深空探测天线

目　录

第1章　几何光学法

1．1　概述　2

1．2　反射镜面的微波光学　2

1．2．1　反射镜表面的单位法线矢量　2

1．2．2　反射镜表面的斯耐尔定律　3

1．2．3　射束波前面积元和射束所截割的反射镜表面面积元之间的关系　4

1．2．4　多反射镜的射线描迹技术　5

1．3　波束波导中的对称转换原则　7

1．3．1　波束波导的对称转换准则　8

1．3．2　拓展的对称转换准则　8

1．3．3　对称转换波束波导系统中的等光程传输　9

1．4　卡塞格仑天线主、副反射镜的赋形　10

1．4．1　主、副反射镜几何及物理参数的确定　10

1．4．2　卡塞格仑天线的赋形　13

1．4．3　重新赋形副反射镜的技术　15

1．5　抛物面/抛物面型波束波导的几何光学分析　18

1．6　几何光学法计算反射镜的辐射场　20

1．6．1　E模辐射场公式　20

1．6．2　朱兰成公式　23

1．6．3　几何光学法计算天线辐射特性的适用性　24

参考文献　25

第2章　物理光学法

2．1　概述　27

2．2　几何处理　28

2．3　近似处理　29

参考文献　35

第3章　高斯模分析方法

3．1　概述　37

3．2　近轴近似的波动方程解　37

3．2．1　基模高斯波束解　38

3．2．2　基模高斯波束的基本特点　40

3．2．3　关于基模高斯波束的讨论　40

3．3　高斯波束的变换　44

3．3．1　传播通过一段空间距离d的变换　44

3．3．2　高斯波束的折射过程　44

3．3．3　通过理想薄透镜的变换过程　46

3．3．4　对称抛物面反射镜的反射变换　47

3．3．5　球面反射镜的反射变换　49

3．3．6　偏置角θ0=π/2的偏置抛物面天线的变换　50

3．4　椭圆高斯波束　52

3．5　高阶高斯模　54

3．5．1　厄米-高斯波束　55

3．5．2　拉盖尔-高斯波束　58

3．6　常用的拉盖尔-高斯模　61

3．6．1　基模　61

3．6．2　(0，1)模　62

3．6．3　(0，2)模　63

3．7　高斯模法分析喇叭馈源的场　64

3．7．1　平衡混合状态下的波纹馈源　64

3．7．2　非平衡混合状态下的波纹喇叭　67

3．8　高斯模法分析偏置抛物面反射镜　68

3．8．1　偏置角为θ0的偏置抛物面反射镜高斯波束的变换机理　68

3．8．2　偏置抛物面反射镜不对称性激励的高阶高斯模　70

3．8．3　偏置抛物面反射镜的反射矩阵　72

3．9　反射镜高斯波束参数的求解　74

3．9．1　等效球面波法　74

3．9．2　高斯模法同射线描迹相结合的综合方法　76

3．9．3　近似球面波法同射线描迹法相结合的综合方法　79

3．9．4　全高斯模处理方法　80

3．9．5　薄透镜理论法　82

3．10　用远场方向图表示馈源的高斯波束　86

3．11　高斯波束组法　88

3．11．1　方法的基本描述　89

3．11．2　馈源辐射场的高斯波束展开式　89

3．11．3　几何及物理参数的确定　91

3．11．4　高斯波束模系数C1m的确定　97

3．11．5　反射镜的反射场　98

3．12　高斯模系数的确定　106

3．12．1　有限空间电磁场高斯模展开式　107

3．12．2　将反射镜上的表面电流展成高斯模场　108

3．13　波束波导反射镜的截获效率　109

3．13．1　第一枚反射镜的截获效率　110

3．13．2　第二枚反射镜的截获效率　111

3．13．3　高斯模的矢量模函数、标量模函数和模的单位矢量　114

3．14　波束波导系统中的交叉极化特性　115

3．14．1　0，0模与0，1模传输的相位差　115

3．14．2　偏置镜的置位误差对交叉极化的影响　116

3．14．3　波束波导系统的输出场　118

3．15　波束波导中的差模传输特性　120

参考文献121

第4章　焦平面场共轭匹配法

4．1　概述　124

4．2　平行于主反射镜孔径轴的平面来波在主反射镜表面所激励的场　125

4．3　副反射镜表面的场　126

4．4　过副反射镜顶点且与副反射镜轴ez垂直的平面内的场　128

4．5　过Vs且垂直于z轴的平面的场高斯波束展开　130

4．5．1　搜索法　131

4．5．2　Vs平面场分布近似为高斯波束横向场分布法　132

4．6　焦平面场的处理　134

4．7　关于偏置椭球反射镜高斯模的处理　137

4．7．1　偏置抛物面反射镜与偏置椭球面反射镜的几何关系　138

4．7．2　偏置椭球面反射镜的薄透镜方程　138

