短背射天线的设计

发布者:admin 发布时间:2019-10-25 16:55 浏览次数:

  维普资讯 镦 U / a - & 下 发 撤 短 背射 天 线 的 设 计 f q ‘ / , 一 墅 嘴 丁 // / 。 ,^ 1 背射 天线 的基本原 是一 九六零年美 国空军剑桥研 究所 埃勒斯佩 克 H - 提 出来的 。 w 它是 一 种新 型 的高增 益 天线 与 同等长度 的普通 端射八 木天 线相 比较 , 即 背射 天线 的增 益可 提 高 6 ~8分 贝 . 1 ̄2 在 0 0分 贝之 间 , 瓣 电平小 于 2 副 0分 贝。并 具有 纵向 尺寸 小 . 结构 简单优 点。 、 原 理 分 析 短 背 射 天 线 是 由半 波 振 子 为“ 源 ” 背 加 带 一 定 宽 度 边 环 的 大 反 射 器 和 一 平 面 小 反 射 器 构 成 馈 . 背 射 天 线 是 在 端 射 面 天 线 的 理 论 及 实 验 的 基 础 上 逐 步 日【 发 展 起 来 并 渐趋 完 善 的 。端 射 面 天 线 由 深 于 其 照 射 到 反 射 器 上 的 波 常 是 球 面 波 ; 以反 射 器 通 常 做 成 不 同形 式 的 抛 物 面 形 状 一 保 证 位 通 所 以 于 焦 点 上 的馈 源所 辐 射 的球 面 波 . 反 射 器 反 射 后 为平 面 波 辐 射 出 去 。天 线 口径 场 上 的 等 相 位 经 改 面 是 在 于 修 正 曲 面 形 状 而 获 得 的 。 背 射 天线 所 反 射 的 波 是 平 面 波 ( 的 传 播 相 速 小 于 自 由空 问 的 而 波 相 速 ) 所 以 其 反射 器 可 以使 用平 面 反 射 器 。 相 位 面 的 获 得 是 在 于 如 何 选 择 适 当 的 慢 波 结 构 一 其 ; 等 使 相 速 在 轴 上 应 迟后 1 0, 2 。 这样 . 背 射 天 线 的 口 径 面 上 就 形 成 了 等 相 位 面 。 在 一 般 的 端 射 面 天 线都有 一 个 焦点 , 了 获得 良好 的 波 瓣 和 增 益 , 要 求 馈 源 的 相 位 中 心 置 于 为 则 焦 点 上 。而 背 射 天 线 . 获 得 最 佳 工作 状 态 要 求 其 纵 向尺 寸 近 似 于 半 波 长 的 整 数 倍 。实 际 上 . 要 则 背 射 天 线 也 可 以认 为 有 一 个 点 在 , 焦 存 而馈 源 的 相 位 中 心 也 正 好 近 似地 位 于 。 点 ” 。 “ 点 ” 焦 趾 其 焦 位 置 可 按 惠 更斯 原 理 近 似 求 得 。 1 1 短 背 射 天 线 的辐 射 原 理 短 背射 天线 与射 面天线 有许 多 内在 的联系 一 见 ) 短背射 天线 实 际上可 视 为一 种变 形 的端 射面天线 。 辐射 特性只要 加上一些特定 的附加条 件 , 其 就可 利 用 相 似 于 端射 面 天 线 的 分 析 方 法 近 似 求解 . 且有相似 的表示形 式 。 并 下 面 用 波 的 相 干 性 来 分 析 . 图 2 见 。 当 两 列 波 的频 率 相 同 , 输 方 向相 同 , 相 角 相 等 或 相 位 差 恒 定 时 , 样 的 波 叠 加 称 为 波 的 干 传 周 这 涉。 设有 两列波 : El 。 sn(o + ) 一 li t t E2 a sn( t 一 i Ⅲ + ) 2 (. ) 2 1 (. 2 2) 维普资讯 图 1 短 背 射 天 线 短 背射 天 线 辐 射 源 示 意 图 叠加之后 : E= EI E{ 1i m + qI + a sn( + 2 + 一 sn( t  ̄) 2 i ∞t ) A sn( + 0 i “ ) ( .3 2 ) 式中: A= to g 1l  ̄ +2 7 snp 1 sn aC S 十 ac % O 吼 2 os 一 一 当 —2 u时 , n E一 ( I a ) i t ) a + 。 sn( + ( 2 . 4) 一I 或2 当 一 (n+1 时 , 2 ) E ( r 2 ( + (. ) 2 5 一1 % 或 由此 可 见 , 涉 波 的 合 成 振 幅 与 各 波 源 的 初 始 相 位 有 关 . 