卡塞格伦天线设计毕业论文.docx

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卡塞格伦天线设计毕业论文

卡塞格伦天线设计

设计总说明

在现代社会，对智能产品的需求越来越大。

现在，信息时代已经发展起来。

在今天的情况下，信息的接收和传输尤为重要。

无线通信的发展与无线通信的发展密不可分。

无线通信的终端是用于信号传输和接收的辐射天线。

随着无线科学技术的发展，大量的无线电电子产品已进入生活。

人们生活的各个方面都在变化。

随着技术不断的发展，无线技术将会得到更好的推广，无线频谱资源将得到更有效的利用。

用于接收和发送无线电信号的天线已成为无线智能电子产品的不可替代的一部分。

具有优异性能的天线将很快普及并迅速应用于我们的日常生活中，应用在生活中的各个电子产品当中。

例如最常用的通信、军事、导航等领域中。

进入20世纪，微波技术已经非常的成熟了，被广泛的应用在各个领域当中。

为了获得更宽的带宽，天线的设计主要集中在更高的频率上，并在实际中应用了多种天线。

随着高性能计算方法和计算设备的快速发展，在设计过程中采用矩阵法和有限元、有限差分法。

这些方法的特征就是高效而且成本较低。

卡塞格伦天线是一种微波天线，目前它被大量应用在卫星通讯、天文学领域和一些其他的和通信密切相关的领域当中。

和一般的单反射天线的标准一样，卡塞格伦天线同样要求对口面照射尽量均匀而且从反射面边缘溢出的能量尽可能少的矛盾，以此来限制了反射面天线增益因子的提高。

但是，通常我们可以修正卡塞格伦天线的副反射的形状来使它的定点附近形状比标准双曲面更加的凸起。

这样做的结果就是，使得馈源辐射到修正后的副反射面中央附近的能量会被向外扩散到主反射面的中央以外的部分，从而使得口径场振幅分布趋于均匀。

如此，就能以很低的副面边缘电平来保证较大的截获效率，同时又可以实现口径场较为均匀的振幅分布。

在此基础上，再进一步修正主面形状以确保口径场为同向场，结果使得增益系数变高。

我们将这种改进后的天线称之为改进型的卡塞格伦天线，改进的地方在于可以提高天线的增益因子。

具体提高程度是当将这种改进后的卡塞格伦天线与高效率馈源结合，将可使天线增益因子达到0.7-0.85，因而其在实际中已得到较多的应用。

天线，也可以称之为变换器。

之所以有变换器之称是因为，是因为天线能够将导行波变换成电磁波。

反过来，也能够将电磁波转化为导行波。

因为它的这种功能，因此被应用在无限代设备中，用来接收和发射信号。

这里的无线电设备包括一切需要接收和发射信号的设备。

这些设备无一例外都需要天线做为接收和发射信号的媒介。

特别说名，当用电磁波进行能量传送使，同样需要天线进行非信号的能量辐射的接收发射。

简单解释一下天线的互易原理。

同一天线接收和发射的所有参数都是一样的。

在跟踪领域当中，单脉冲卡塞格伦天线应用的较广泛，它的跟踪速度快、精度高、距离远的特点完全契合跟踪的真正意义。

在雷达的应用中，单脉冲卡塞格伦天线可采用阵列天线，也可以采用反射面和单脉冲馈源组成，常见的带脉冲卡塞格伦天线首先是根据比较回波信号的幅度和相位，单脉冲跟踪分为幅度单脉冲、相位单脉冲和幅相单脉冲，无论是哪一种，为了确定目标在某以平面的角度（方位角或俯仰角），都要求同时产生两个形状相同的波束。

