天线原理与设计_讲义10

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1、199《天线原理与设计》讲稿王建第八章口径天线理论基础在第七章以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。既使是第七章的开槽缝隙天线，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，还将遇到金属导体构成的口径天线和反射面天线。有时我们统称为口面天线。它们包括：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。见P169图8-1。它们的尺寸可以是波长的十几到几十倍以上。口面天线的分析模型如图8-1所示：图8-1口面天线的分析模型S′为天线金属导体面，为开口面，SS′＋构成一

2、个封闭面，封闭面内有一源。S对这样一个分析模型，要求解空间某点p处的电磁场EP、HP。它们可描述为由两部分组成：一部分是源的直达波，一部分是由天线导体面上感应电流产生的散射场。这种分析方法我们称之为面电流法。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。口径场法步骤：1、解内问题，即由场源求得口面上的场分布；2、解外问题，即由口面上场分布求解远区辐射场。由此可见，反射面天线也可用口径场法分析。喇叭天线一类：口径场法；反射面天线一类：口经场法，面电流法。（近似方法）有的反射面天线如抛物环面，

3、由于口径场不易确定，还只得用面电流法。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L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。但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，这就须由惠更斯—菲涅尔原理来说明。200《天线原理与设计》讲稿王建8.1惠更斯—菲涅尔原理见P181图8-7。经典波动光学指出，围绕振荡源作一封

4、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点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。把这个原理应用于天线问题，即是空间某点P处的场，是包围天线的一个封闭面上各点的次级场在P点处迭加的结果。对口面天线，所作封闭面有一部分是金属导体面S′(见图8-2)。其外表面上的场为零，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S的辐射。图8-2口径天线分析模型示意求解口面天线的辐射场，须先求得开口面上的场分布，然后按惠更斯—菲涅尔原理，把开口面分割成许多小面元。根据面元的辐射场，并在整个开口面上S积分，最

5、后可求得口面天线的辐射场。要按照这个过程求解口面天线的辐射场，还有一个问题必须解决，因为我们知道，要求解一个辐射系统的辐射场，是根据振荡源(电流源J和磁流源MJ())m来求解的，而不是直接由场来求场。根据等效原理，就可将口面天线口径面上的电磁场等效为电、磁流。8.2等效原理用图解说明这个问题，见图8-3。该图说明的是：已知口径面上的场SE和sH，如何等效为电磁流和JM，进而求远区场？s图8-3口径天线等效原理示意图201《天线原理与设计》讲稿王建由惠更斯—菲涅尔原理我们已经说明了天线口径面上的每一点可看作一个小振荡源。原来天线在空间某点产生的场等同于其口径面上分布的所有次级源S在该点产生的

6、场，而天线口径面上的次级源分布等效于原来天线内部的源分布。以口径面上的次级源分布代替实际源分布以后，封闭面内的场SEH==0，但封闭面外的场不变，口径面S上的电磁场的切向分量nˆ×H和nˆ×E也不变。ss在新的分析系统中(见图b)，口径面的内外侧，电磁场由S0值跃变为H和E，ss即发生了不连续，这种不连续只有在存在相应的面电流J和面磁流M时才能发ss生。因此证明了口径面上的SJ和M分别为：ss⎧JH=×nˆss⎨(8.1)⎩ME=−×nˆss假设口面天线的口径场E和H已知，口径面上的等效电流J和等效磁流sssM由式(8.1)确定，由此等效电磁流就可借助矢量位求解辐射场。s8.3矢位法由电磁

7、场理论可知，电流J和磁流M产生的矢量位分别为：ss−jβR⎧μe0⎪AJ=ds∫∫s⎪4πsR⎨(8.2)−jβRεe⎪0FM=ds⎪∫∫s⎩4πsR若空间某处放置有口径面，口径面上有电磁流分布SSJ和M，如图8-4ss所示。在面上取一小面元Sds′，它到坐标原点的距离为r′，到远区的距离为R，坐标原点到远区某点的距离为。rh波程差：rRrrr−=⋅=ˆ′′cosψ(8.3)式中，ψ为r与r′的空间夹角。由式(8.2)有