【什么是面天线-图】百科知识点

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面天线是指具有初级馈源并由反射面形成次级辐射场的天线。前馈式抛物面天线，卡塞格伦式和格雷果里式双镜天线等均属面天线。主要应用于微波和毫米波波段。

定义

面天线是指具有初级馈源并由反射面形成次级辐射场的天线。

原理

面天线是参照光学原理导出的天线，与光学反射镜相似，也是利用反射面的聚焦作用形成平面波束。由焦点发出的射线经抛物面反射后到达与轴线垂直的任一平面(如口径平面)的波程相等且为常数，这说明从抛物面各点的反射线到达任一垂直平面时具有等波程和同相位的特性，这是一切面天线的基础。因而，当馈源或等效馈源的相位中心置于反射面焦点，以喇叭或副反射面辐射的球面波激励主反射面，使主反射面的口径场辐射同相位的平面波，从而在反射面轴向出现最大的能量集中，形成窄波束。抛物面直径D和工作波长λ之比越大，波束越窄，其主瓣半功率点宽度为

能量集中的程度可用天线增益表示，天线增益和D/λ平方成正比，天线直径越大，增益越高。反射面口径的电场分布是决定天线辐射方向性图的重要因素，同相等幅分布时能得到最大增益，但副瓣辐射也大，天线面边缘的电场强度低，副瓣辐射才可能小。为了得到低副瓣电平常采用同相位而振幅按一定函数呈内高外低分布的办法，以满足对卫星通信地球站天线所要求的低副瓣方向性图特性指标，减少对邻近卫星的干扰。口径场分布函数的设计，可以用反射面曲线修正技术达到。类型3.1前馈式面天线前馈式面天线是由馈源喇叭和主反射抛物面组成，如(a)所示。馈源采用主模喇叭机或平面波纹喇叭。多模(HE11+HE12)平面波纹喇叭的照射波束接近扇形，降低了照射波的溢失，使天线效率高达60%以上，并有良好的副瓣辐射方向性图。适用于小型卫星通信地球站，微波中继，卫星电视单收站等。3.2卡塞格伦天线卡塞格伦天线是参照双镜反射光学望远镜的原理，利用后凸双曲面和抛物面的几何光学特性组成的双反射面天线，如图(b)所示，经典形式是由馈源喇叭对副反射面(双曲面)照射，再由副反射面对主反射面(抛物面)照射形成平面波束。由于副反射面的能量均化作用，使主反射面口径利用系数提高，从而提高了天线效率。可适用于长、短焦距系统，一般优于前馈天线。在大中型卡塞格伦天线设计中都采用了对主，副反射面的修正技术，使天线效率高达70%～80%;低旁瓣辐射方向图满足CCIR建议的G(θ)=29—25lgθ的高指标要求。它适用于大中型卫星通信地球站，宇航通信，微波中继，雷达及射电望远镜等。3.3格雷高里天格雷高里天也是双反射面天线。工作原理和卡塞格伦天线基本相同，只是副反射面改用了后凹的对称切割椭圆球面，如图(c)所示。由于椭圆球面的限制，只能应用于长焦距系统。由于在许多场合短焦距系统的电特性优于长焦距系统和结构上较为复杂，虽然格雷高里天线和卡塞格伦天线具有相似的电特性，但应用较少。适用范围和卡塞格伦天线相同。3.4环焦天线环焦天线是另一种双镜天线，又称偏焦轴天线。特点是作为主反射面的焦点不是一个点而是副反射面前的一个焦环，如图(d)所示，与此相适应，采用了散相喇叭，从而使副反射面配合散相喇叭的照射，将所有射线都通过环状焦点再射向主反射面。在环焦的柱体内没有照射能量，因而克服了馈源喇叭直接照射副反射面产生驻波的缺点，并减少了副反射面的遮挡影响。不仅提高了天线效率，而且降低了副瓣电平。也可对主、副反射面进行修正，提高电性能。