于 不 同 初 始 相 位 的 两 列 波 相干 结 干 对 果 , 涉 波 的 合 成 振 幅 在 ( 。 和 ( 。之 间变 化 , 对 称 半 渡 振 子 作 蚀 源 的 短 背 天 线 向空 间 干 a +a) a一a) 用 辐 射 的场 . 致 认 为 由 以 下 三 个 部 分 组 成 , 图 2 大 见 。 E 由馈 源 直 接 向表 面 波 反 射 器 而 被 其 反 射 的 波 ; 馈 源 射 向小 反 射 器 R. 而 叉 射 向表 面 波 反 射 器 向空 问 辐 射 的 波 ; 转 E3 边 环 拦 截 的 能 量 . 而 向空 间辐 射 的披 。 被 转 设: E1 asn ∞ + 轨 ) 一 li f t E2 2 i wt 2 一 sn( + ) E3 a sn( t 饥 ) = i c + 3 o ? 1 ? 4 维普资讯 利用式 . ) s 得到合 成波 为: E — A t ( t 0) m + (. ) 2 6 适 当 的 选 择 犬 园 盘 反 射 器 直径 D, 环 宽度 W . 反 射 器 直 径 R 的值 ? 馈 源 与 两 反 射 器 之 间 边 小 及 的距 离 . 得 初 始 相 位 、 、 相 到 之 问 差 等 于 21 n 0 12 … ? 可得 到 : 使 I 一 , ?… 兀一 即 E一 ( +1 +; s n(p + 午 ) )i o t 或 或 (— ) 2 7 背 射 天 线 的 各 种 几何 尺 寸 的 选 择 . 际 上就 是 尽 可 能 使 式 (. ) 的 合 成 振 幅 达 到 最 大 。 实 27中 一 即 : 一 a + a + a A 】 2 3 背射 天线 增 益较高 的原因是 比较充 分地 利 用了馈源 的能量 . 即合理 的选 择 了 D? , I , 。 w R, , ( 大反射 面到小 反射 面之间的距 离, L一 I 犬反射 面到振子 闻的距 离) 前 人 已经傲 过 的实验 证 一 按 明: D 一 2. 24 W -÷~÷ 二 R一 0 5 . (. ) 2 8 振 子 长 度 Il 、 时 , 背 射 天线 处 于 晟 佳 工 作 状 态 。 ,=0 5 【 短 1 2 边 环 的 作 用 . 短 背 射 天 线 的 表 面 波 反 射 器 四 周 加 上 了 一 个 具 有 一 定 宽 度 的边 环 。 环 的作 用 有 时 明 显 ? 时 边 有 不明显 , 这是 因 为边环拦 截 了部 分能量 . 当其 尺寸选择 的 合适 时 ? 边环 和馈 源 之问就 有足 够 的耦 台 时, 此时 边环 的 作 用 十 分 明 显 , 之 亦 然 。 反 边 环 的作 用 可 等 效 于 表 面 波 反 射 器 直 径 D 的有 效 电 尺 寸 的 增 加 。有 效 电 尺 寸 的 增 量 ( 为 有 称 效 电 增 量 , 为 △ f 为 :见 图 3 记 ) f ) △f 一 sn ia (. ) 2 9 其 中 : a / —h 4 g w: 边环 宽度 w≈÷ D: 面渡 反 射 器 直 径 的 几何 尺 寸 。 表 由 上 式 可 知 , 着 表 面波 反 射 器 直 径 D 的增 加 , 趋 于 零 , 随 a渐 由△ r也 趋 于 零 , 样 , 环 的 作 这 边 用也就 不明显 了。 值 得 注 意 的 是 : 背 射 天 线 的 表 面 波 反 射 器 直 径 D 应 量 取 在 最 佳 值 附 近 , 想 用 增 大 表 面 波 短 若 反射器直径 D 的办 法来提 高天线增益是 不可能 的. 因为此 时的方 向图将 发生 畸变。图 4为△rr / 随 D/ X的变化 曲线 . 由图 可见 . 随着 D h / 的增加△rf 来越 小 了。 /越 我们选择 合适 的边 环尺寸 ( 约取 w x 4左 右 ) 就 能 使 合 成 辐射 场 增 强 。 / . 、 维普资讯 ~ j t E i j 一 ‘ f . i : { . ‘ 4 髑《;。 \ l¨ _ ● ~… 。 一 一 ~ 溺 ‰ 图 3 有 嫂电增 量 图 4 A rr随 D/ 变 化 曲线 短 背 射 天 线 的 辐 射 特 性 . 