【正文】 （dB）H面下柵瓣（dB）4322100012324從表41可以看出，隨著偏焦距離的增大，天線的增益基本沒有什么變化，當沿著z軸正向偏焦時，波束向下偏轉(zhuǎn)，反之波束向下偏轉(zhuǎn)。同時方向圖還會產(chǎn)生不對稱柵瓣。沿著z軸正向偏焦時，H面上柵瓣升高，下柵瓣降低。從第3列和第4列可以看到，通過公式（43）計算出來的相位偏移量跟仿真結(jié)果相差不大。其實我們可以從式（43）中可以看到，饋源橫向偏焦時相位偏移大約為直線律相移和立方律相移之差。由于是到頂?shù)鬙的入射角，故直線項表示次級波束按反射線方向偏轉(zhuǎn)同一角度。但由于有立方律相位偏移進行相減，從而減緩了波束的偏轉(zhuǎn)，并出現(xiàn)了不對稱的柵瓣。從表中可以看出，主波束偏向的一方的柵瓣會所有下降，同時另一方的柵瓣會上升。因此橫向的偏焦不宜選擇太大。當=2cm時候仿真得到天線的H面和E面方向圖如圖44和圖45所示。如表中所述，=2cm時，176。176。而E面方向圖并沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)。圖44 =2cm時天線的H面方向圖圖45 =2cm時天線的E面方向圖 機械掃描 垂直機械掃描通過機械驅(qū)動不斷改變波束指向，使天線波束主瓣對準目標，這種波束掃描方式稱為機械掃描。機械掃描測向原理主要是當天線轉(zhuǎn)動時，無線電波束也會隨之轉(zhuǎn)動，當波束掃描到空中目標時，便可以知道目標的方位角和俯仰角。早期的警戒雷達、測高雷達等就采用了這種機械掃描方式，雷達波束需要時刻指向目標以便跟蹤，因此天線必須裝在可以旋轉(zhuǎn)的支架上，并需要馬達加以驅(qū)動。圖46 機械掃描的模型對于大功率空間功率合成，功率合成陣列每個陣元都采用大功率源激勵，其供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及饋電網(wǎng)絡等十分復雜和笨重，整體的轉(zhuǎn)動是十分困難的，本項目擬采用反射面掃描法，如圖46所示。下面將研究反射面在垂直方向上的掃描，如圖47所示。圖47 垂直機械掃描方案設反射面順時針偏轉(zhuǎn)為正，逆時針偏轉(zhuǎn)為負，方向圖順時針偏轉(zhuǎn)為正，逆時針為負。選取幾個偏轉(zhuǎn)角度下研究了天線性能的變化。結(jié)果如表42所示。同時也比較系統(tǒng)的研究了反射面掃描角度與天線增益以及波束偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，如圖48和49所示。從結(jié)果中可以看出，隨著掃描角的增大，天線增益慢慢降低，波束發(fā)生也發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，在主波束偏向的一側(cè)的柵瓣上升，另一側(cè)的柵瓣下降，柵瓣的變化是與橫向偏焦電掃描的結(jié)果相反的。同時，由于拋物曲面天線的非嚴格對稱結(jié)構(gòu)，隨著反射面掃描角度的增大，H面波束偏轉(zhuǎn)角度和掃描角度不再呈現(xiàn)兩倍的線性關(guān)系。當反射面偏轉(zhuǎn)角度達到10度以上之時，天線的增益將會下降的比較快，某一側(cè)的柵瓣電平也迅速增大。同時反射面偏轉(zhuǎn)角度和波束偏轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系越來越遠離兩倍的線性關(guān)系，波束的掃描會變得難以控制。因此，綜合考慮，垂直機械掃描只用于上下17度的波束掃描，即總的掃描角度為34度。表 42 拋物曲面天線垂直機械掃描特性掃描角度（176。）增益（dB）H面波束偏轉(zhuǎn)（176。）