[科普中国]-抛物面天线

抛物面天线是指由抛物面反射器和位于其焦点上的照射器(馈源)组成的面天线。通常采用金属的旋转抛物面、切制旋转抛物面或柱形抛物面作为反射器，采用喇叭或带反射器的对称振子作馈源。

定义抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图所示。发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。1

工作原理当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场 与磁场。按电磁场在空间的分布特性，可分为近区，中间区， 远区。设R为空间一点距导体的距离，在时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流，电压有紧密的联系。

在的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流、电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。

必须指出，当导线的长度 L 远小于波长时，辐射很微弱；导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。

发射天线正是利用辐射场的这种性质，使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射。如何使导体成为一个有效辐射体导系统呢？这里我们先分析一下传输线上的情况，在平行双线的传输线上为了使只有能量的传输而没有辐射，必须保证两线结构对称，线上对应点电流大小和方向相反，且两线间的距离《π。要使电磁场能有效地辐射出去，就必须破坏传输线的这种对称性，如采用把二导体成一定的角度分开，或是将其中一边去掉等方法，都能使导体对称性破坏而产生辐射。

分类抛物面天线的类型主要有（a）前馈抛物面天线；（b）卡塞格伦天线；（c）格里高利天线；（d）环焦天线2

卡塞格伦天线卡塞格伦天线由三部分组成，即主反射器、副反射器和辐射源。其中主反射器为旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面。在结构上，双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重合，双曲面焦轴与抛物面的焦轴重合，而辐射源位于双曲面的另一焦点上，如下图所示。它是由副反射器对辐射源发出的电磁波进行的一次反射，将电磁波反射到主反射器上，然后再经主反射器反射后获得相应方向的平面波波束，以实现定向发射。3

当辐射器位于旋转双曲面的实焦点F1处时，由F1发出的射线经过双曲面反射后的射线，就相当于由双曲面的虚焦点直接发射出的射线。因此只要是双曲面的虚焦点与抛物面的焦点相重合，就可使副反射面反射到主反射面上的射线被抛物面反射成平面波辐射出去。4

卡塞格伦天线相对于抛物面天线来讲，它将馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式，这使天线的结构较为紧凑，制作起来也比较方便。另外卡塞格伦天线可等效为具有长焦距的抛物面天线，而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各点的距离接近于常数，因而空间衰耗对馈电器辐射的影响要小，使得卡塞格伦天线的效率比标准抛物面天线要高。

格里高利天线格里高利天线也是一种双反射面天线，也由主反射面、副反射面及馈源组成。与卡塞格伦天线不同的是，它的副反射面是一个椭球面。馈源置于椭球面的一个焦点F1上，椭球面的另一个焦点F2与主反射面的焦点重合。格里高利天线的许多特性都与卡塞格伦天线相似，不同的是椭球面的焦点是一个实焦点，所有波束都汇聚于这一点。

环焦天线对卫星通信天线的总要求是在宽频带内有较低的旁瓣、较高的口面效率及较高的G/T值，当天线的口面较小时，使用环焦天线能较好地同时满足这些要求。因此，环焦天线特别适用于VSAT地球站。

环焦天线由主反射面、副反射面和馈源喇叭三部分组成，结构如图所示。主反射面为部分旋转抛物面，副反射面由椭圆弧CB绕主反射面轴线OC旋转一周构成，馈源喇叭位于旋转椭球面的一个焦点M上。由馈源辐射的电波经副反射面反射后汇聚于椭球面的另一焦点M’，M’是抛物面OD的焦点，因此，经主反射面反射后的电波平行射出。由于天线是绕机械轴的旋转体，因此焦点M’构成一个垂直于天线轴的圆环，故称此天线为环焦天线。环焦天线的设计可消除副反射面对对电波的阻挡，也可基本消除副反射面对馈源喇叭的回射，馈源喇叭和副反射面可设计得很近，这样有利于在宽频带降低天线的旁瓣和驻波比，提高天线效率。缺点是主反射面地利用率低

历史抛物面天线是由德国物理学家海因里希.赫兹在他在1887年发现无线电波时发明的。在他历史性的实验中他利用圆柱抛物面反射面与火花激励偶极子天线在焦点处传输和接收。

特点抛物面天线的主要优势是它的高方向性。它的功能类似于一个探照灯或手电筒反射器，向一个特定的方向汇聚无线电波到狭窄的波束，或从一个特定的方向接收无线电波。抛物面天线有一些最高的收益，也就是说，他们可以生产最窄波束宽度，不论天线的类型。为了实现窄波束宽度，抛物面反射器必须远远大于所使用的无线电波的波长，所以抛物面天线是用于高频无线电频谱的一部分（UHF和SHF），在这个频段，波长小到可以使用反射面反射。
抛物面天线用作点对点通信的高增益天线，用于微波转播环节等，把附近的城市之间的电话和电视信号，无线WAN/ LAN链接数据通信、卫星通信和卫星通信天线。他们也用于射电望远镜。
使用的其他大型抛物面天线是雷达天线，需要传输的窄束无线电波来定位船只、飞机和导弹等对象。随着家用卫星电视接收器，抛物面天线已经成为现代国家的共同特征。

焦径比与辐射方向角的关系抛物面天线的F/D与馈源的辐射方向角Q的关系

F/D（称为焦径比，其中F是抛物面的焦距，D是抛物面在垂直于轴线的面上投影的口径直径）与馈源的方向角Q是从属关系，也就是说只有馈源的方向角确定以后才能确定你所要制作的抛物面天线的直径及焦距。作为一个业余爱好者只知道F/D=0.3--0.5是不够的，如何才能使一条天线与馈源的配套即采用合适的F/D，这个问题很重要，它直接影响天线系统的效率及信噪比等。图1-1所示Q是馈源所固有的，馈源确定了，Q也就确定了。

制作天线首先要决定馈源，只有馈源的方向角为已知，才能按不同的F/D制作不同直径的天线，而不应制作好了天线以后才制作馈源，因为这样一来很难达到理想的效果，必定产生如图1-2或图1-3的情况。图1-2的情况会使地面反射的杂波进入馈源，而且天线边缘的微波和绕射波也会进入馈源，使得天线接收系统的信噪比减小。图的情况则会使天线的利用率降低造成人为的浪费而且信号的旁瓣也同时进入了馈源。F/D与Q的关系是：F/D=1/4*Ctg Q/2。

所以先有馈源方向角再根据你所要制作多少直径的天线而后确定F=D*（1/4*Ctg Q/2），然后根据抛物线方程：X=Y*Y/4F绘制出模。抛物线天线的口径可用下式计算：

一般的折合半波振子馈源（带后反射器）和螺旋馈源的方向角是100度左右

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学