多反射锅形天线

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1、...多反射锅形天线保罗韦德W1GHZ©2004w1ghz@arrl.net导言具有多个反射的锅形天线，如在图1的OH2AUE1卡塞格伦天线，看起来像是锅的主要问题之一（将微波导向馈源）的一个明显的解决方案。传统的主焦点锅，馈源在焦点上，它在抛物面反射面前，所以要不就需要有高损耗馈线，要不就有一部分设备的在馈源附近。后者对接收系统是合理的，因为低噪声放大器相当紧凑，但高功率的发射机往往是又大又重的。卡塞格伦天线和类似的多反射面天线，让馈源放置在一个更方便的点上，接近顶点（抛物面反射面的中心），馈线可以通过锅的中心。但是，进一步的分析表明，这种

2、优势不仅仅是方便一点，真正的好处是次反射面可以用来重塑对反射面的辐照而达到更好的性能。重塑辐照对非常深的锅特别重要，因为对f/D小于约0.3的锅没有良好的馈源，而浅锅（f/D>0.6）是有一些非常有效的馈源的。通过适当地塑造次反射面，我们可能会使用一个很好的馈源，来有效地辐照一面深锅。我们观查的多反射式天线，将分析的卡塞格林型和格雷戈里型天线共同的一些配置细节，然后检查一些业余爱好者不太可能建造的其他类型，虽然不太可能自制但可能有一天找到个别人剩的。我们将看到反射面很大时，多反射面工作非常好。对于较小的锅，我们必须作出折中，看是哪方面降低效率

3、；然而，我们也可以作出一些近似，使我们把各类损耗量化，对是否值得额外增加复杂性作出一个合理的判断。几何反射面天线利用的曲线称为圆锥曲线2，因为它们的形状是圆锥的切面外形，如图2所示。除了抛物线，还有其他形状：圆、椭圆和双曲线。我们将把它们当成平面曲线画出，即二维形式，但有用的反射面形状是三维的，是围绕平面曲线的对称轴旋转生成的。最有用的反射面是抛物面，如图3所示。抛物面有可贵的性质，从焦点产生的光或者射频经过反射后成为平行的路径，形成一个窄波束。所有从焦点出发到达开口平面，或者说任意远的平行平面，这些路径具有相同的长度——你也可以用尺在图3中

4、量一量。因为所有的射线具有相同的路径长度，所以他们有相同的相位并且波束是相干的。这种现象是双向的——从一个遥远辐射源发出的射线经过反射会在焦点汇合成一点。在抛物线的对称轴是通过顶点和焦点的轴线，如果我们把这个抛物线轴向旋转，我们就得到了熟悉的抛物面天线。多重反射系统最初是在光学望远镜3发展起来的，远早于无线电。因此，我们将从一个望远镜设计的简要概述开始。他们都具有同样的重要性质——射线路径都必须具有相同的长度。牛顿望远镜（艾萨克牛顿，16684）图4是一个单独的抛物面反射镜。二次反射为一个平面，斜着插入光路（焦点前），但这个平面并没有影响光束

5、形状，只是改变了它的方向。锅形天线也可以使用平面反射重新定向焦点，但是只有当焦距足够长才能把焦点移出主光束。不同的是，一个典型的望远镜为长焦距，焦距也许是反射面直径的8倍（f/8为光学术语，或者用天线术语为：f/D=8），而一个典型的锅面天线的焦距还不到反射面直径的一半（f/D<0.5）。格雷戈里望远镜（詹姆斯格雷戈里，16634）如图5，增加了一个椭圆形次反射面来重塑光束，缩短了望远镜，将焦点移到主反射面中心后面的方便位置。椭圆有两个焦点，一个很好......的性质是光线从一个焦点发出经过反射后将会聚到另一个焦点上，如在图5b所示。如果椭圆

6、的大部分被删除，表现为从第一个焦点发出的光线被反射到了第二个焦点上，只是角度可能被调整了。对于一个天线，一次反射面可以是个深锅，一次反射波束很宽（角度很大），经过二次椭球面二次反射被重塑成窄角度波束，这样使用馈源喇叭口效率将提高。宽波束表现为来自椭圆的第二个焦点，所以我们必须让这个焦点与主抛物反射面的焦点重合。在卡塞格林望远镜（源自M·卡塞格林，1672，虽然不知道他发表过什么4）在图6中有一个双曲次反射面，而不是椭圆，但具有相同的功能。双曲线由两个镜像曲线组成，也有两个焦点，在图6b所示。曲线在两个焦点之间，对于一个反射面只需要一条曲线。光

7、线从曲线的凸侧焦点发出，在双曲线上反射，反射光线表现为从曲线背后的焦点发出。反射面背后的焦点，在凹侧，被称为虚焦点，因为光线并没有到达那里。我们必须让这个虚焦点和主抛物面反射镜的焦点一致。该双曲线曲率也可以调整，以重塑出需要的光束。最后要讲的圆锥曲线是圆，它也用于望远镜和天线，成为一个球形主反射面和双曲次反射面。球面比抛物面更容易制造，如果焦距远大于直径，两条曲线之间的差别很小——经典的镜头设计就源于这种近似！一个阿施密特-卡塞格林望远镜5（图7）就是一个球反射面，而不是抛物面，并且在开口前用“修正板”来补偿差异。该修正板是塑料板材，其厚度是

8、变化的，以弥补球面曲线所造成的路径长度误差，使所有光线总路径长度相同。在商业版本中，双曲次反射面是熔铸在校正板上的。我们会在以后更详细地研究这些天线设计，以及望远镜