面天線是指具有初級饋源並由反射面形成次級輻射場的天線。前饋式拋物面天線，卡塞格倫式和格雷果里式雙鏡天線等均屬面天線。主要套用於微波和毫米波波段。
基本介紹
- 中文名：面天線
- 外文名：reflector antenna
定義
面天線是指具有初級饋源並由反射面形成次級輻射場的天線。
原理
面天線是參照光學原理導出的天線，與光學反射鏡相似，也是利用反射面的聚焦作用形成平面波束。由焦點發出的射線經拋物面反射後到達與軸線垂直的任一平面（如口徑平面）的波程相等且為常數，這說明從拋物面各點的反射線到達任一垂直平面時具有等波程和同相位的特性，這是一切面天線的基礎。因而，當饋源或等效饋源的相位中心置於反射面焦點，以喇叭或副反射面輻射的球面波激勵主反射面，使主反射面的口徑場輻射同相位的平面波，從而在反射面軸向出現最大的能量集中，形成窄波束。拋物面直徑D和工作波長λ之比越大，波束越窄，其主瓣半功率點寬度為
能量集中的程度可用天線增益表示，天線增益和D/λ平方成正比，天線直徑越大，增益越高。反射面口徑的電場分布是決定天線輻射方向性圖的重要因素，同相等幅分布時能得到最大增益，但副瓣輻射也大，天線面邊緣的電場強度低，副瓣輻射才可能小。為了得到低副瓣電平常採用同相位而振幅按一定函式呈內高外低分布的辦法，以滿足對衛星通信地球站天線所要求的低副瓣方向性圖特性指標，減少對鄰近衛星的干擾。口徑場分布函式的設計，可以用反射面曲線修正技術達到。
類型3.1前饋式面天線
前饋式面天線是由饋源喇叭和主反射拋物面組成，如（a）所示。饋源採用主模喇叭機或平面波紋喇叭。多模（HE11+HE12）平面波紋喇叭的照射波束接近扇形，降低了照射波的溢失，使天線效率高達60%以上，並有良好的副瓣輻射方向性圖。適用於小型衛星通信地球站，微波中繼，衛星電視單收站等。
3.2卡塞格倫天線
卡塞格倫天線是參照雙鏡反射光學望遠鏡的原理，利用後凸雙曲面和拋物面的幾何光學特性組成的雙反射面天線，如圖（b）所示，經典形式是由饋源喇叭對副反射面（雙曲面）照射，再由副反射面對主反射面（拋物面）照射形成平面波束。由於副反射面的能量均化作用，使主反射面口徑利用係數提高，從而提高了天線效率。可適用於長、短焦距系統，一般優於前饋天線。
在大中型卡塞格倫天線設計中都採用了對主，副反射面的修正技術，使天線效率高達70%～80%；低旁瓣輻射方向圖滿足CCIR建議的G（θ）=29—25lgθ的高指標要求。它適用於大中型衛星通信地球站，宇航通信，微波中繼，雷達及射電望遠鏡等。
3.3格雷高里天
格雷高里天也是雙反射面天線。工作原理和卡塞格倫天線基本相同，只是副反射面改用了後凹的對稱切割橢圓球面，如圖（c）所示。由於橢圓球面的限制，只能套用於長焦距系統。由於在許多場合短焦距系統的電特性優於長焦距系統和結構上較為複雜，雖然格雷高里天線和卡塞格倫天線具有相似的電特性，但套用較少。適用範圍和卡塞格倫天線相同。
3.4環焦天線
環焦天線是另一種雙鏡天線，又稱偏焦軸天線。特點是作為主反射面的焦點不是一個點而是副反射面前的一個焦環，如圖（d）所示，與此相適應，採用了散相喇叭，從而使副反射面配合散相喇叭的照射，將所有射線都通過環狀焦點再射向主反射面。在環焦的柱體內沒有照射能量，因而克服了饋源喇叭直接照射副反射面產生駐波的缺點，並減少了副反射面的遮擋影響。不僅提高了天線效率，而且降低了副瓣電平。也可對主、副反射面進行修正，提高電性能。在小型雙鏡天線中，環焦天線更具優越性，適用於小型地球站，甚小口徑終端站（VSAT）及電視單收地球站等。
