天线基础知识(2):半波天线与抛物面天线

原标题:天线基础知识(2):半波天线与抛物面天线

这是《天线基础知识(1):天线的功能及特性》的后面部分,主要介绍了传统的半波天线和抛物面天线。

03

半波天线

半波天线(偶极子、赫兹)由两个长度的线杆或管组成,每个长度为特定频率的1/4波长。它是构成许多复杂天线的基本单元。对于偶极子,电流在中心最大,在两端最小。中心电压最小,两端电压最大。

图8 半波偶极子天线

也可以通过将天线在其中心进行划分,并将传输线从最终发射机输出级连接到半波天线的两端,将能量供给半波天线。由于天线是在中心馈电(一个低电压和高电流的点),因此这种类型的馈电方式被称为中心馈电或电流馈电方法。馈电点对于确定要使用的输电线路类型很重要。

电流和电压驻波与并联振荡电路产生的驻波类似。然而,相对于各向同性辐射体的增益恰好为1,半波天线的增益已经达到了1.5左右,而最大辐射来自垂直于天线轴线的方向。

半波偶极子也是由一个简单的振荡电路产生的。我们简单地假设振荡电路的电容器板是分开且弯曲一点的。电容量减小了,但电容器仍然是电容器。当电容器板进一步分开时,电场线必须覆盖越来越大的面积。当电容器的形状再也认不出来时,电场线穿过自由空间,一个正在中心馈电的半波偶极子就形成了。

图 9 离散振荡电路中的偶极子天线

04

抛物面天线

抛物面天线是雷达工程中最常用的安装天线类型。图11展示了抛物线天线。抛物面天线由一个圆形抛物面反射器和位于该反射器焦点上的点源组成。这个点源称为“主辐射器”或“辐射器”。

图10 Gematronik公司生产的气象雷达抛物面天线

图11 抛物面反射器原理

圆形抛物面(抛物面)反射器是由金属构成的,通常是由金属网覆盖在内侧面的框架。金属网槽的宽度必须小于λ/10。这种金属覆盖层形成反射雷达能量的一面镜子。

根据光学原理和解析几何原理,这种类型的反射镜,所有的反射光线都平行于抛物面的轴线,理想情况下,只有一条反射光线平行于主轴,没有旁瓣。电场使辐射器产生球形波。当波阵面的每一部分到达反射面时,波阵面的相位就会发生180度的相移,并以一定的角度向外发射,使得波阵面的所有部分沿平行路径传播

一个理想的雷达天线可以产生一个像铅笔一样的光束。如果反射面是椭圆的,那么它将会产生一个扇形波束。监视雷达在水平和垂直平面采用两种不同的曲率以实现方位面笔形波束和俯仰面余割平方扇形波束的功能。

图11中所示的理想情况在现实中无法实现。由于加工的不平整度,实际抛物线天线的方向图呈锥形。某些雷达设备中主波束的可能在的1或2度到15至20度之间变化。

抛物面天线的辐射方向图包括一个沿传播轴方向的主瓣和几个小的副瓣。在前一章的图3和图4中,这种类型的反射器可以产生非常窄的波束。

抛物面反射器天线的增益G为:

这是一个近似的公式,但在大多数情况下给出了一个很好的指示,同时注意增益会被回波函数修正。

扇形波束天线

4.1

扇形波束天线是一种定向天线,其产生的主瓣在一个维度上具有窄波束宽度,在另一个维度上具有宽波束宽度。这种模式可以通过采用抛物面的非对称部分,如用截断的抛物面反射器,由于反射镜在垂直面上窄,在水平面上宽,因此产生了垂直面上宽,水平面上窄的光束。

图12 扇形波束方向图 a)侧视 b)正视

图13 截断抛物面反射器

这种天线系统一般用于测高设备中(如果反射面旋转90度),由于反射面在水平面上窄,在垂直面上宽,所以产生的波束在水平面上宽,在垂直面上窄。在外形上,测高雷达波束为水平扇形波束,如图14所示。辐射面并不是安装在天线的中间,而是像商业卫星的接收机碟形天线一样侧向安装。这种天线被称为偏置天线。

偏置天线

4.2

与馈电喇叭有关的一个问题是,如果馈电喇叭在波束的路径上,它会产生阴影。阴影是馈电喇叭正前方的一个死点。通常,馈电喇叭会阻碍接收抛物面天线反射器的回波。

为了解决这一问题,辐射器可以从中心偏移,在偏置天线中,因为回波在给的路径之外,所以不会因为孔径堵塞而导致方向图恶化。喇叭口面向上对着抛物线的轴线,且抛物线的下半部分被移除。这样导致是抛物线变短,焦距变大。

图 14 使用偏置天线形成扇形波束的高度探测器

因此,馈电喇叭位置离反射器更远,需要更大的方向性,以避免溢出能量。因此,这种设计需要更大的喇叭,通常建设更加困难和昂贵。

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