讲义-口径天线基础

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1、《天线原理》讲义郭景丽邹艳林第十一章口径天线基础之前我们讨论的是线状天线，其特点是天线呈直线、折线或曲线状，且天线的尺寸为波长的几分之一或数个波长。所构成的基本理论称之为线天线理论。即使开槽缝隙天线，在分析时也是借助了缝隙天线的互补天线—金属线天线来分析。在实际工作中，还将遇到金属导体或介质构成的口径天线和反射面天线。有时我们统称为口面天线。面天线，顾名思义因为这类天线所载的电流是分布在金属面或介质面上的，而且其口径尺寸远大于工作波长，可以是波长的十几到几十倍以上。主要包括：喇叭天线、透镜天线、抛物面天线、双反射面的卡塞格伦天线等。天线通常由两部分组

2、成：一是初级源，例如抛物面天线的喇叭馈源；一是形成方向性的部件，例如抛物面反射器。(a)喇叭天线(b)龙伯透镜天线(c)抛物面天线(d)卡塞格伦天线图11.1常见口径天线在微波通信中，由于波长很短，往往采用口径面天线来辐射(或接收)电磁能1西安电子科技大学量。所有口径面天线都有一个明显的口径面（简称口面），电磁能量通过口面辐射（或接收）。如图所示喇叭天线的口面为矩形平面，抛物面天线的口面的口面为圆形平面。对于面天线而言，由于辐射（或接收）的电磁能量都必须经过其口面，因此，有理由将口面看成是面天线辐射场的（等效）源。口面天线的分析模型如下图所示：图11

3、.2口径天线分析模型S为天线金属导体面，S为开口面，S＋S构成一个封闭面，封闭面内有1212vv一源。对这样一个分析模型，要求解空间某点p处的电磁场E、H，一般采用pp两种近似求解方法。（1）面电流法：以馈源的初级辐射电磁场在金属表面产生的表面电流为依据，计算辐射场。表面电流密度与馈源的初级辐射场之间近似满足如下关系：vvJ=nˆ×H(11.1)Sivv式中：J为金属反射面的表面电流密度；H为金属表面处馈源的初级辐射Si磁场；nˆ为金属表面的法向单位矢量。上式仅对于平面波入射到无限大金属平面的情况才是精确的，所以面电流法v是一种近似方法。求得J后即可

4、用表面积分求矢量位A，进而求得辐射场。S面电流法对反射面天线有效，它是分析反射面天线的方法之一。但是，面电流法对喇叭天线、波导口天线一类的口径天线无效，或者说处理很难。我们可采用口径场法。（2）口径场法：第一步：解内问题，即利用几何光学法由场源求出面天线口面上的场分布。所谓几何光学法即把电磁波视为一束束光线，后一点的场被认为是“光源”发出2《天线原理》讲义郭景丽邹艳林的场（光线）经直线路径传过来的，传播过程中满足几何光学的反射、折射定律，且由光源到场点的直线路径长度决定该场点场的相位。第二步：解外问题，即利用惠更斯原理，由口径场求解辐射场（此为波动光

5、学法）。口面场法的第一步是近似的，只有当频率无限大时，几何光学法才是精确的。但对于微波波段，此法是一种比较合理的近似方法。由上，喇叭天线一类可用口径场法分析；反射面天线一类可用口经场法或者面电流法分析。有的反射面天线如抛物环面，由于口径场不易确定，则只能用面电流法。口径场法和面电流法都是近似的方法，它们只能求出口径面前方半空间的辐射场，口面后方半空间的场无法求得。实际上口面天线的外表面及口径边缘上均有感应电流。这部分电流就是对口面天线后向辐射的主要贡献。通常的做法是采用几何绕射理论，求由边缘L产生的绕射。值得说明的是，口面天线的边缘绕射场与前方半空间

6、的场相比是微不足道的。如果采用口径场法，那么，现在的问题是：能否用口径天线口面上的场分布来确定天线辐射场？回答是肯定的，这就由惠更斯—菲涅尔原理来说明。11.1惠更斯—菲涅尔原理与等效原理11.1.1惠更斯—菲涅尔原理经典波动光学指出，围绕振荡源作一封闭面，封闭面外任意一点P处的场可看作是：把封闭面上每一点都看作是一个新的小振荡源，每个小振荡源在P处产生的场的总和构成了该系统在P点处的场。这就是惠更斯—菲涅尔原理。图11.3惠更斯-菲涅尔原理示意图把这个原理应用于天线问题，即在空间任一点的场，是包围天线的封闭曲面上各点的电磁扰动产生的次级辐射在该点叠

7、加的结果。3西安电子科技大学在波的传播过程中，波所经过的任意截面（或波阵面）上的每一个质点都可看作新的（子）波源，这些波源发出子波，波阵面上所有波源发出的子波在空间一点迭加即决定了该点的波的强度。尽管面天线辐射场的真实源并不在口面上（对喇叭天线：场源为馈电波导中的导行波；对旋转抛物面天线：场源为置于焦点处的初级辐射器），但是惠更斯原理却为“口面等效源”提供了理论依据，进而成为分析面天线的理论基础。对口面天线，所作封闭面有一部分是金属导体面S′(见图11.4)，其外表面上的场为零(这是为了使问题简化而做的假设，这种假设必然会引起误差，但在许多实际情况下

8、误差不大，其影响可以忽略)，所以，按惠更斯—菲涅尔原理，口面天线的辐射问题，简化为开口面的辐射。图11.4口