短 背 射 天 线 口径 面 处 的 场 分 布 由 E 、 、 : 加 而 成 f 图 2 . 样 辐 射 场 可 用 下 式 近 似 计 E 叠 见 )这 算: 一】 h Ej } =j E 一j £ r +COS ) s I 0 Ie f + cos ys 1 o fe p P dd 。 p ̄ p d. d ( . 0 2i) 由于 大 反 射 器 直 径 D一 2 2 . 环 高 w 一 0 2 a. 也 可 取 0 5c , 反 射 器 R 0 5 ? 取 .4 边 5o ( . ^) 小 ? 且 焦距 【 _ / . 对 称 半 波 振 子 作 “ 源 ” 向 囝 呈 ’’ 形 , 接 照 射 列 表 面 反 射 器 能 量 为 约 0 = 2 以 馈 方 8字 直 - 4 E ( 照射 角 10度 左 右 中 f,,l !. ) 经 小 反 射 器 R 照 射 到 表 面 波 反 射 器 上 的 能 6 。其 3 集 li l  ̄0 4 J 6倍 量 大 约 0 4 E ( 照 射 角 1 0度 左 右 ) 其 杂 能 量 认 为被 边 环 所 拦 截 约 0 1E 。 如 图 5所 示 。 . 3 。其 2 。 .I 晒 , i _ _ } 一 、 ; 。 l L一 一 1 I { ~; } l j j , 忡 一 乙k誊l — 土 ! , t ?薹 蝴 z ∞ lt : 』 … 一… 一 , … i0 1 2 】3 i 11 z 0 1豫 l: 1 11 20 图 5 口径 场 能 量 分 布 的 叠 加 法 由 图 5可 知 . 口径 场 在 某 一 区域 是 等 幅分 布 的 ? 以 : 所 E —A( +c s )I E P p e H 1 o0I 品 d d +IE o p ̄  ̄ f 2d I e 。 ‘ + 翟 d I e E1 0i 0 d ( ,-… 其中: 一 k i。 ?l6 ? 维普资讯 k i 。 k k一 ^O n 日 JP 为第一 阶 贝塞尔 函数 。 1‘ ) EH和 民 的 方 向 图 具 有 相 同 的 形 状 。 所 以 , 向 性 函数 为 : 方 F( 0 E。圬 F( 0 I I : ( 1 [ r i (. 2 2 1) 14 增 益 计 算 . 参 考 卡塞 尔 格 伦 天 线 及其 它 天 线 . 上 实 践 经 验 ? 背 射 天 线 在 最 佳 效 率 发 挥 情 况 , 率 1 加 短 效 6 左 右 . 0 因而工 程 上天线 的增益 由 F式计算 : G=丽 1 (_ 3 2l ) 和 同等长度 的八术天线相 比短背 ! 天线 增益较 高的原 别是 : I 寸 l 馈 源 的 相 位 中 心 置于 虚 。 点 ” 了 ; 将 焦 上 2 边 环起 了作 用 ; 、 . 3 表 面波 反 射 器 起 到 了 凋 整 天 线 f径 相 位 和 幅 度 分 布 的 作 用 ? 得 天 线 口径 场 更 趋 于 理 想 情 、 1 使 况 =、 短背射天 线的设计 当 某 一 天 线 的增 益 在 】  ̄ 2d 时 . 用 短 背 射 天 线 是 适 宜 的 . 且 它 的 天 线 方 向 嗣 的 副 瓣 巾 0 0B 使 而 平 及后 瓣 电 平 都 很 低 。根 据 短 背 射 天 线 的 基 本 理 沦干 实 验 数 据 ? u 制作 的 原 理 样 机 ( 圈 ¨选 定 以 F 见 基本 结 构 参数 : D=2 2 . 4 W =0 2~ 1O .5 . k R一 0 k .5 ^ = 69 n .76 m a r 天 线 的 馈 源采 用 的 半 波 掠 子 . 子 长 度 可 微 调 。 振 在 确 定 了 以 上 结 构 参 数 以 后 .一 【 的 选 取 却 直 接 影 响 着 天 线 的 增 益 、 藤 宽 度 及 副瓣 电平 J 渡 在设 计 中 . 们 制 作 的 原理 样 机 上 J w 是 可 调 的 . 【 J 在 0 2 ^~ 1 2 之 问 变 化 来 进 我 L、 R 使 、 . 5 . 行实验 ; L在 0 4 X ̄ 0 6 内 调 节 . 