这里常用的幅度单脉冲是一个先考虑一个平面的单脉冲天线。

先介绍卡塞格伦天线的背景和它的工作原理，然后介绍了卡塞格伦天线的一些特点。

其次，介绍了天线的基本原理和解决方法。

同样是基于麦克斯韦方程。

其次是电流单元和大电流单元的辐射场的求解问题。

通过对时变电磁场和基本辐射单元，惠更斯元、基本缝隙单元的分析，然后再添加基本辐射单元矢量求出天线的辐射参数。

要提高仿真效率，需采用HFSS仿真，这样对天线设计具有一定的指导意义。

关键词：

天线；卡塞格伦天线；单脉冲；微波

Cassegrainantennadesign

DesignGeneralInformation

Inmodernsociety,thedemandforsmartproductsisgrowing.Now,theinformationagehasdeveloped.Intoday'ssituation,thereceptionandtransmissionofinformationisespeciallyimportant.Thedevelopmentofwirelesscommunicationisinseparablefromthedevelopmentofwirelesscommunication.Theterminalforwirelesscommunicationisaradiatingantennaforsignaltransmissionandreception.

Withthedevelopmentofwirelessscienceandtechnology,alargenumberofradioelectronicproductshaveenteredlife.Everyaspectofpeople'slivesischanging.Withthecontinuousdevelopmentoftechnology,wirelesstechnologywillbebetterpromoted,andwirelessspectrumresourceswillbemoreeffectivelyutilized.Antennasforreceivingandtransmittingradiosignalshavebecomeanirreplaceablepartofwirelesssmartelectronics.Antennaswithexcellentperformancewillsoonbecomepopularandquicklyappliedinourdailylivesforavarietyofelectronicproducts.Antennasarewidelyusedinmilitaryandcivilianapplications,suchaselectronicreconnaissance,guidedweapons,satellitenavigation,broadcasting,andmobilecommunications.

Inthe20thto21stcenturies,microwavetechnologyhasbeenwidelyusedinradartechnology,broadcastingandmobilesatellitecommunications.Inordertoobtainawiderbandwidth,theantennadesignismainlyfocusedonhigherfrequencies,andvariousantennasareappliedinpractice.Withtherapiddevelopmentofhigh-performancecomputingmethodsandcomputingdevices,thematrixmethod,aswellasthefiniteelementmethodandthefinitedifferencemethod,areusedinthedesignprocesstoimprovedesignefficiencyandreducedesigncost.

TheCassegrainantennaisamicrowaveantennadevelopedbytheCassegrainopticaltelescope.Itiswidelyusedinthefieldsofmonopulseradar,satellitecommunicationandradioastronomy.BoththestandardCassegrainantennaandtheconventionalsingle-reflectorantennahavethecontradictionofrequiringaslittleuniformilluminationaspossibleonthesurfaceofthemouthandrequiringaslittleenergytoescapefromtheedgeofthereflectingsurface,therebylimitingtheincreaseinthegainfactorofthereflectingantenna.However,bycorrectingtheshapeofthesecondaryreflectionsurfaceoftheCassegrainantennasothattheshapenearthevertexismoreconvexthanthestandardhyperboloid,theenergyradiatedbythefeedtothecenterofthemodifiedsecondaryreflectionsurfaceisItspreadsoutwardtothenon-centralportionofthemainreflectingsurface,sothattheamplitudedistributionoftheaperturefieldtendstobeuniform.Inthisway,arelativelyhighsecondaryedgelevelcanbeusedtoensurealargeinterceptionefficiency,andatthesametime,arelativelyuniformamplitudedistributionoftheaperturefieldcanbeachieved.Onthisbasis,themainsurfaceshapeisfurthercorrectedtoensurethattheaperturefieldisthesamedirectionfield,andfinallythegaincoefficientcanbeimproved.ThismodifiedantennaoftheprimaryandsecondaryfacesiscalledamodifiedCassegrainantenna,whichisoneoftheresearchresultsthatcanimprovetheantennagainfactor.ThecombinationoftheimprovedCassegrainantennaandthehigh-efficiencyfeedwillresultinanantennagainfactorof0.7-0.85,whichhasbeenusedinpractice.