H面上柵瓣（dB）H面下柵瓣（dB）84720024781017圖 48 天線增益與反射面偏轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系圖 49 H面波束偏轉(zhuǎn)角與反射面偏轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系當反射面在垂直方向上順時針偏轉(zhuǎn)2176。時，仿真得到天線的H面和E面方向圖如圖410和圖411所示。從圖中可以看出，天線的H面的主波束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而E面的主波束沒有變化。天線的增益有一定的下降。圖410 反射面順時針偏轉(zhuǎn)2176。時天線的H面方向圖圖411 反射面順時針偏轉(zhuǎn)2176。時天線的E面方向圖 水平機械掃描如圖412所示為水平機械掃描。同樣，反射面在水平方向順時針旋轉(zhuǎn)為正，反之為負，波束順時針旋轉(zhuǎn)為正，逆時針為負。圖 412 水平機械掃描方案。分別選取反射面偏轉(zhuǎn)的幾個角度，得到天線性能變化結(jié)果如表43所示。從表中可以看出，拋物曲面天線順時針掃描時，天線的增益有所下降，同時，柵瓣會上升。順時針掃描的角度不宜過大，否則經(jīng)過反射面之后形成的波束會被饋源所遮擋。當逆時針旋轉(zhuǎn)時，天線的增益也有一定的下降，但是變化不快，跟順時針掃描不一樣，天線的柵瓣電平會下降。水平機械掃描時，H面波束不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且E面主波束偏轉(zhuǎn)的角度跟反射面偏轉(zhuǎn)的角度成兩倍的線性關(guān)系。表 43拋物曲面天線水平機械掃描特性掃描角度（176。）天線增益（dB）E面波束偏轉(zhuǎn)（176。）H面柵瓣電平（dB）2040102051024001224圖413和圖414為拋物曲面天線水平機械掃描時偏轉(zhuǎn)角同天線增益以及柵瓣電平之間的關(guān)系。從圖中可以看出隨著拋物曲面掃描角在10176。以內(nèi)增大，天線的增益和柵瓣變化并不是很顯著，同時，當掃描到20176。時，由于此時天線的柵瓣電平比較低，暫且將水平機械掃描反射面偏轉(zhuǎn)的角度選為20176。~2176。因此波束的掃描角度范圍為44176。圖 413 天線增益與反射面偏轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系圖414天線柵瓣電平與反射面偏轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系圖415和圖416分別給出了拋物曲面天線水平逆時針旋轉(zhuǎn)2176。時天線的H面和E面的方向圖?？梢钥闯鎏炀€H面波束并未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而E面主波束整好偏轉(zhuǎn)4176。且天線的柵瓣電平也是被壓制到了差不多21dB。圖415反射面逆時針偏轉(zhuǎn)2176。時天線的H面方向圖圖416反射面逆時針偏轉(zhuǎn)2176。時天線的E面方向圖 本章小結(jié)本章分別研究了拋物曲面天線的偏焦電掃描特性以及機械掃描特性。橫向偏焦電掃描與垂直機械掃描有些類似，都會導致不對稱柵瓣的產(chǎn)生，但是兩者一大一小的柵瓣出現(xiàn)的位置正好相反。偏焦電掃描的掃描角度較小，但是主波束偏向的一方的柵瓣降低，干擾較小，適合小角度范圍內(nèi)較低干擾的情況，而垂直機械掃描適合垂直方向上較大角度的掃描，但是由于其主波束偏向的一方柵瓣較大，因此不太適合對其干擾要求比較小的掃描情形。