卡塞格伦天线的工作原理
一种W波段低副瓣卡塞格伦双极化天线设计
• 112•本文设计了一种W 波段双极化卡塞格伦天线。
天线口径为1.0m ，由主反射面、副反射面和馈源喇叭组成。
为降低加工难度和成本，馈源喇叭采用双模喇叭，通过优化各种结构参数，实现天线的低副瓣和高交叉极化特性。
经暗室测试， 天线增益达到56dBi ，副瓣电平小于-25dB ，交叉极化达到30dB 以上，在气象雷达产品中得到良好的应用效果。
毫米波因更易于实现高增益、低旁瓣及更好的角探测精度和分辨力，在气象雷达领域得到飞跃的发展。
云目标往往对不同极化电磁波具有不同的散射特性，为了提离云相态信息的探测能力，毫米波气象雷达需具备双极化工作模式。
作为雷达的关键部件，研制高增益、低副瓣、低交叉极化的双极化天线已成为研究的热点。
由于卡塞格伦天线具有增益高、低交叉极化、馈线波导短、口径效率高等优势，已广泛应用于雷达领域。
特别是在W 波段，因其可以大大改善馈线损耗，更是天线设计者的首选。
本文根据总体项目技术要求，采用正馈圆口径卡塞格伦天线，通过优化馈源、副反射面、支杆等关键部件，实现了在W 波段的高增益、低副瓣、低交叉极化的天线性能。
1 天线设计1.1 天线参数设计卡塞格伦天线是双反射面天线中最为常见的一种结构形式，主反射面为抛物面，副反射面为双曲面，馈源的相位中心位于双曲面的一个焦点，而双曲面的另一焦点与抛物面的焦点重合。
正是由于馈源喇叭的后置，大大缩短了馈线长度，降低馈电网络损耗，且便于安装于维修。
对于卡塞格伦天线设计来说，其遮挡主要来源于副反射面口径，因此副面的大小选取显得尤为重要。
根据最小遮挡条件：式中， k w 为馈源波束宽度常数，为减少副面遮挡，D S 取值应尽量小，同时为避免副面的绕射影响，副面取值至少＞7λ。
考虑到天线口径312l （94.58GHz ）左右，副面与主面相比可以很小，副面可以选择D s / D =0.0816。
焦径比的选择要综合考虑馈源系统的尺寸，交叉极化分量等因素。
在本天线设计中，焦径比F /D =0.275，馈源照射角度（相对副面半张角）为25°，照射电平取-20dB ，则双曲面的离心率e =1.8342，双曲面两焦点之间的距离为f =91.306mm 。
第六章 面天线
s
S b a
z
1 1 kb sin 2 1 2 ka sin 2
(1 cos ) sin 1 FE 2 1 (1 cos ) sin 2 FH 2 2
y ds(xs , ys ) x R r y M(r , , ) x
s
S b a
dEH j
z
1 2 r
(1 cos ) E y e jkr dse
Im I O
4、惠更斯源辐射场
dEE j dEH j
1 2 r 1 2 r
(1 cos ) E y e jkr dse (1 cos ) E y e jkr dse
1 FE ( ) FH ( ) (1 cos ) 2
dse
dEH j
1 2 r
(1 cos ) E y e jkr dse
y ds(xs , ys ) x R r
y
M(r , , ) x
s
S O
z
二、平面口径辐射
当观察点很远时，可认为R与r近似平行，R可表示为
R r s er r xs sin cos ys sin sin
( E y dy )dx 2 r
e jkr ea
4、惠更斯源辐射场
在研究天线的方向性时，通常更关注两个主平面的情况， 所以只讨论面元在两个主平面的辐射。H平面（xOz平面） Il jkr
面内，电基本振子产生的辐射场为 2 r
H j
sin e
I l 1 jkr 60 Il jkr m jkr dse E j dEH j e (1 E E y e sin e sin cos ) j 2 r 2 r r y x H E E 0 Hr I ml1 x 0 jkr jkr r H j j dEe dx E y esin e r dse 2H r 0 J r dE E 2
