卡塞格倫天線

卡塞格倫天線是一種在微波通信中常用的天線，它是從拋物線演變而來的，由三部分組成，即主反射器、副反射器和輻射源。

基本介紹

• 中文名：卡塞格倫天線
• 外文名：cassegrain antenna
• 套用：微波通信
• 別名：卡式天線
• 組成：反射器、副反射器和輻射源
• 輻射方式：後饋方式

簡介

組成

卡塞格倫天線由三部分組成，即主反射器、副反射器和輻射源。其中主反射器為旋轉拋物面，副反射面為旋轉雙曲面。在結構上，雙曲面的一個焦點與拋物面的焦點重合，雙曲面焦軸與拋物面的焦軸重合，而輻射源位於雙曲面的另一焦點上，如下圖所示。它是由副反射器對輻射源發出的電磁波進行的一次反射，將電磁波反射到主反射器上，然後再經主反射器反射後獲得相應方向的平面波波束，以實現定向發射。

工作原理

當輻射器位於旋轉雙曲面的實焦點F1處時，由F1發出的射線經過雙曲面反射後的射線，就相當於由雙曲面的虛焦點直接發射出的射線。因此只要是雙曲面的虛焦點與拋物面的焦點相重合，就可使副反射面反射到主反射面上的射線被拋物面反射成平面波輻射出去。

卡塞格倫天線相對於拋物面天線來講，它將饋源的輻射方式由拋物面的前饋方式改變為後饋方式，這使天線的結構較為緊湊，製作起來也比較方便。另外卡塞格倫天線可等效為具有長焦距的拋物面天線，而這種長焦距可以使天線從焦點至口面各點的距離接近於常數，因而空間衰耗對饋電器輻射的影響要小，使得卡塞格倫天線的效率比標準拋物面天線要高。

優缺點

卡塞格倫天線與普通拋物面天線相比，其主要優點在於：
（1）因為有副面和主面兩個的先後反射，便於設計得使主面口面場分布最佳化，以提高口面利用係數，改善天線增益。
（2）由於照射器是放置在靠近主面頂點處，可方便地從主面後面伸出，大大縮短了饋線長度，不僅使得結構緊湊，而且使得接收機高頻部分可以直接放在主面後面成為可能，這在低噪聲系統中有重要意義；
（3）由於雙鏡面天線用短焦距拋物面實現了長焦距拋物面的性能，所以卡賽格倫天線能以縮短了的天線縱向尺寸，去解決存在於單鏡面天線中的焦距大時性能好但結構複雜的矛盾；
（4）由於雙曲面反射是擴散型的，所以，雙鏡面系統中，返回饋源的能量較單鏡面天線要小，從而減弱了對饋源匹配的影響。

但是，因為卡塞格倫天線是一個雙反射面的天線系統，從GO方法而言，副反射面、副反射面的支桿以及饋源必然會在主反射面上帶來遮擋影響，這使得卡塞格倫天線副瓣抬升、增益降低，這是卡氏天線的缺點。

極化扭轉

在保證機械強度的前提下，為了減小副面支桿的遮擋面積，可把支桿做成窄矩形、銳角等腰三角形，以減小它的投影面積，也可以採用介質支桿的形式。這些措施都可以有效降低支桿遮擋。而副反射面面和饋源輻射口徑的遮擋面積不僅重疊，而且互相矛盾。如果減小副面直徑，饋源對副面的照射角就隨之減小，為了滿足副面的邊緣照射電平，口徑就要相應增大，因此，副面遮擋小時，饋源遮擋就大；如果減小饋源口徑，饋源的初級方向圖波束寬度必然變寬，為了滿足副面的邊緣照射電平副反射面口徑就要相應增大，所以饋源遮擋小時，副反射面遮擋就大。只有當兩者的遮擋面積大致相等時，才能使它們對主面口徑的遮擋減至最小，由此就有了一個副面最小遮擋直徑。

但是，在天線波束寬度大於1^。時，依照最小遮擋原則設計，副瓣電平仍然會因為副面遮擋抬升不少，不能令人滿意。即使當天線波束寬度小於1^。時，只是因為主反射面電尺寸大，副反射面遮擋顯得小些而已，副瓣電平、增益仍然會變差。此時，為了在卡塞格倫天線中儘量降低因為各種遮擋產生的副瓣變差、增益降低的影響，人們就提出了極化扭轉技術。它的副反射面是由與饋源輻射的電磁波極化平行的金屬柵構成，電磁波由副反射面反射回主反射面後，由主反射面的極化扭轉裝置將電磁波極化扭轉90。因為金屬柵對於和它垂直的極化方式表現為強透射，從而將主反射面的能量幾乎完全輻射到空間，從理論上消除了副面遮擋因素。

正因為副面遮擋消除，一般將副反射面設計的比較大，而且使用雙曲線旋轉面的凹面，與主反射面合為一體，這樣也就沒有了副反射面支桿，支桿遮擋也就消除了。又因為副反射面很大，所以同樣的邊緣照射電平，饋源輻射口面就很小甚至是縮口波導的形式，這樣饋源遮擋也就大大減小了。可見，極化扭轉卡塞格倫天線很大程度上減小了遮擋影響。

卡塞格倫天線系統

誤差的產生及原因

卡塞格倫天線系統主要是保證由初級饋源輻射的電磁波繹過副面和主面的二次反射後形成與軸線平行的射線,並在主面的口徑場上產生等相位面。標準的卡氏天線系統是用拋物面(主面)和雙曲面(副面)的組合來達到上述要求。

而實際的卡氏天線由於其機械結構的製造誤差以及在各種載荷作用下產生的結構變形,總不能處於理想的卡氏天線位置,其誤差將影響天線的電氣性能。例如,反射器的表面誤差會引起天線口徑場上的相位誤差,導致天線的增益降低,旁瓣電平增高;指向誤差使天線的波束指向發生偏移等等。天線表面誤差對電氣性能的影響主要取決於各點誤差之間的相對值,而並非絕對值。所以,從結構變形考慮,要改善電氣性能不一定僅著服於提高機械結構系統的剛度來限制結構變形的絕對值。

最佳吻合雙曲面

分析實際卡氏天線系統的機械結構變形狀態,對於主、副反射器前言,可以分解為兩部分:一部分是整個反射器的剛體運動(移動和轉動)及相應曲面參數的變化;另一部分是反射器表面各點相對於新曲面的偏差。

因此,可以作一新的曲面,它相對於原曲面有移動和轉動,同時相應的曲面參數有微量的變化,這樣的曲面有無窮多個,其中有一個變形後的曲面對它的均方根值偏差(或法向的,或軸向的)最小,此新曲面稱為“最佳吻合拋物面”或“最佳吻合雙曲面”。