3.5偏置天線
偏置天線有前饋式和雙鏡式兩種。前饋式又稱單偏置，實質上是切割拋物面部分曲面，在焦點處放置偏置饋源喇叭，使其僅對偏置反射面照射，如圖（e）所示。偏置反射面在視軸方向的投影稱偏置天線的口徑，口徑中心軸線為視軸，指向通信目標。由於饋源偏離視軸，不產生遮擋，故可提高效率，降低副瓣。雙鏡式又稱雙偏置天線，有卡塞格倫和格雷高里兩種制式。實質上是由切割的部分主反射面和部分副反射面及饋源喇叭組合而成，如圖（f）所示。工作原理仍和普通雙鏡天線相同，只是喇叭和副反射面偏離天線口徑，使輻射場不受遮擋。由於偏置天線主反射面不對稱，使輻射場交叉極化性能變壞，雖可用提高焦距直徑比和減小偏置角得到補償，但在高指標要求時必須使用賦形技術對主副反射面進行修正，並使用不對稱的副反射面以抵消交叉極化變壞的影響。使用特殊設計的雙模（HE11+HE21）波紋喇叭作偏置饋源，可使偏置天線的特性達到最佳狀態。現代賦形最佳化設計的雙偏置天線，可達到高效率、低交叉極化隔離度和極低的副瓣特性（比CCIR建議的指標G（θ）=29—25lgθ還低10dB），是高頻段小型地球站和VSAT系統最理想的天線。它的缺點是設計和結構均極複雜，使用圓極化時主波束略有偏移，僅適用於小口徑天線。
微波中繼通信中使用的喇叭拋物反射面天線，也屬偏置天線，如圖（g）所示。
3.6多波束天線
多波束天線是利用饋源喇叭在面天線焦點處的微量橫向偏焦，使波束向焦點相反方向偏離視軸，波束偏離程度在一定範圍內和喇叭偏焦距離成正比。基於這種原理，在焦點橫向附近放置幾個獨立的饋源，每個對應饋源便都產生一個偏離主軸不同角度、相互獨立的波束，從而形成共同反射面的多波束天線，每個波束可各自藉助控制設備改變饋源和焦點相對位置，以改變波束空間的指向，達到對準和跟蹤不同衛星的目的。
3.7賦形波束天線
賦形波束天線用多喇叭組合饋源（可多至100個以上），饋以不同振幅和相位的射頻功率激勵反射面，即可形成能提供特定形狀波束的賦形天線，還可利用計算機對振幅和相位進行實時控制，改變輻射方向性圖，適應更多用途。也可由多喇叭組合饋源直接輻射，形成特定的輻射波束。如區域波束，點波束，半球波束，球波束及餘割平方波束等。賦形天線廣泛用於星上天線及對空監視雷達和地對空搜尋導航雷達天線等。套用多喇叭組合饋源賦形技術和頻率復用技術也可構成多波束天線。日本研製的偏置球形反射面多波束天線，在方位一2°～+10°、俯仰0°～4°範圍內共有7個獨立波束。使用賦形副反射面和輔助副反射面技術，獲得了極為優良的技術指標。波束在方位角偏移+8°時，天線增益幾乎不減。在俯仰角偏移±2°時增益僅下降了0.2dB，副瓣比現有地面站低10dB，交叉極化電平也極低。
面天線除以上幾種外，常見的還有：前饋球形反射面天線，如圖（h）所示；球形雙反射面天線，如圖（i）所示；潛望鏡天線等。
特性參數及提高性能的方法
面天線的特性參數有天線效率，功率增益，輻射方向性圖，工作頻段，交叉極化鑑別，電壓軸比，面板精度，噪聲溫度等。提高性能的方法主要是利用各種賦形技術對主副反射面進行修正，以滿足高質量通信技術指標。對VSAT等小型地球站天線可用偏置天線技術使小口徑天線達到高指標要求。對相鄰多顆衛星通信，可用多波束天線技術以節約投資。