倒置卡塞格伦天线的研究与设计.pdf.doc
代号分类 10701 TN82 学号 密级 1102120954 公开题 （中、英文） 目 倒置卡塞格伦天线的研究与设计Research and Design of InverseCassgrain Antenna作者姓名何润涛指导教师姓名、职称郑会利教授学科门类工学提交论文日期 学科、专业 电磁场与微波技术 二〇一四年一月学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。
本人签名：日期西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。
学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。
同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。
(保密的论文在解密后遵守此规定)本人签名：导师签名：日期日期摘要摘要倒置卡塞格伦天线是在卡塞格伦天线的基础上发展而来的，并将极化扭转技术应用其中。
倒置卡塞格伦天线主要应用在雷达系统当中。
倒置卡塞格伦天线是一种双反射面天线，前面的抛物面主要对电磁波进行反射和透射，后面的反射面对反射回来的电磁波进行极化扭转。
设计的难点在于确定主反射面的光栅尺寸。
本文旨在设计一款工作在8~9GHz的倒置卡塞格伦天线。
设计的核心工作在于确定抛物面的光栅结构以及极化扭转板的整体结构。
卡塞格伦通信天线
卡塞格伦通信天线
天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。
按照天线辐射系统的配置划分，卡塞格伦通信天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成。
卡塞格伦通信天线与普通抛物面天线的差别在于它不仅在结构上多了一个副反射面，而且把馈源安装到了主反射面后面。
卡塞格伦通信天线的优点是天线的效率高，噪声温度低，馈源和低噪声放大器可以安装在天线后方的射频箱里，这样可以减小馈线损耗带来的不利影响，缺点是副反射面极其支干会造成一定的遮挡。
卡塞格伦通信天线具有以下几种特点：
1. 采用修正的发射器，其天线效率高、噪声温度低；
2. 馈源和低噪声放大器可以放在主反射器后部的设备室里，组装性好；
3. 天线辐射方向性好，因此卡塞格伦通信天线可以用于大型地球站通信。
卡塞格伦天线
被抛物面反射成平面波辐射出去。
卡塞格伦天线相
对于抛物面天线来讲，它将馈源的辐射方式由抛物面的前
馈方式改变为后馈方式，这使天线的结构较为紧凑，制作
起来也比较方便。另外卡塞格伦天线可等效为具有长焦距
的抛物面天线，而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各
点的距离接近于常数，因而空间衰耗对馈电器辐射的影响
要小，使得卡塞格伦天线的效率比标准抛物面天线要高。
卡塞格伦天线
结构形式和方向图形式
精品课件
1
卡塞格伦天线的组成部分
卡塞格伦天线由三部分组成，即主反射器、 副反射器和辐射源。其中主反射器为旋转 抛物面，副反射面为旋转双曲面。在结构 上，双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重 合，双曲面焦轴与抛物面的焦轴重合，而 辐射源位于双曲面的另一焦点上，如下图 所示。它是由副反射器对辐射源发出的电 磁波进行的一次反射，将电磁波反射到主 反射器上，然后再经主反射器反射后获得 相应方向的平面波波束，以实现定向发射。
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卡塞格伦天线方向图
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卡塞格伦天线的结构工作原理如图。