水平方向的波束掃描只能采用水平機械掃描的方案，由于順時針掃描時饋源會對反射波束有遮擋作用，所以順時針水平機械掃描的角度很小，而逆時針水平機械掃描的角度可以去到40176。左右。第五章 8路喇叭偏饋拋物曲面天線的實測 引言前面兩章分別對拋物曲面天線的結(jié)構(gòu)性能以及波束掃描特性進行了研究。在本章，將會對天線進行實測。由于實際測量過程中一些因素的限制，因此將針對具體的情況給出實測的方案，其中包括各個器件單元的指標參數(shù)以及實際測量平臺的選擇，接下來將會給出實測結(jié)果，同時以同樣口徑的拋物柱面天線進行對比，給出兩者實際測量結(jié)果的對比，同時還會給出實際測量結(jié)果與FEKO中仿真結(jié)果的對比。 8路喇叭饋源拋物曲面天線 8路喇叭饋源拋物曲面天線的結(jié)構(gòu)和性能實際測量過程中，綜合考慮天線遠場測試系統(tǒng)所能承受的重量以及測量時的方便等因素，將采用半數(shù)喇叭（8個）的拋物曲面天線的模型進行測量。其結(jié)構(gòu)如圖51所示。其H面和E面截面圖如圖52所示。從圖中可以看到，8路喇叭饋源陣列以直線陣的形式無間隔的排列在距垂直方向拋物線F2的地方。天線的E面截面圖與16路喇叭拋物曲面天線是一樣的。圖 51 8路喇叭拋物曲面天線圖52 8路喇叭饋源拋物曲面天線H面（左）和E面（右）截面圖其中，，F(xiàn)2=，H2=。同樣進行8路喇叭饋源的拋物曲面天線的參數(shù)研究。由于饋源指向角指向水平拋物線夾角平分線時是比較理想的，所以主要研究焦距F1和張角對天線性能的影響。圖53和54分別給出了天線增益隨焦距F1以及張角的變化規(guī)律，研究F1對天線性能影響時固定，研究對天線性能影響時固定F1=35。從圖中可以看出，當F1=35時，天線的增益是最高的，當張角時，天線的性能較好，變化規(guī)律與16路喇叭的結(jié)果相似，當把饋源喇叭的個數(shù)縮減到一半，最佳張角也是縮減到了一半左右，由于8路喇叭拋物曲面采用的是無間隔直線陣列，因此會有大約兩度的補償偏差。由可以求得H1=36cm。圖 53 垂直方向拋物線焦距F1與天線增益的關(guān)系圖 54 垂直方向拋物線張角與天線增益的關(guān)系選取同樣口徑的拋物柱面天線作為對比，在FEKO中仿真得到天線的H面和E面歸一化方向圖如圖55和圖56所示。圖55 8路喇叭饋源拋物柱面與拋物曲面天線H面歸一化方向圖仿真對比圖56 8路喇叭饋源拋物柱面與拋物曲面天線E面歸一化方向圖仿真對比其中，H面3dB波束寬度為5176。，176。E面3dB波束寬度都為5176。 8路喇叭饋源拋物曲面天線的電掃描特性由于實際測量過程中存在的各種因素的限制，只能采用橫向偏焦電掃描對天線進行波束掃描，在FEKO中仿真得到天線橫向偏焦距離與天線增益以及波束偏轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系如圖57和58所示。Z軸正向偏焦為正，波束向下偏轉(zhuǎn)為負。圖57 天線橫向偏焦距離與天線增益的關(guān)系圖58 天線橫向偏焦距離與天線增益的關(guān)系從圖中可以看到，隨著橫向偏焦向上下偏移，天線的增益慢慢下降，與16路喇叭拋物曲面天線的特性類似，同時，天線橫向偏焦距離與波束偏轉(zhuǎn)角度也是一個近似的反正切函數(shù)關(guān)系。當偏焦距離為3cm時天線的H面方向圖如圖59所示。圖59 橫向偏焦距離為3cm時天線的H面方向圖從圖中可以看出，橫向偏焦距離為3cm時，H面主波束會向下偏轉(zhuǎn)2176。同樣會產(chǎn)生不對稱的副瓣，且波束偏向的一方第一副瓣會有所降低，反之第一副瓣會有所下降，與16路喇叭饋源的偏饋拋物曲面天線的結(jié)果相似， 實測方案采用華南理工大學天線遠場測試系統(tǒng)進行測量，測試框架圖如圖510所示。