的 选 择 与 驻 波 变化 关 系 密切 。 . 2o . 它 此 天线 的全 部测试是 在室外 天线 专 用测试 场地 进行 . 测天线 与 参考 天线米 ? 两 天 线 同 时 被 架 高 4米 , 在天 线 口 面周 围铺 有 吸 收 材 料 。 首先 使 边 环 的 宽 度 约 等 于 0 1 . 后 将 馈 源 的 相 位 中心 分 别 置 于 离 表 面 沾 反 射 器 轴 向 下同 . 5 .然 的 距 离 【, 究 天 线 的远 场 辐 射 特 性实 验 证 明 当馈 源 的 相 位 中 心 放 置 在 天 线 的虚 “ 点 ” 即 此 时 研 焦 上 J 10 时 . 节 小 反 射 面 与太 反 射 面 之 问 的距 离 l 天 线 增 益 最 大 但 此 时 天 线 的 纵 向 尺 寸偏 “= . 调 一 大 . 构 上 不宜 实 现 结 故选 取 【 一0 5.凋节 I .X 。再使 其 增 益 最 大 . 然 此 状 态下 天 线 的 增 益 镄 源 虽 置 在 l 10 时 下 降 0 5分 贝 . 其它 电性 能 仍 然 比较 好 。其 优 点 是犬 地 敞 小 了扪 械 R 改 一 . 、 但 ? t ? 维普资讯 其 重 量 , 构 上 简 单 易 行 . 易 于 飞 机 上 的安 装 使 用 。 结 更 其 次 当 馈 源 的相 位 中 心 置 于 1_ . 5 。 . 0 2 ~ 10 之 间 进 行 调 节 边 环 尺 寸 w ? 斌 =0 2 x 时 在 . 5 l . 测 结 果 表 明 当 w 约 等 于 0 5 时 . 获 得 较 好 的 电性 能 。 . 可 最 后 当 I 、 w 的 尺 寸 确 定 之 后 . 们 对 其 尺 寸 在 基 准 位 置 附 近 进 行 微 调 找 出 最 佳 点 ? 获 】 我 以 得 最 大 的 增 益 和 撮 佳 的 远 场 辐 射 特 性从 大 量 的 实 验 记 录 中 选 取 一 组 最 优 化 I . 值 技对 应 w I 值如 下 : D — l 6 m m 5 Lb J7 m — m W 一 3 . m n 7 5 x 『R= 3 m m J 5 R一 3 mm 5 其 方 向 图 见 附 录 1 从 图 中 可 以 看 出 , 线B 波 瓣 宽 度 E 面 和 H 面 均 为 3 。增 益 为 J. . 天 d 0. 5 】B. 瓣 电平 低 于 2 d 其 它 尺 寸 . 括 阻 抗 匹 配 . 响 驻 波 性 能 的 参 数 及结 构 外 形 均 应 在 不 影 响 d 副 0 B。 包 影 天线 电性 能 的条件 下进行 设计实验 。 利 用 本 文 中的 计。 公式 . 们 编 制 了计 算 天 线 方 向 图 及增 益 的 F 我 0RTRAN 程 序 ( ) 算 . 略 计 结 果 见 附 录 2 。 三 、 束 语 结 从计 算结果 绘制 的 方向 图曲线可 以看 出理论上 的天线 方 向图 和实 测 的天线 方 向冈基布 吻 台。 若 要 更 高 的 增 益 (0分 贝 以 上 ) 可 将 几 个 趟 背 射 天线 作 为 天 线 阵 的单 元 排 列 起 来 一 成 天 线 . 组 得 。 短背 射天线 属于 一种反 射嚣 的赋形技 术 . 其独 特 之 处 在 于 纵 向 尺 寸 较 短 . 益 高 、 构 简 单 加 增 结 工 方 便 . 且 E 面 和 H 几 具 有相 同 的 方 罔 . 州具 有 较 高 的迂 州 性和 可 靠 性 。在 卫 蟹通 讯 、 并 同 遥 测 和 跟 踪 中得 到 广 泛 的 应 . 天 线 的小 型 化 设 i提 供 了 一 种 有效 途 径 。 为 i ’ 四 、 考资料 参 l《 线原理 》 、天 国 防 工 业 出版 社 2 《 t. 程 ≥ 、 电i,- , T 3《 波工程 手册 》 、微 电讯 工 程编 辑 部 微 波 工 程 手 册 编 译 组 维普资讯 附 录 L 背 射 天 线 实 测 方 向 图 甜 录 2 背 元 线 理 论 方 『 图 三 ]


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