天线结构的型式 天线结构具有多种型式。天线可分为线天线和面天线两大类。在结构型式上有塔桅结构和反射体结构两大类。面天线的工作波长较短,精度要求较高。反射面精度是天线的一个重要问题。
塔桅结构分为拉线式桅杆结构和自立式塔架两种。桅杆天线(图1)杆身的稳定靠纤绳来维持。因为有纤绳支撑,桅杆可以较细,重量较轻。移动式桅杆天线的杆身常由若干节组装而成,架设时可一节节升起,运输时则拆成长度不大的若干节。桅杆不仅用于支持天线,有时杆身也作为发射体。自立式塔架(图2)是截面为正多边形(正三角形、正方形、六边形、八边形)的空间桁架结构,截面尺寸一般随高度而变化,可根据受力情况决定合理的曲线外形。塔架通常用来支持天线,如微波天线塔、广播电视天线塔、雷达天线塔等。 反射体天线结构也有多种型式,反射面一般是抛物面,外形有的是圆抛物面,有的是切割抛物面(矩形或椭圆形截面)。小口径反射体常采用薄壳结构,适当加一些加强筋。对于尺寸较大的天线,则要有主力骨架来支持反射面板,通常是桁架结构。圆抛物面天线的主力骨架常采用辐射状结构,由若干条辐射梁和环组成(图3)。非圆截面天线的主力骨架常采用格状结构(图4)。 为了获得更高的方向性,常将若干相同的天线单元以一定的排列方式组成天线阵。将几个天线单元排成一直线,就成为线阵。将许多天线单元排列在一个平面上,就组成面阵。面阵列式天线的结构型式多为框架式结构。
反射面的型式 反射面有四种型式:①实体反射面;②打孔金属板;③网状反射面;④栅条反射面。应根据电性能和机械性能的要求选择反射面的型式。实体反射面电性能好,反射效率高,但风阻大,重量大。波长3厘米以下的多采用实体反射面。其余三种反射面重量和风阻都小,但会漏过一些功率,因而对孔的尺寸、网格尺寸和栅条间隔有一定限制。例如,在金属板打圆孔时,对孔径和孔距均有要求,圆孔直径必须小于圆波导最低模的截止直径──λ/1.7,一般取为λ/3~λ/10(λ为波长),借以保证漏过功率足够小,而栅条的中心距必须小于半波长。实体、打孔金属板和网状反射面对各种极化波均可使用,而栅条反射面只适用于线极化,极化方向应与栅条平行。实体反射面和打孔金属板常由铝板经压力加工成形,也可用玻璃钢或碳纤维增强塑料,表面喷涂金属或铺铜丝网。网状反射面由金属丝编织而成。栅条反射面可用金属丝、金属圆管或金属板条平行地排列构成。
反射面公差 反射体天线的表面误差会影响电性能,使增益降低和旁瓣升高。增益降低系数η与表面均方根误差ε的关系可由鲁策公式表示:
η=G/G0=exp【-(4πε/λ)2】
式中G为有表面误差时的增益;G0为无表面误差时的增益;λ为工作波长;ε为表面误差(半光程差)的均方根值。
根据公式可知,随着表面误差ε/λ的增大,增益急剧下降。因此,必须限制表面误差。表面公差应根据电性能要求和生产的经济性来折衷决定。公差太大,电性能变坏;公差太小,则制造困难且结构笨重,因此应取一合适的数值。一般取均方根误差为λ/16~λ/64。表面公差的数值与天线大小无关,而仅与工作波长有关;波长越短,精度要求越高。工作在毫米波段的天线要求有很高的表面精度。产生表面误差的原因有制造误差、载荷引起的变形误差、安装调整误差等。确定总的表面公差后,即可按一定比例规定各项误差的指标。为了使反射体天线在载荷作用下的变形不超过允许值,天线结构必须具有足够的刚度。刚度要求常是天线结构的主要矛盾,特别是工作波长较短、尺寸较大的天线,设计时首先要满足刚度要求。