圖510 拋物柱面實測框架圖用PC中的遠場測試軟件控制NNA發(fā)射微波信號，微波信號經(jīng)由功放到發(fā)射喇叭，喇叭發(fā)射的電磁波被反射面發(fā)射之后進入到E面扇形喇叭陣列，喇叭陣列以及拋物曲面天線用有機玻璃支架連接在一起固定在天線轉(zhuǎn)臺上。通過喇叭接收到的電磁波經(jīng)由移相器和功分器以后由進入到NNA。通過天線測試系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)，可以得到各個方向上反射面天線所能接收到的來自發(fā)射喇叭的微波信號的功率，從而可以測出天線的方向圖。將拋物曲面替換成標準喇叭，測量此時接收喇叭所接收到的功率最大值，通過增益比較法可以測得天線的增益。采用同等高度的拋物柱面天線作為對比，測量拋物柱面時，由于各個饋源是等幅同相饋電的，因此不需要使用功分器，其他各個步驟跟拋物曲面天線的測量是一樣的。接下來將分別介紹所選用的E面扇形喇叭、1分8功分器，以及移相器的具體參數(shù)指標。這對天線的測量是很重要的。1. E面扇形喇叭如圖511所示為E面形喇叭的結(jié)構(gòu)圖，圖512和513為其截面圖。E面扇形喇叭天線包括喇叭體11和矩形波導饋線12。波導饋線12是一段標準BJ120矩形金屬波導，采用SMA同軸接頭激勵（）。波導壁厚為1mm。其中a＝，b＝，A＝，B = 42mm，C = 25mm，D = 48mm，喇叭材料為銅，內(nèi)表面鍍鎳，外表面噴漆。數(shù)量為10個。圖511 E面扇形喇叭天線3D視圖圖512 E面扇形喇叭天線E面截面圖圖513 E面扇形喇叭天線H面截面圖2. 同軸1分8功分器功分器需求指標如下：VSWR，插入損耗9（功分損耗）+（其他損耗）dB，不平衡度：，輸出端口隔離度：18dB，接頭：SMA50，外觀：外表面噴漆數(shù)量：1個。如圖514所示。圖 514 微波同軸1分8功分器實測得到功分器的在此頻段內(nèi)的最大插入損耗為10dB，駐波比也滿足需求，由于測量過程對相位必須有精確控制，因此需要對功分器每個端口的相移進行測量，得到的結(jié)果如表51所示。表 51 同軸功分器各端口相移Phase(1，0)13degPhase(2，0)13degPhase(3，0)14degPhase(4，0)13degPhase(5，0)13degPhase(6，0)13degPhase(7，0)Phase(8，0)3. 移相器移相器各個指標如下，工作頻率：1213GHz，駐波比：VSWR。相移可調(diào)范圍：0360度，插入損耗：，接頭：SMA50K，外觀：外表面噴漆。數(shù)量：8個。實際測量各個移相器的指標基本都滿足，只是插入損耗大了一點，由于對移相器的主要參數(shù)指標為相移的范圍，因此可以采用。4. 拋物柱面和拋物曲面天線拋物柱面和拋物曲面天線的實物圖如圖515所示。拋物曲面天線的實物圖是連接上了喇叭功分器和移相器的，測量柱面時只需將拋物曲面換成拋物柱面天線，然后調(diào)節(jié)移相器的相位即可。 圖515 拋物曲面（左）和拋物柱面（右）天線實物圖 拋物柱面天線和拋物曲面天線的實測 拋物柱面天線的實測1. 相位配置測量拋物柱面天線時需首先需要對饋源相位進行設置，以盡量讓喇叭口面上的相位保持一致。通過移相器的設置，最終得到從功分器到各個喇叭口面上的相位如表52所示，從表中可以看出基本保持一致。表 52 功分器端口，電纜和喇叭組合的相位功分器端口喇叭編號相位（ 176。）1101004101210100399310100799410101010151010081016101009100710100110081010061022. 方向圖實測結(jié)果拋物柱面天線的仿真結(jié)果和測試結(jié)果H面歸一化方向圖對比如圖516所示。圖 516 拋物柱面天線H面歸一化方向圖仿真與實測結(jié)果比較3. 增益實測結(jié)果=，最大接收功率Pr(BJ)=，而8個E面喇叭組陣拋