微波通信系统用天线：抛物面天线与卡塞格林天线

微波通信系统天线，最常用到的类型是我们常称为的抛物面天线和卡塞格林天线，现对其相关概念做一介绍。

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一、抛物面天线

1、抛物面天线的相关术语与定义

在我国国家标准GB/T 14733.10《电信术语 天线》中给出了有关抛物面天线的术语有：抛物面反射器、抛物环面反射器、抛物面反射器天线、抛物柱面天线，它们的定义及中英文对照等汇集在下表1-1中。

表1-1：关于抛物面天线与卡塞格林天线的术语与定义

另外，还有一种被称作栅格抛物面天线，在我国通信行业标准YD/T 508.2《栅格抛物面通信天线技术条件》中的定义是：一定数量、一定截面形状的抛物面金属条按一定间隔、一定规律、平行排列，它们所在切面为一旋转抛物面，以此作为反射面的天线。

2、抛物面天线的结构

微波通信中通常使用旋转抛物面天线，它主要利用抛物反射面所具有的将点源发射的球面波转换成平面波的特点，形成一个聚合的波束，向指定的方向辐射电磁波。

旋转抛物面天线的结构如图1-2所示。它由两部分组成，一部分是旋转抛物反射面，其形状是由抛物线绕其轴线旋转而成的，是用金属制成的反射镜；另一部分是安装在抛物面焦点上的初级辐射器（又称馈源），这是弱方向性天线，常用的是带反射圆盘的半波振子或小喇叭天线。馈源与馈线相连，由馈线传来的微波信号经馈源转换为初级辐射的球面电磁波投向抛物面，抛物面再将此球面电磁波转变为平面波射向空间。

图1-2：旋转抛物面天线结构及几何关系

旋转抛物面具有如下表1-2所示的两个重要性质。因此，当照射器位于抛物面的焦点F时，由照射器发射到反射面的球面波可以经反射后形成一个平面等相位辐射口面，波以此等相位辐射口面作为二次辐射源，产生一个高方向性的波束。由于抛物面能将位于焦点处的点源发出的球面波反射形成平面波波束，因而具有强方向性、高增益和低损耗的特点。

表1-2：旋转抛物面具有的重要性质

在图1-2中，A是抛物面的口径面积，它是由抛物面的边缘线形成的；F是抛物面的焦点；f=OF是抛物面的焦距；原点O是抛物面的顶点；OZ是抛物面的轴线；2φ₀是抛物面的张角；2R₀ = D₀是口面直径。

3、抛物面天线的主要性能参数

影响抛物面天线性能的一个几何参数是口径焦距比D₀/ f或口径张角2φ₀，二者有如下关系

抛物面天线的增益G可用天线口径面积A用下式表示，式中，η是抛物面天线的口径利用系数，定义为天线有效面积Ae与抛物面天线口径面积之比值，一般只能达到50%~60%。

G = 4πAη / λ²

或

抛物面天线的半功率角可根据天线尺寸和波长按近似公式估算，即

θ_3dB = （λ/2R₀）×70°

4、抛物面天线的型谱系列

在我国国家标准GB/T 6361《微波接力通信系统 抛物面天线型谱系列》中，规定了微波接力通信系统抛物面天线的频段、型号、口径增益、半功率角、前后比、驻波比、隔离度和交叉极化鉴别率等（不涉及天线的结构和馈电方式），适用于工作频率在0.335~40GHz的微波接力通信系统抛物面天线

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二、卡塞格林天线

1、卡塞格林天线的定义

在我国国家标准GB/T 14733.10《电信术语 天线》中给出的卡塞格林天线的术语称为卡塞格林反射器天线，其定义及中英文对照等也汇集在表1-1中。由定义可知，它是抛物面天线的一种特殊形式。

2、卡塞格林天线的结构

卡塞格林天线是双反射面天线，被广泛使用，如图2-2所示，其实它是从抛物面天线演变而来。它由两个反射面，一个作为主反射面，另一个作为副反射面。这种天线，馈源辐射的电磁波首先射向副反射面，副反射面反射后再射向主反射面，经主反射面反射以后才射向远区的空间。主反射面仍是旋转抛物面，副反射面是一叶旋转双曲面，经副、主反射面两次反射后在抛物面上得到的仍是同相的口面场，根据这种天线系统的几何关系很容易了解这一点。

图2-2：卡塞格林天线示意图

当将馈源的相位中心放在O₂上，把抛物面的焦点F放在旋转双曲面的另一焦点O₁上时，在O₂的馈源发出的球面波经两次反射后在抛物面口面上得到的是同相的初始场。这是因为点馈源在O₂发出的入射线O₂P经双曲面反射而成的反射线将和从抛物面焦点O₁处发出的射线相重合，也就是从点O₂发出经双曲面反射后射向抛物面的射线在行进方向上与从抛物面的焦点直接发出的射线相同。因此，经抛物面反射后的射线都与抛物面轴线平行。

卡塞格林天线把普通抛物面天线的激励从前馈方式改为后馈方式，馈源可以安装在抛物面顶点附近，不仅馈源安装容易，使整个天线的结构较为紧凑，而且提高了天线馈电系统的电气性能，降低馈线损耗，天线馈线系统的匹配更好。

卡塞格林天线可以等效为焦距更长的抛物面天线，因为长焦距抛物面天线的性能比短焦距抛物面天线的性能好，也就是说用较短的轴向尺寸的卡塞格林天线得到了长轴向尺寸的长焦距抛物面天线的性能。因此，卡塞格林天线效率通常比标准抛物面天线高。

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