精品课件
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卡塞格伦天线
精品课件
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卡塞格伦天线结构原理
当辐射器位于旋转双曲面的实焦点F1处时，由F1发出的射
线经过双曲面反射后的射线，就相当于由双曲面的虚焦点
直接发射出的射线。因此只要是双曲面的虚焦点与抛物面
的焦点相重合，就可使副反射面反射到主反射面上的射线
14.双反射面天线
275
<<天线原理与设计>>讲稿
发生了变化。
二、等效抛物面法
该方法是将卡塞格伦天线等效为一个具有同样馈源和主反射面口径尺寸， 但焦距变为主反射面焦距的 M 倍的普通抛物面天线。 M 为式(12.5)表示的放大倍 数。此时的等效抛物面天线焦径比公式变为
f e = Mf fe 1 ϕ = ctg 0 D 4 2
(a) 虚馈源发出的波较实际馈源的光程短； (b) 馈源尺寸变小了。
等效前：
2θ 0.1 = 2ϕ 0 = K
λ
L
， K 为系数， L 为馈源口径尺寸。
采用虚馈源后： 2θ 0.1 = 2ψ 0 = K
λ
L′
。
因ψ 0 > ϕ 0 ，则馈源口径尺寸等效前后为： L′ < L 这种方法只能估计天线性能，但要作出精确的定量分析较困难，因馈源尺寸
空间衰减因子和口径遮挡影响
12.3.1 空间衰减因子 SA
普通抛物面天线的空间衰减因子为
1 + cosψ 0 SA = 20 lg 2
由等效抛物面法同样可得卡式天线的空间衰减因子为
(12.8)
1 + cos ϕ 0 2 f e sin ϕ 0 SA = 20lg = 20lg 2 D
X 2 +Y 2 = 4 f Z
在 xyz 坐标系下，副反射面的曲面方程为 z x 2 + y 2 = b2 [( ) 2 + 1] − 1 a 式中，
b = a e2 − 1
(12.6)
(12.7) (12.8)
a = f c / 2 − Lv ，为双叶双曲面两个顶点距离的一半，见图 12-3，e 为离心率。
卡塞格伦天线工作原理
卡塞格伦天线工作原理
卡塞格伦天线工作原理
首先分析双曲面的母线(双曲线)的几何光学特性。
卡塞格伦天线要利用双曲线的两个特性：
(a) 双曲线上任意一点N至两焦点的距离之差等于常数，即；
(b) 双曲线上任意一点N处的切线把N点对两焦点的张角平分。
a为双曲线在N点的法线单位矢量，连接并延长之，得。
设
由性质(b)可得，所以，则，这就说明的延长线就是
反射线。
换言之，由点发出的各射线经双曲面反射后，反射线的延长线都
相交于点，即“汇聚"在焦点上。
由此可见，位于焦点的照射器发出的
球面波，经双曲面反射后，其所有的反射线就象从双曲面的另一个焦点发
射出来的一样。
而又与旋转抛物面的焦点重合，所以由双曲面反射到主反射面上的射线，就象从抛物面的焦点F发射出来的，一样，再经抛物面反射后，这些射线都平行于抛物面的焦轴。
参看图22，
由性质2和抛物面的等光程性可知
(63)
再根据性质1并参看图23，有
(64)
将式(63)、(64)相加，可得
(65)
因此，由照射器在点发出的任意射线经双曲面和抛物面反射后，不仅相互平行，而且到达抛物面口径时所经过的路程相等，即照射器发出的球面波变成了平面波。
在卡塞格伦天线中，照射器和副面的组合就相当于一般抛物面天线中安置在焦点F的馈源，称之为组合馈源。
不同类型的抛物面天线介绍及工作原理
不同类型的抛物面天线介绍及工作原理一、普通抛物面天线普通抛物面天线的结构如图3-1所示。
馈源是一种弱方向性天线，安装在抛物面前方的焦点位置上，故普通抛物面天线又称为前馈天线。
由馈源辐射出来的球面波被抛物面往一个方向(天线轴向)反射，形成尖锐的波束，这种情况与探照灯极为相似。