4．8　副反射镜上的表面电流展成高斯波束　142

参考文献　145

第5章　馈源技术

5．1　概述　147

5．2　多模馈源　147

5．2．1　多模馈源的构成单元及其作用　147

5．2．2　不连续截面处高次模的激励　148

5．2．3　多模馈源的辐射方向图　153

5．3　波纹馈源　154

5．3．1　表面阻抗法　156

5．3．2　HE11模的单模工作区　163

5．3．3　宽频带波纹喇叭的设计　163

5．4　散射矩阵法分析波纹馈源　167

5．4．1　典型组件的处理　168

5．4．2　相邻两组件的组合散射矩阵　172

5．4．3　矩阵参数　173

5．4．4　喇叭或波导与口面之间波导段的处理　175

5．4．5　口面对半空间的辐射　176

5．4．6　整体处理　179

5．4．7　模数的选取　180

5．4．8　球面波展开法计算波纹喇叭的方向图　181

参考文献　184

第6章　微波全息法测量天线表面误差

6．1　概述　186

6．2　基本原理　186

6．3　计及反射面变形影响的辐射场　190

6．4　变形反射镜面形的构建　192

6．4．1　取样规则　193

6．4．2　离散傅里叶变换　194

6．5　最佳拟合抛物面　196

6．5．1　坐标变换　196

6．5．2　最佳拟合抛物面的确定　197

6．6　变形赋形双镜天线的最佳拟合反射面　202

6．6．1　坐标变换　202

6．6．2　主反射镜变形、副反射镜不变形　203

6．6．3　主反射镜不变形、副反射镜变形　207

参考文献　210

第7章　天线噪声温度

7．1　概述　212

7．2　天线方向图所确定的噪声温度　212

7．2．1　地面噪声温度模型　214

7．2．2　天线方向图所确定的噪声温度整体模型　215

7．2．3　天线面的欧姆损耗所产生的噪声温度　218

7．3　波束波导中的噪声温度的确定　219

7．3．1　基本模型　219

7．3．2　互易定理求解法向模场　220

7．3．3　反射镜泄漏所产生的噪声温度　224

参考文献　224

第8章　关于波束波导系统的设计

8．1　概述　227

8．2　波束波导系统设计的重要技术因素　228

8．2．1　低噪声温度因素　228

8．2．2　波束的转换因素　229

8．2．3　两偏置反射镜之间的距离选择因素　230

8．2．4　结构因素　231

8．3　波束波导的高通设计法　233

8．3．1　多频段共用波束波导的特点　233

8．3．2　高通设计法的基本描述　234

8．3．3　关于各频段馈源的设计　234

8．4　高斯波束法　248

8．4．1　各高斯波束之间的转换关系　249

8．4．2　M1镜反射高斯波束参数的确定　251

8．4．3　M1镜入射高斯波束参数的确定　252

8．4．4　副反射镜顶点Vs处的高斯波束参数　253

8．4．5　利用高斯波束法设计波纹喇叭馈源　254

8．4．6　利用高斯波束法设计波束波导的实际设计案例　255

8．5　高功率设计法　263

8．5．1　基本原理　263

8．5．2　主要技术因素及其分析　265

8．5．3　高功率波束波导系统第一种设计方法——Z02位于V1V2中途法　265

8．5．4　高功率波束波导系统第二种设计方法——Z02最佳确定法　270

参考文献　272

第9章　非波束波导馈电的卡塞格仑型深空探测天线

9．1　概述　274

9．2　副反射镜的赋形　275

9．2．1　偏轴馈源的射线描迹　276

9．2．2　副反射镜的重新赋形　276

9．2．3　等光程常数Ck的确定　277

9．2．4　F2位置的选择　279

9．2．5　不对称卡塞格仑天线可能存在的问题　279

9．3　双频功能的开拓　280

9．3．1　双频段馈源系统　280

9．3．2　椭球型反射镜　281

9．4　降低天线噪声、提高天线G/T值的技术　282

9．4．1　副反射镜边缘的几何光学射线内拨技术　282

9．4．2　副反射镜边缘附加赋形凸缘　283

参考文献　284

《深空探测天线》是一本关于深空探测天线技术的专著，详细讨论和研究了几何光学分析方法、物理光学分析方法、高斯模分析方法和焦平面场共轭匹配分析方法。书中还就波束波导的3种设计方法，即高通法、高斯波束法和高功率设计法进行了设计实例研究，给出了一些新颖的设计方法。书中也讨论了馈源设计技术、噪声温度计算技术以及全息法测量天线面形误差技术。
　　《深空探测天线》可供从事天线、馈源和微波技术研究和设计的工程技术人员及相关专业大学生和研究生阅读参考。