Anantennaisatransducerthattransformsaguidedwavepropagatingonatransmissionlineintoanelectromagneticwavepropagatinginanunboundedmedium（usuallyfreespace）,orviceversa.Acomponentusedinaradiodevicetotransmitorreceiveelectromagneticwaves.Radiocommunication,broadcasting,television,radar,navigation,electroniccountermeasures,remotesensing,radioastronomyandotherengineeringsystems,allusingelectromagneticwavestotransmitinformation,relyonantennastowork.Inaddition,non-signalenergyradiationalsorequiresanantennaintermsoftransmittingenergyusingelectromagneticwaves.Thesamecharacteristicparametersofthesameantennaastransmittingorreceivingarethesame.Thisisthereciprocitytheoremoftheantenna.Newantennatechnologiesinclude3Gsmartantennas,3Gdirectionalandomnidirectionalantennas,CDMA/GSMbroadbandantennas,GSMdual-bandantennas,CDMAantennas,PHSantennas,GSMantennas,WLANantennas,wirelessaccesslines,indoordistributionlines,satellitepositioningantennas,repeaterantenna,microwavecommunicationantenna,etc.

Thesingle-pulseCassegrainantennaismainlyusedfortrackingandpositioningofhigh-speedtargets,suchastrackingofaircraft,missiles,rockets,andartificialsatellites.Ithastheadvantagesoffasttrackingspeed,hightrackingaccuracy,andlongtrackingdistance.Inradarapplications,single-pulseCassegrainantennascanbeusedwitharrayantennas,orwithreflectivesurfacesandsingle-pulsefeeds.ThecommonpulsedCassegrainantennasarebasedoncomparingtheamplitudeandphaseoftheechosignals.Single-pulsetrackingisdividedintoamplitudesinglepulse,phasesinglepulseandamplitudephasesinglepulse.Ineithercase,inordertodeterminetheangleofthetargetatacertainplane（azimuthorelevationangle）,itisrequiredtogeneratetwoshapesatthesametime.Beam.Theamplitudesinglepulsecommonlyusedhereisasinglepulseantennathatconsidersaplanefirst.

FirstintroducethebackgroundoftheCassegrainantennaandhowitworks,thenintroducesomeofthecharacteristicsoftheCassegrainantenna.

Secondly,thebasicprinciplesandsolutionsoftheantennaareintroduced.Similartotheelectromagneticproblem,thesolutionoftheantennaisbasedontheMaxwellequation,followedbythesolutionoftheradiationfieldofthecurrentunitandthelargecurrentunit.Byanalyzingthetime-varyingelectromagneticfieldandthefundamentalradiatingelement,theHuygenselementandthebasicslotunit,theradiationparametersoftheantennacanbeobtainedbyaddingthebasicradiatingelementvector.

Finally,theeffectsoftheHFSSantennasimulationsoftwareareintroduced.

Toimprovethesimulationefficiency,HFSSsimulationisneeded,whichhascertainguidingsignificanceforantennadesign.

Keywords:

