入阻抗值。为补偿偶极子与底板间的耦合，必须缩短偶极子的长度。方向性系数随偶极子到顶点的距离d 间小而增加，但它可以使天线的效率和增益下降。d=0.37λ时，输入阻抗为50欧姆，电抗很小。同时，为增加天线的带宽，采用粗振子，其输入阻抗和距离d 也随之变化。 图7-5 角反射面天线 ?

表7-2中给出了几何绕射理论计算的d=0.37λ的各种板尺寸下90度角反射器天线的特性参数。

从表可以看出，H 面波瓣宽度随板长的增加而变窄，当边长增长到1.5λ后，其H 面波瓣宽度在45度附近小范围波动。天线的增益可以用波瓣宽度来估算。

受限于天线尺寸和重量，一般不设计大边长的角反射器天线，因为增益的增加有限，获得的效益不高。一般情况下，同尺寸的抛物面天线增益要比角形反射器天线的增益大。例如，口径直径为2λ的抛物面天线，假设其效率为50%，此时天线的增益有13dB ，90度的角反射器天线的增益只有10 ~ 12dB 。

一般情况下，选取导体板的边长为1.5λ左右。

为了改进角反射器天线的增益，图7-6给出了带有圆柱面的角反射器天线的结构图。该天线有一个馈电的

对称振子天线和三块金属导体

板组成，其中两导体平板之间的

夹角为?，第三块反射面是由部

分圆柱面组成。其中a 为圆柱面

的半径，R 为振子距圆柱中心轴

的距离。该天线的结构可以用镜

像法来分析计算，当?=60度

时，a=λ，R=1.4λ，该天线的

输入阻抗为149+j42欧姆，天线

的增益为15dB 。与不待圆柱面的天线相比，该天线的增益至少增加了2dB 。同时，从其输入阻抗特性看，该天线具有良好的宽频带特性。

另一种具有高增益特性的角反射器天线应当属带圆柱面的三维角反射器天线，其结构如图7-7所示。

图7-6 带有圆柱面的角反射器天线

带圆柱面的三维角反射器天线是由四块导电金属板和一个馈电的3λ/4长的单极子天线构成的。这种天线仅在上半空间辐射，其辐射场可以从镜像法来得到。

研究表明，该天线的最大辐射方向在（0θ，?=0）。当a=1.5λ，R=2.15λ，夹角为60度的带圆柱面的三维角反射器天线的增益可以达到24.4dB ，输入阻抗为55欧姆，电抗为15.5欧姆，易于使用50欧姆同轴线来馈电。

1.5 抛物面天线及其性质

为了说明反射面天线的工作原理，首先介绍反射面的性质。反射面是抛物线沿中心轴旋转而成的，在数学中，抛物线是一种圆锥曲线。圆锥曲线方程有：

(7-1)

其中：

判断曲线形状往往采用离心率e 表示。当e ＜l 时称为椭圆曲线 e ＞1时为双曲线，e = l 时为抛物线。

图7-7 带圆柱面的三维角反射器天线

抛物形反射面具行两个重要的几何性质：

(1)从焦点到抛物面再到口径面的所有路径长度均相等，亦即：

FP+PQ ＝φρρcos +＝2f (7-1)

(2)抛物面上任意—点P 的法线平分焦点到P 点的连线与过P 点平行于轴的直线间的夹角。根据斯涅尔（snall ）反射定律和抛物面的几何性质，反射线必然平行于抛物面的轴线。

也就是说，从焦点处的馈源发出的射线，经反射面到口径面经历了相同的的实际距离，因而抛物面的口径激励是均匀相位的（等相位面）。通过适当控制馈源的方向图，使得口径场等幅。那么，抛物面天线就具有等幅、同相的口径场，使其辐射增益最大。

抛物面天线一般是高增益天线，然而这种高增益是相对于端射式或边射式天线阵及角反射器天线而言的，抛物反射面能比较容易获得高的增益。抛物面天线由两部组成：第一是旋转对称反射面，第二是在其焦点上放置一个点源，所以说

