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1、第9章面天线与线天线不同的另一类是面天线（又称口径天线），它们所载的电流是沿天线体的金属表面分布，且面天线的口径尺寸远大于工作波长。面天线长用在无线电频谱的高频段，特别是微波波段。求解面天线问题，通常采用口径场方法，即先由场源求得口径面上的场分布，再求出天线的辐射场。分析的依据是惠更斯-菲涅尔原理，即在空间任意一点的场，是包围天线的闭封曲面上各点的电磁扰动产生的次级辐射在该点叠加的结果。第9章面天线9.1惠更斯元的辐射面天线的结构包括金属导体面S′、金属导体面的开口径S（即口径面）及由S0=S′+S所构成的封闭曲面内的辐射源，如图9-1所示。由
2、于在封闭面上有一部分是导体面S′，所以其上的场为零，这样使得面天线的辐射问题简化为口径面S的辐射，即S0=S′+S→S，设口径上的场分布ES，根据惠更斯-菲涅尔原理,把口径面分割为许多面元dS，称为惠更斯元。图9–1面天线的原理图9–2惠更斯元惠更斯元的方向函数为图9–3惠更斯元的方向图9.2平面口径的辐射微波波段的无线电设备,如抛物面天线及喇叭照射器,它们的口径面S都是平面,所以讨论平面口径的辐射有普遍的实用意义。设平面口径面位于xOy平面上,坐标原点到观察点M的距离为R,面元dS到观察点M的距离为r,如图9-4所示。任意口径面在远处辐射场的
3、一般表达式为图9–4平面口径的辐射1.S为矩形口径时辐射场的特性设矩形口径的尺寸为D1×D2,如图9-5所示。下面讨论两种不同口径分布情形下的辐射特性。1)口径场沿y轴线极化且均匀分布图9-5矩形口径的辐射图9–6矩形口径场均匀分布时的方向图(D1=3λ,D2=2λ)由图9-6可见:最大辐射方向在θ=0°方向上,且当D1/λ和D2/λ都较大时,辐射场的能量主要集中在z轴附近较小的θ角范围内。因此在分析主瓣特性时可认为(1+cosθ)/2≈1。（1）主瓣宽度和旁瓣电平设ψ0.5表示半功率波瓣宽度,即由MATLAB计算或查图9-7可得ψ
4、0.5=1.39,或2sinθ0.5E=0.892sinθ0.5H=0.89图9-7口径辐射方向函数曲线E面和H面最邻近主瓣的第一个峰值均为0.214,所以第一旁瓣电平为20log100.214=-13.2dB(2)方向系数根据第6章中方向系数的定义，有将
5、Emax
6、=和代入上式即得口径场均匀分布的矩形口径的方向系数为2)口径场沿y轴线极化且振幅沿x轴余弦分布（1）主瓣宽度和旁瓣电平2θ0.5E=51°,2θ0.5H=68°E平面第一旁瓣电平为20log100.214=-13.2dBH平面第一旁瓣电平为20log100
7、.071=-23dB(2)方向系数口径场余弦分布的矩形口径的方向系数为式中,υ为口径利用因数,此时υ=0.81,而均匀分布时υ=1。9.3旋转抛物面天线旋转抛物面天线是在通信、雷达和射电天文等系统中广泛使用的一种天线,它是由两部分组成的,其一是抛物线绕其焦轴旋转而成的抛物反射面,反射面一般采用导电性能良好的金属或在其它材料上敷以金属层制成;其二是置于抛物面焦点处的馈源（也称照射器）。馈源把高频导波能量转变成电磁波能量并投向抛物反射面,而抛物反射面将馈源投射过来的球面波沿抛物面的轴向反射出去,从而获得很强的方向性。1.抛物面天线的工作原
8、理及分析方法(1)抛物面天线的工作原理1.抛物面天线的工作原理及分析方法(1)抛物面天线的工作原理抛物面天线的结构如图9-10所示,首先来介绍一下旋转抛物面天线的几何特性。在yz平面上,焦点F在z轴且其顶点通过原点的抛物线方程为y2=4fz(9-3-1)其中,f为焦距。由此抛物线绕OF轴旋转而形成的抛物面方程为:x2+y2=4fz为了分析方便,抛物线方程也经常用原点与焦点F重合的极坐标（ρ,ψ）来表示,即图9–10抛物面几何关系图(2)分析方法通常采用两种方法:①口径场法——根据上节提及的惠更斯原理,抛物面天线的辐射场可以用包围
9、源的任意封闭曲面（S′+S）上各次级波源产生的辐射场的叠加。对于具体的抛物面天线,S′为抛物面的外表面,S为抛物面的开口径。这样,在S′上的场为零,在口径S上各点场的相位相同。所以只要求出口径面上的场分布,就可以利用圆口径同相场的辐射公式来计算天线的辐射场。②面电流法——先求出馈源所辐射的电磁场在反射面上激励的面电流密度分布,然后由面电流密度分布再求抛物面天线的辐射场。2.抛物面天线的辐射特性1)口径场分布计算口径场分布时,要依据两个基本定律——几何光学反射定律和能量守恒定律,而且必须满足以下几个条件:①馈源辐射理想的球面波,即它有一个
10、确定的相位中心并与抛物面的焦点重合;②馈源的后向辐射为零;③抛物面位于馈源辐射场的远区,即不考虑抛物面与馈源之间的耦合。2)方向函