antenna;Cassegrainantenna;singlepulse;microwave

1.绪论

1.1天线发展的现状

随着当代信息技术的高速发展，无论是个人，还是群体都开始追求便携、简单、方便的电子设备。

同样，在无线通信领域中，各式各样的电子设备也在向着这一方向发展。

而电子产品硬件体积的缩小，带来的是对各种硬件设备在相同需求，甚至更好需求下的更高的要求。

如何能够在减小体积的前提下，改进传输模式这是新时代的问题。

天线，作为通信设备的最基本的也是不可或缺的配件，它的通信质量的好坏严重影响整个设备的性能。

随着VLSI（超大规模集成电路）和ULSI（超大规模集成电路）的发展，传统的天线形式和功能已经很难满足当前的需求了。

当代的无线通信系统要求天线尽可能的小。

宽带（超宽带），多频段工作和其他方向继续发展。

例如，在飞机隐身应用领域，一个小型的天线能够将飞机成为了目前的飞机隐身的一个非常重要的因素。

1.2卡塞格伦天线的研究背景

在19世纪，英国物理学家麦克斯韦用一个方程式表达了电场、磁场、电荷密度、电流密度之间的所有关系。

这一方程为研究无线电波，时变电磁场和天线提供了非常重要的理论基础。

1887年，要验证麦克斯韦对电磁波的预测，赫兹在卫星导航定位系统中设计了第一个奇怪的发射天线，一个圆形接收天线和一个螺旋天线。

后来，线天线和平面天线一个接一个地设计。

（1）线天线

据信，电磁波的波越长，它在传输的过程中的衰减越小。

因此，要去实现长距离通信，使用波长超过1000米的电磁波。

鉴于地球的镜像电流和天线电流方向相反，所以当天线水平放置时，天线的性能会变得很差。

而且，沿地面传播的水平极化波的衰减损耗相对较大，所以该阶段的天线要竖直放置在地面上的。

因为天线的高度会限制，这些天线是电小尺寸天线。

后来发现短波也可以用于长距离传播。

这是由于空间电离层在短波和中波无线电波上的反射。

设计了用于短波和中波通信的天线。

用在短波和中波的典型的天线是偶极天线，以及环形天线和Yagi-Yuta天线。

所有的这些天线都是为了改变天线的本身的某些特征而进行的改进。

例如天线的增益、方向等。

带宽。

同时，天线理论在这一时期得到了很大发展。

（2）面天线

1930年左右，因为微波管的发展，振荡器的频率大大增加，并开发了平面天线。

它包括基于声学原理的喇叭天线，基于应用光学的反射器天线和基于应用光学的透镜天线。

这些天线使用声扩散，光学反射，折射和聚焦的原理来改善天线增益。

在第二次世界大战期间，雷达的应用导致研究了聚焦反射器天线的简单结构。

长距离无线电通信和高分辨率雷达需要用高增益天线。

微波频段的反射器天线可以实现30dB以上的增益。

反射器天线恰好满足通信发展的要求。

鉴于此，将馈源和抛物面的金属发射器进行组装。

设计了更好地抛物面天线。

原理是改变辐射的辐射方向性使得辐射的方向性更好。

然而，由于前端馈电的缺点，如结构复杂，孔径场分布不均匀，根据施密特-卡塞格林望远镜的原理开发了卡塞格林天线。

20世纪70年代期间，伴随着通信的发展和无线信道的拥塞，无线通信已经发展到高频和频率复用。

反射器天线，其中包括了卡塞格伦天线，引起了很多人的关注。

卡塞格林天线系列随着高功率传输线的出现而迅速发展，如波纹喇叭高效馈电和波导，以及高速计算机和高效计算方法的应用。

1.3论文基本结构安排

卡塞格伦天线的设计主要涉及天线尺寸，结果，模式和驻波比的基本分析。

本文主要是通过将仿真结果与天线结构的预测结果进行比较，证明了该设计的重要性。

全文分为四章。

每章的内容如下：

第一章绪论介绍了天线的一些基本情况以及卡塞格伦天线研究背景。

第二章介绍了卡塞格伦天线的辐射和一些分析方法，卡塞格伦天线的一些几何结构，和相应的结果带来的天线特性。

第三章介绍了卡塞格伦天线的设计过程和仿真结果，解决方案的评估。

第四章对仿真结果进行了总结。

2.卡塞格伦天线的基本理论

2.1天线的基本参数

所有的无线电系统当中，天线都是其中不可或缺的一部分。

无线电的发射器处，天线会将用于引导的电磁波携带着信息转换为辐射的电磁波;与之相反的是，接收器处，它会将带着信息的电磁波转变成引导的电磁波或者电压和电流。

对于天线理论的研究是发射天线产生的辐射的电磁波的空间中的分布，并解决了发射的辐射场。

这个属于从电磁场的理论中的已知场分布计算场在空间中的分布的问题。

相对于接收天线，在发射天线的研究的基本理论上，人们利用电路理论的互易定理建立了一些天线发射和接收状态之间的关系，这样就得到了预期中的结果。

在大量的电磁场的复杂计算过程中可以看出，为了提高计算的效率和计算的精度，经常使用计算类软件来帮助解决一些遇到的困难问题。

在实际的研究中人们习惯把接收天线将接收的电磁信号变换为高频电压信号或者高频电流信号，这种信号从馈线发送到了一个接收器。

这个操作与发射天线的物理过程是相反的，是因为接收天线在电路