图7-8 抛物线与抛物面参数

抛物面天线是一个有效的反射面和馈电器组合。要使反射器能截获由馈电器辐射的所有能量是不可能的，要拦截所有能量，需增大反射器的面积，而反射器外部是低场区，这样减少了反射器边沿的突变，因而减小了边瓣电平。而反射器大小又受到机械性能的限制。典型的设计中，反射器大小是按照实际加工能力来决定的，然后设计馈电器使得到最有效的照射。在正常情况下，设计是根据得到最大增益，或者略为牺牲增益而使边瓣电平减少。如果反射器边沿的能量分布比中心低10分贝，就能得到最大增益，而边沿分布为20分贝时，则边瓣待性好。有关获得天线最佳增益的理论，在面天线理论中已作详细分析。不过分折的最佳结果，增益是均匀照射口径的74％是经过细致实验的结果，只能达到65％的利用系数。因为馈电器有后向辐射和存在交叉极化能量，所以在标准反射面的设计中，要紧紧抓住在给定反射器边沿产生必要的照射电平所需要馈电器提供的波束宽度。

对于天线的边缘照射电平的选择过去一般均采用-10dB的照射锥削，即基本是按老式角锥喇叭的方向图来考虑的。而对于现代天线馈源，照射锥削选为-15dB，这样可保证较好的旁瓣电平，又可以提供60％以上的天线效率。

如果选用波纹波导作馈源，其天线的焦距f、直径D之比称为焦径比（f／D）。一般情况下，焦径比大于0.4；如果焦径比之值比较小，则以选用长杯同铀多模馈源，对于f／D值更小的天线(例如f／D＜0.35)，用平面波纹喇叭或短杯同轴多模馈源。总之，在确定选用f／D值之前，必须知道所用馈源的方向图，使天线获得最佳性能。馈源是天线的心脏这是千真万确的，因而必须对馈源予以重视。

1.6 δ—Gain馈源

δ—Gain馈源——多模同轴喇叭，其定义，颐名思义，其方向图形状取δ因数一样。即在照射角度内，方向图是均匀的，而照射角之外其方向图很快地跌

落下去，这是理想的δ—Gain 馈源方向图。实际上，在照射角范围内绝大部分角度内其照射电平基本是均匀的。而照射角之外电平跌落得轻快的馈源都可称为δ—Gain 馈源。多槽同轴馈源的方向图基本上属于此类方向图，如图7-9所示。

δ—Gain 馈源之所以获得广泛重视是由于Ku 频段直播电视卫星业务的迅速发展。这种业务基于经济上的原因，一般使用前馈式的抛物面天线，但要求天线：①具有相当高的效率(一般为65—70％)；②有良好旁瓣特性，典型的要求是第一和第二旁瓣都低于-30dB ，其余旁瓣要低于-40dB ；②交叉极化峰值电平低-30dB 。这主要是频谱复用的要求；④输入电压驻波比优十1.5。上面这些要求同时予以满足是相当困难的。例如，低旁瓣要求可用较低的抛物面边缘照射锥削来实现，但是会导致口面效率降低。较好的办法是使用波纹馈源，但是波纹馈源加工成本昂贵，不适于大批量生产。这就便人们把目标转向性能好而成本低的δ—Cain 馈源。

1.7 高效率对称振子组合馈源

图7-10

中给出了一种以对称振子馈源为基础的组合馈源，可以使抛物面

(a) (b)

图7-9 δ—Gain 馈源结构及其典型方向图

天线的增益达到80%。

这种馈源是由带地板的对称振子天线

以及金属圆环组成。如果选用带地板的对称

振子天线作为馈源，其典型的方向图如图7-11

所示，地板的直径为2.2λ。由图7-11可以看

出，其两个主平面的方向图不是轴对称的，

因此作为馈源使用时，其抛物面的照射不均

匀，导致天线的效率降低。

对于加金属圆环的带地板对称振子的方向图如图7-12所示，可见其方向图基本实现了轴对称。此时圆环的直径为1.1λ，与底板的间距为0.45λ。这种方向图类似于δ-GAIN 馈源的方向图，可以保证抛物面天线的均匀照射，

达到较 图7-11 带地板的对称振子天线馈源典型的方向图

高的效率。

图7-12 加金属圆环的带地板对称振子的方向图

二、结论

本节主要是讲述反射面天线的设计，着重介绍了抛物面天线的高效率馈源形式，馈源是抛物面天线的核心！