卡塞格伦天线

在微波通信中常用的天线

卡塞格伦天线是一种在微波通信中常用的天线，它是从抛物线演变而来的，由三部分组成，即主反射器、副反射器和辐射源。

简介

组成

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，如图1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。

工作原理

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。

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。

优缺点

卡塞格伦天线与普通抛物面天线相比，其主要优点在于：

（1）因为有副面和主面两个的先后反射，便于设计得使主面口面场分布最佳化，以提高口面利用系数，改善天线增益。

（2）由于照射器是放置在靠近主面顶点处，可方便地从主面后面伸出，大大缩短了馈线长度，不仅使得结构紧凑，而且使得接收机高频部分可以直接放在主面后面成为可能，这在低噪声系统中有重要意义；

（3）由于双镜面天线用短焦距抛物面实现了长焦距抛物面的性能，所以卡赛格伦天线能以缩短了的天线纵向尺寸，去解决存在于单镜面天线中的焦距大时性能好但结构复杂的矛盾；

（4）由于双曲面反射是扩散型的，所以，双镜面系统中，返回馈源的能量较单镜面天线要小，从而减弱了对馈源匹配的影响。

但是，因为卡塞格伦天线是一个双反射面的天线系统，从GO方法而言，副反射面、副反射面的支杆以及馈源必然会在主反射面上带来遮挡影响，这使得卡塞格伦天线副瓣抬升、增益降低，这是卡氏天线的缺点。

极化扭转

在保证机械强度的前提下，为了减小副面支杆的遮挡面积，可把支杆做成窄矩形、锐角等腰三角形，以减小它的投影面积，也可以采用介质支杆的形式。这些措施都可以有效降低支杆遮挡。而副反射面面和馈源辐射口径的遮挡面积不仅重叠，而且互相矛盾。如果减小副面直径，馈源对副面的照射角就随之减小，为了满足副面的边缘照射电平，口径就要相应增大，因此，副面遮挡小时，馈源遮挡就大；如果减小馈源口径，馈源的初级方向图波束宽度必然变宽，为了满足副面的边缘照射电平副反射面口径就要相应增大，所以馈源遮挡小时，副反射面遮挡就大。只有当两者的遮挡面积大致相等时，才能使它们对主面口径的遮挡减至最小，由此就有了一个副面最小遮挡直径。

但是，在天线波束宽度大于1。时，依照最小遮挡原则设计，副瓣电平仍然会因为副面遮挡抬升不少，不能令人满意。即使当天线波束宽度小于1。时，只是因为主反射面电尺寸大，副反射面遮挡显得小些而已，副瓣电平、增益仍然会变差。此时，为了在卡塞格伦天线中尽量降低因为各种遮挡产生的副瓣变差、增益降低的影响，人们就提出了极化扭转技术。它的副反射面是由与馈源辐射的电磁波极化平行的金属栅构成，电磁波由副反射面反射回主反射面后，由主反射面的极化扭转装置将电磁波极化扭转90。因为金属栅对于和它垂直的极化方式表现为强透射，从而将主反射面的能量几乎完全辐射到空间，从理论上消除了副面遮挡因素。

正因为副面遮挡消除，一般将副反射面设计的比较大，而且使用双曲线旋转面的凹面，与主反射面合为一体，这样也就没有了副反射面支杆，支杆遮挡也就消除了。又因为副反射面很大，所以同样的边缘照射电平，馈源辐射口面就很小甚至是缩口波导的形式，这样馈源遮挡也就大大减小了。可见，极化扭转卡塞格伦天线很大程度上减小了遮挡影响。

卡塞格伦天线系统

误差的产生及原因

卡塞格伦天线系统主要是保证由初级馈源辐射的电磁波绎过副面和主面的二次反射后形成与轴线平行的射线,并在主面的口径场上产生等相位面。标准的卡氏天线系统是用抛物面(主面)和双曲面(副面)的组合来达到上述要求。

而实际的卡氏天线由于其机械结构的制造误差以及在各种载荷作用下产生的结构变形,总不能处于理想的卡氏天线位置,其误差将影响天线的电气性能。例如,反射器的表面误差会引起天线口径场上的相位误差,导致天线的增益降低,旁瓣电平增高;指向误差使天线的波束指向发生偏移等等。天线表面误差对电气性能的影响主要取决于各点误差之间的相对值,而并非绝对值。所以,从结构变形考虑,要改善电气性能不一定仅着服于提高机械结构系统的刚度来限制结构变形的绝对值。

最佳吻合双曲面

分析实际卡氏天线系统的机械结构变形状态,对于主、副反射器前言,可以分解为两部分:一部分是整个反射器的刚体运动(移动和转动)及相应曲面参数的变化;另一部分是反射器表面各点相对于新曲面的偏差。

因此,可以作一新的曲面,它相对于原曲面有移动和转动,同时相应的曲面参数有微量的变化,这样的曲面有无穷多个,其中有一个变形后的曲面对它的均方根值偏差(或法向的,或轴向的)最小,此新曲面称为“最佳吻合抛物面”或“最佳吻合双曲面”。

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