在小型双镜天线中，环焦天线更具优越性，适用于小型地球站，甚小口径终端站(VSAT)及电视单收地球站等。3.5偏置天线偏置天线有前馈式和双镜式两种。前馈式又称单偏置，实质上是切割抛物面部分曲面，在焦点处放置偏置馈源喇叭，使其仅对偏置反射面照射，如图(e)所示。偏置反射面在视轴方向的投影称偏置天线的口径，口径中心轴线为视轴，指向通信目标。由于馈源偏离视轴，不产生遮挡，故可提高效率，降低副瓣。双镜式又称双偏置天线，有卡塞格伦和格雷高里两种制式。实质上是由切割的部分主反射面和部分副反射面及馈源喇叭组合而成，如图(f)所示。工作原理仍和普通双镜天线相同，只是喇叭和副反射面偏离天线口径，使辐射场不受遮挡。由于偏置天线主反射面不对称，使辐射场交叉极化性能变坏，虽可用提高焦距直径比和减小偏置角得到补偿，但在高指标要求时必须使用赋形技术对主副反射面进行修正，并使用不对称的副反射面以抵消交叉极化变坏的影响。使用特殊设计的双模(HE11+HE21)波纹喇叭作偏置馈源，可使偏置天线的特性达到最佳状态。现代赋形优化设计的双偏置天线，可达到高效率、低交叉极化隔离度和极低的副瓣特性(比CCIR建议的指标G(θ)=29—25lgθ还低10dB)，是高频段小型地球站和VSAT系统最理想的天线。它的缺点是设计和结构均极复杂，使用圆极化时主波束略有偏移，仅适用于小口径天线。微波中继通信中使用的喇叭抛物反射面天线，也属偏置天线，如图(g)所示。3.6多波束天线多波束天线是利用馈源喇叭在面天线焦点处的微量横向偏焦，使波束向焦点相反方向偏离视轴，波束偏离程度在一定范围内和喇叭偏焦距离成正比。基于这种原理，在焦点横向附近放置几个独立的馈源，每个对应馈源便都产生一个偏离主轴不同角度、相互独立的波束，从而形成共同反射面的多波束天线，每个波束可各自借助控制设备改变馈源和焦点相对位置，以改变波束空间的指向，达到对准和跟踪不同卫星的目的。3.7赋形波束天线赋形波束天线用多喇叭组合馈源(可多至100个以上)，馈以不同振幅和相位的射频功率激励反射面，即可形成能提供特定形状波束的赋形天线，还可利用计算机对振幅和相位进行实时控制，改变辐射方向性图，适应更多用途。也可由多喇叭组合馈源直接辐射，形成特定的辐射波束。如区域波束，点波束，半球波束，球波束及余割平方波束等。赋形天线广泛用于星上天线及对空监视雷达和地对空搜索导航雷达天线等。应用多喇叭组合馈源赋形技术和频率复用技术也可构成多波束天线。日本研制的偏置球形反射面多波束天线，在方位一2°～+10°、俯仰0°～4°范围内共有7个独立波束。使用赋形副反射面和辅助副反射面技术，获得了极为优良的技术指标。波束在方位角偏移+8°时，天线增益几乎不减。在俯仰角偏移±2°时增益仅下降了0.2dB，副瓣比现有地面站低10dB，交叉极化电平也极低。

面天线除以上几种外，常见的还有：前馈球形反射面天线，如图(h)所示;球形双反射面天线，如图(i)所示;潜望镜天线等。特性参数及提高性能的方法面天线的特性参数有天线效率，功率增益，辐射方向性图，工作频段，交叉极化鉴别，电压轴比，面板精度，噪声温度等。提高性能的方法主要是利用各种赋形技术对主副反射面进行修正，以满足高质量通信技术指标。对VSAT等小型地球站天线可用偏置天线技术使小口径天线达到高指标要求。对相邻多颗卫星通信，可用多波束天线技术以节约投资。

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