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[组图]馈源与极化         ★★★ 【字体:
馈源与极化
作者:imefan    文章来源:本站原创    点击数:    更新时间:2008-2-17    

 

1、馈源

  在卫星电视接收天线系统中,馈源作为天线的初级辐射器,是天线的心脏。作用是:对经反射面反射来的电磁波进行整理,使其极化方向一致,并进行阻抗变换,使馈源中由圆波导传播的电磁波能够变换成高频头中由矩形波导传播的电磁波,从而提高天线的效率。

  馈源分为两大类:
 1)前馈型馈源,适合于普通前馈式抛物面天线使用。常用的有环形槽馈源和单环槽馈源。

 2)后馈型馈源,适合卡塞格伦天线配套使用。常用结构形式有阶梯喇叭、变张角喇叭和圆锥介质加载喇叭等。

连续口径天线或天线阵的初级辐射器,如图1a中照射抛物反射面的喇叭辐射器和图1b中相控阵天线的喇叭辐射器等。常用的馈源型式除了喇叭天线外,还有带反射圆盘的振子、缝隙天线、螺旋天线、对数周期天线和返射天线等。

工作原理

  馈源是反射面天线或透镜天线等天线的一个重要组成部分。它的作用是将来自馈线的射频功率以电磁波的形式向反射面或透镜等辐射,使其在口径上产生合适的场分布,以形成所需的锐波束或赋形波束;同时使由反射面或透镜等边缘外漏溢的功率尽量小,以期实现尽量高的增益。

  以旋转抛物面天线(图1a)为例,对半张角为θm的抛物面,若要求获得高增益,应使馈源照射的功率经反射后在抛物面口径上形成均匀的分布,且只有小量的功率从抛物面边缘向外漏溢。为此,要求馈源的方向图主瓣宽度适当,不宜过宽或过窄,在θm方向的场强一般为轴向(θ=0)场强的1/3左右(即约-10分贝),并且馈源的旁瓣和背瓣应尽量小。同时,还要求馈源辐射的是球面波,以使经抛物面反射后转变为平面波。
  这就是说,馈源的相位方向图应为一球面。这个球面的中心称为相位中心。许多天线辐射的不是理想的球面波。这时要使在抛物面张角范围内的等相位面尽量接近于球面,这个球面的中心就是它的近似相位中心。
  此外,还要求馈源只辐射所需极化的波、与馈线匹配、能在给定的频带内保持优良的性能等,用作发射天线的馈源时还应有足够的功率容量。

  一些特殊用途的天线对馈源还有特殊的要求。这时馈源往往连同传输线元件一起组成具有特定功能的馈源系统,例如单脉冲馈源系统(见单脉冲天线),多波束馈源系统(见多波束天线),频率扫描馈源系统(见频率扫描天线),频谱复用馈源系统和多频共用馈源系统等。

  60年代以来,随着卫星通信、雷达和射电天文等技术的发展,出现了许多高效率馈源。这类馈源具有轴对称的振幅和相位方向图和低旁瓣(在-25甚至-30分贝以下),从而使采用它的反射面天线等实现高增益、低噪声和纯极化。这类新型馈源有:多模喇叭、介质环或介质棒加载喇叭、波纹喇叭,以及综合运用上述技术的复合式多模喇叭等(图2)。多模圆锥喇叭利用喇叭内截面半径或锥角的变化产生与主模TE11成适当比例的高次模(如TM11等),以便合成轴对称的喇叭方向图。介质环或介质棒加载喇叭利用加载效应来产生适当比例的高次模。波纹圆锥喇叭的喇叭壁是带有环形槽的波纹壁,当槽深约为1/4波长时,波纹壁等效导纳接近于零,在槽口处流入槽内的电流也接近为零。这样,在波纹壁上具有电和磁相同的边界条件,从而获得轴向对称的方向图。波纹喇叭虽然造价高,但方向图对称性好、旁瓣低、频带较宽,因而得到广泛应用。

2、极化

  电磁波在空间传播时,其电场矢量的瞬时取向称为电磁波的极化方向。

  如果电磁波在传播过程中电场矢量描出的轨迹,沿电磁波传播的方向看去,为一条直线,则这种电磁波称为线极化波。如果轨迹的直线平行于地平面,称作水平极化波;垂直于地平面称作垂直极化波;若与地平面呈其他角度时,称作斜极化波。

  如果电磁波在传播过程中电场矢量描出的轨迹,沿电磁波传播的方向看去,构成一个顺时针旋转的圆,则称作右旋圆极化波(简称为右旋极化波);构成一个逆时针旋转的圆,则称作左旋圆极化波(简称为左旋极化波)。

  一个线极化波可以分解成两个极化方向相反的圆极化波;也可以分解成为极化方向相互垂直的两个线极化波。电磁波的极化特性决定于发射天线与馈源的结构。接收天线的馈源的极化方式必须与所接收的电磁波的极化方向相匹配,否则,天线效率将会降低。
  由于天线的极化方向与接收电磁波的极化方向相互正交,如果有水平极化天线接收垂直极化波,或用左旋极化天线接收右旋极化波,则接收不到信号。卫星电视广播利用这一特性,实现极化复用,在一个频道带宽内传输极化方向正交的两套电视节目。
  由于只能接收到分解成两个分正交分量的其中一个分量,当采用线极化天线接收圆极化波,或用圆极化天线收线极化波时,信号要衰减3dB。

  线极化波的接收,只需将馈源的方波导口的长边与极化方向垂直即可。但圆极化波的接收则必须经过极化器将圆极化波转变为线极化波,才能实现极化匹配。极化转换是由极化器内的介质片或销钉等装置来完成的。
  接收天线的馈源中,通常设置有极化器,可以通过调节馈源极化器中介质片与方波导口宽边的夹角,来设置天线的极化方式。

文章录入:imefan    责任编辑:ImEfan 
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