韋鵬寬 陳金來(lái)

【摘要】本文從面天線的作用入手，列舉了喇叭天線、拋物面天線、卡賽格倫天線和喇叭拋物面天線四種面天線，介紹了幾種面天線的組成和工作原理，還對(duì)卡賽格倫天線和喇叭拋物面天線的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了著重分析。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星通信;線天線;面天線

對(duì)于使用無(wú)線電波通信來(lái)講，要想接收或發(fā)射電波，必須使用天線。由于線天線使用的最高頻段只能是超短波段，也就是米波段，對(duì)于頻率更高的微波段來(lái)講，由于波長(zhǎng)較短，在傳播過(guò)程中其繞射能力很弱，電波主要以直射方式傳播，自然界中的雨、雪、霧的幾何尺寸與其波長(zhǎng)大小相當(dāng)，電波和此相遇，就會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較強(qiáng)的反射和折射作用，改變電波的傳播方向，影響通信質(zhì)量。鑒于這種情況，在微波段，要實(shí)現(xiàn)有效通信，就需采用方向性很強(qiáng)的面天線。

1. 喇叭天線

結(jié)構(gòu)上最簡(jiǎn)單的面天線就是喇叭天線，它是通過(guò)把波導(dǎo)壁逐漸張開(kāi)并延伸而形成的。依據(jù)惠更斯原理，如果把波導(dǎo)管從終端開(kāi)口，理論上就可以形成一個(gè)輻射器。但是，由于開(kāi)口波導(dǎo)的電尺寸小，并且在波導(dǎo)開(kāi)口處波的傳播條件發(fā)生突變還會(huì)形成嚴(yán)重的反射，導(dǎo)致其輻射特性差，所以開(kāi)口波導(dǎo)不能直接當(dāng)作天線使用。喇叭天線是將波導(dǎo)逐漸張開(kāi)而形成的，這樣平緩地張開(kāi)可以改善波導(dǎo)與自由空間在開(kāi)口面上的匹配情況，可以有效改善波導(dǎo)的末端反射狀況，再加上喇叭的口面較大，可以形成較好的定向輻射，從而取得良好的輻射特性，因此喇叭天線在微波天線中得到了廣泛的應(yīng)用。

喇叭天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻帶較寬、功率容量大、調(diào)整與使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，既可以作為獨(dú)立天線，也可以用作反射面天線和透鏡天線的初級(jí)輻射器（即饋源），還能用作收發(fā)共用的雙工天線。特別是新型的多模喇叭和波紋喇叭，其矩形口面具有幾乎為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的方向圖，有利于提高組合天線的效率及增益系數(shù)，以適合衛(wèi)星通信和無(wú)線電天文學(xué)等對(duì)天線特性的更高要求。

2. 拋物面天線

拋物面天線是一種單反射面型天線，其主體結(jié)構(gòu)為“主反射面+饋源”，主反射面是指軸對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)拋物面，饋源通常是指喇叭天線或喇叭天線陣列。由于饋源放置于拋物面的焦點(diǎn)，發(fā)射信號(hào)時(shí)，電磁波從饋源向拋物面輻射經(jīng)拋物面反射后，會(huì)沿拋物面法向平行輻射出去，接收信號(hào)時(shí)，電磁波經(jīng)拋物面反射后匯聚到饋源，這樣可使饋源接收到的信號(hào)能量最大。

拋物面天線廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代微波中繼通信、衛(wèi)星（通信）地面站、雷達(dá)、制導(dǎo)、射電天文等領(lǐng)域。拋物面有三種基本形式，即旋轉(zhuǎn)拋物面、柱形拋物面和切割拋物面，如圖1所示。旋轉(zhuǎn)拋物面是由拋物線旋轉(zhuǎn)而成的，柱形拋物面是由拋物線平移而成的，切割拋物面則是截取旋轉(zhuǎn)拋物面的一部分而構(gòu)成的。旋轉(zhuǎn)拋物面天線是微波波段廣泛應(yīng)用的一種反射面天線。天線的反射面均由金屬良導(dǎo)體，或由在某種介質(zhì)面上鍍上的導(dǎo)電金屬，或由導(dǎo)線柵網(wǎng)構(gòu)成。它主要利用拋物面反射面所具有的將電源發(fā)射的球面波轉(zhuǎn)換成平面波的特點(diǎn)，形成一個(gè)聚合的波束，向指定的方向輻射電磁波。