图 3-1 普通抛物面天线的结构图图 3-2 普通抛物面天线的几何关系图抛物面是由抛物线绕它的轴线(z轴)旋转而成的，如图3-2所示。
在yoz平面上，以F为焦点，O为顶点的抛物线方程为：相应的立体坐标方程为：为了便于分析，也可引入极坐标。
令极坐标系(ρ，ψ) 的原点与焦点F重合，则相应的旋转抛物面的方程可表示为：设D为抛物面口径的直径，为口径对焦点所张的角(简称口径张角)，由上述关系式可导出决定抛物面口径张角的抛物面焦径比：焦径比的大小表征了抛物面的结构特征，f/D越大，口径张角越小，抛物面越浅，加工就容易，但馈源离主反射面越远，天线的抗干扰能力就越差，反之亦然。
抛物面具有如下重要的几何光学特性：由焦点发出的各光线经抛物面反射，其反射线都平行于z轴；反之，当平行光线沿z轴入射时，则被抛物面反射而聚焦于F点。
其原因是，由焦点发出的各光线经抛物面反射后到达口径面的行程相等（这一结论可利用抛物线的以下性质来证明：从抛物线任一点到焦点的距离等于该点到准线的距离）。
微波的传播特性与光相似，因此，位于焦点F的馈源所辐射的电磁波经抛物面反射后，在抛物面口径上得到同相波阵面，使电磁波沿天线轴向传播。
如果抛物面口径尺寸为无限大，那么抛物面就把球面波变为理想平面波，能量只沿z轴正方向传播，其它方向辐射为零。
但实际上抛物面的口径是有限的，这时天线的辐射是波源发出的电磁波通过口径面的绕射，它类似于透过屏上小孔的绕射，因而得到的是与口径大小及口径场分布有关的窄波波束。
二、偏馈天线前馈抛物面天线的馈源位于天线的主波束内，因而对所接收的电磁波形成了遮挡，其结果降低了天线的增益，增大了旁瓣。
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标准卡塞格伦天线的组成
标准卡塞格伦天线由主反射面、副反射面和馈源组成。
为了获得聚焦特性，主反射面必须是旋转抛物面，副反射面是旋转双曲面，馈源可以是各种形式，但一般用喇叭作馈源，安装在主、副反射面之间，其相位中心应置于旋转双曲面的焦点上，双曲面的安装应使双曲面的虚焦点与抛物面的焦点重合，如图所示。
卡塞格伦天线整个就是一个轴对称结构。
副反射面通常置于喇叭馈源的远区。
如果喇叭辐射的球面波方向图是旋转对称的，侧卡式天线就具有轴对称性能。
卡塞格伦天线的工作原理
卡式天线的工作原理与抛物面天线的相似，抛物面天线利用抛物面的反射特性，使得由其焦点处的馈源发出的球面波前，经抛物面反射后转变为在抛物面口径上的平面波前，从而使抛物面天线具有锐波束、高增益的性能。
卡式天线在结构上多了一个双曲面。
天线作发射时，由馈源喇叭发出的球面波首先由双曲面反射，然后再经主反射面(抛物面)反射出去。
根据双曲面和抛物面的性质，由F'发出的任
意一条射线到达某一口径面的波程相等，即，则相位中心在F'处的馈源辐射的球面波前，必将在主反射面的口径上变为平面波前，呈现同相场，即S0面为等相位面，使卡式天线具有锐波束、高增益性能。
天线作接收时的过程正好相反，外来平面波前经主、副反射面反射之后，各射线都将汇聚到馈源所在点F'，由喇叭接收。
卡氏天线的优缺点：
优点：（1）馈线短（2）空间衰减SA小（3）减小漏溢（4）等效焦距长（3）设计灵活（7个参数）等
缺点：（1）副反射面的遮挡大，但对要求G很高的天线来说，主反射面很大的话，这个遮挡相对就小。
（2）造价高。
卡塞格伦天线的几何参数
卡式天线的几何参数关系如图所示：
双曲面的四个参量：抛物面有三个参量：
(1) 双曲面直径(1) 抛物面直径dD
(2) 双曲面焦距fc (2) 抛物面焦距f
(3) 双曲面半张角ϕ0 (3) 半张角ψ0
(4) 双曲面顶点到抛物面焦点距离Lv
在这七个参量中，只有四个是独立的，其余三个可根据抛物面和双曲面的几何关系求出。
主、副反射面的方程
在XYZ坐标系下，主反射面的曲面方程为：，副反射面的曲面方程为：
，其中，为双叶双曲面两个顶点距离的一半，e为离心率。