3. 卡賽格倫天線

卡賽格倫天線是由卡賽光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)展起來(lái)的一種微波天線，主要應(yīng)用于單脈沖雷達(dá)、衛(wèi)星通信和射電天文等領(lǐng)域。如圖2所示，卡賽格倫天線的結(jié)構(gòu)主要有三部分，分別是饋源、主反射面（旋轉(zhuǎn)拋物面M）和副反射面（雙曲面N）。天線主、副反射面的對(duì)稱軸重合，雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)在拋物面的頂點(diǎn)附近，饋源置于該位置上，其虛焦點(diǎn)和拋物面的焦點(diǎn)重合。之所以說(shuō)卡塞格倫天線等效于焦距變長(zhǎng)的拋物面天線，是因?yàn)楫?dāng)發(fā)射信號(hào)時(shí)，電磁波由位于雙曲面實(shí)焦點(diǎn)FP上的饋源發(fā)出球面波，經(jīng)雙曲面反射后，所有的反射線的反向延長(zhǎng)線匯聚于虛焦點(diǎn)F（也是拋物面的焦點(diǎn)），并且反射波的等相位面為以F點(diǎn)為中心的球面，相當(dāng)于在拋物面的焦點(diǎn)處放置了一個(gè)等效球面波源，拋物面的口徑仍然為一等相位面。

卡塞格倫天線具有如下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1.用較短的縱向尺寸實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)焦距拋物面天線的口徑場(chǎng)分布，因而具有高增益、銳波束的特點(diǎn);2.饋源后饋使饋線長(zhǎng)度變短，減少了由傳輸線帶來(lái)的噪聲;3.設(shè)計(jì)時(shí)自由度多，可以靈活地選取主反射面和副反射面的形狀，對(duì)波束進(jìn)行賦形。

4. 喇叭拋物面天線

無(wú)論拋物面天線還是卡塞格倫天線，都會(huì)有一部分由反射面返回的能量被饋源重新吸收，這種現(xiàn)象稱為陰影效應(yīng)。陰影效應(yīng)不僅破壞天線的方向圖形狀，降低了增益系數(shù)，加大了副瓣電平，而且破壞了饋源與傳輸線的匹配。假如我們能把饋源移出二次場(chǎng)的區(qū)域，則陰影效應(yīng)就可以避免了。喇叭拋物面天線正是基于這種考慮提出的。

喇叭拋物面天線是由角錐喇叭饋源及拋物面的一部分構(gòu)成的。饋源喇叭置于拋物面的焦點(diǎn)，并將喇叭的三個(gè)面延伸與拋物面相接，在拋物面正前方留一個(gè)口，讓經(jīng)由拋物面反射的電波發(fā)射出來(lái)，其天線的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

喇叭拋物面天線具有不少優(yōu)越性能：1.由于喇叭很長(zhǎng)，張角又不大，因此它的口徑場(chǎng)分布比較均勻，面積利用系數(shù)得到提高（大于65%）;2.由于喇叭很長(zhǎng)，還有過(guò)渡段，故特性阻抗變換緩慢，并且消除了反射波對(duì)饋源的影響，因此可以在極寬的頻帶內(nèi)獲得較好的匹配;3.由于這種天線三面皆由金屬屏蔽，消除了因饋源能量散開(kāi)所產(chǎn)生的副瓣，反向輻射亦很小。兩付并排放置的喇叭拋物面天線之間隔離度可達(dá)90dB（每副45dB），而兩付靠背喇叭拋物面天線之間的隔離度可達(dá)130dB（每副65dB）。喇叭拋物面的缺點(diǎn)：雖然具有波段復(fù)用能力、效率較高等優(yōu)點(diǎn)，但體積龐大笨重，加工密封不便，成本也較高。為了達(dá)到既能頻段復(fù)用，又有良好的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的目的，研制出了改進(jìn)型的頻段復(fù)用天線。

參考文獻(xiàn)：

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